Aplikace pro měření a regulaci iontů v ovzduší

V 1. dílu "Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 1. Co sledovat a měřit ?" jsme si představili, jaké plyny je dobré v místnostech sledovat. Dnes se podíváme na čtyři aktuálně nejběžnější a nejpoužívanější technologie provedení senzorů. Každá z nich má svá specifika a určitá pro i proti a je použitelná pro měření jen některých druhů plynů.

Pro účely měření kvality vzduchu by bylo nejpraktičtější použít jeden senzor, který by uměl rozlišovat a nezávisle na sobě analyzovat jednotlivé složky vzduchu a pak ukazovat jejich koncentrace či je porovnávat s přednastavenými limity. Bohužel ale v praxi zatím takový senzor neexistuje. Zatím totiž neexistuje jedna společná technologie, která by to umožňovala.

Přesněji řečeno, je možné jedním senzorem analyzovat jeho kvalitu, ale jako souhrnný plyn, kdy sice je možné informovat o jeho nedostatečné kvalitě, ale již nelze určit, která složka vzduchu konkrétně je závadná. Každá látka totiž na základě svých fyzikálně-chemických vlastností dané jejím složením vyžaduje odlišný fyzikální způsob měření, tedy konkrétně převodu chemické koncentrace na elektrický signál, který lze následně již elektronicky zpracovávat a vyhodnocovat.

Ve výsledku tak lze použít i jednu shodnou elektronickou vyhodnocovací část senzoru, do které však budou připojeny různé převodníky - generátory elektrického signálu dle koncentrace daného plynu.

GSS/MOS senzory

GSS či MOS senzory plynů využívají technologii založenou na interakci molekul plynu s vodivým materiálem, u něhož mění svojí přítomností jeho elektrickou vodivost. Ta je pak následně již elektricky vyhodnocována. Použitelnými materiály jsou zejména oxidy kovů (např. oxidy zinku, cínu, wolframu, india).

Čtěte také: Lehké a těžké ionty v ovzduší

Na povrchu tohoto materiálu se vytvoří ve vzduchu rovnovážný stav s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší a způsobí změnu vodivosti. Pro některé plyny je tato snímací vrstva vytápěná na teploty 270°C až 900°C.

Vlastnosti toho snímacího materiálu tvořící snímací plošku je pak hlavním klíčem (alfou a omegou) přesnosti a citlivosti senzoru, a proto prakticky veškerý hlavní vývoj v této technologii je cílen na hledání a realizaci nových materiálů umožňující detekovat doposud tímto způsobem nedetekovatelné plyny nebo vylepšování (zajištění větší citlivosti a selektivity) u již existujících provedení.

V současnosti je snaha výrobců pro běžné uživatelské účely měření (běžné monitorování a regulace / hlídání limitů) prakticky vždy použít polovodičové provedení senzoru, které je výhodné díky jejich ceně a dlouhodobé životnosti v čistém prostředí a nízkých měřicích rozsazích.

Polovodičové senzory však nejsou využitelné v bezpečnostních průmyslových aplikacích kvůli nízké selektivitě, omezené přesnosti měření, linearitě a časové nestabilitě (driftu) signálu. Navíc je jejich použití u některých plynů (typicky např.

Stručně řečeno: GSS/MOS senzory jsou uživatelsky nenáročné a lze jej velmi dobře miniaturizovat a masově vyrábět. Proto jsou GSS/MOS senzory obecně levné, ale bohužel nejsou zatím dostupné a vhodné pro všechny druhy plynů, i když se nabídka s postupným vývojem nových snímacích materiálů neustále rozšiřuje.

Čtěte také: Rizika mobilních aplikací a Wi-Fi

GSE/EC senzory

GSE či EC senzor vytváří měřicí signál úměrný koncentraci sledovaného plynu na základě chemické redukce či oxidace molekul sledovaného plynu s elektrolytem uzavřeným v těle senzoru. Materiál elektrod, elektrolyt i napětí mezi elektrodami jsou zvoleny tak, aby na měřicí elektrodě docházelo k elektrochemické reakci doprovázené vznikem volných elektronů.

Dobré měřicí vlastnosti elektrochemického senzoru jsou obvykle vykoupeny poměrně krátkou životností senzoru (cca 1 až 2 roky). Rychlejší stárnutí senzorů je způsobeno nevratnými chemickými změnami vedoucími k postupnému vyčerpání elektrolytu. Pro zachování přesnosti měření je nutné změny citlivosti senzoru často kompenzovat novou kalibrací.

PID foto-ionizační detektory

Princip PID foto-ionizačních detektorů je založený na měření počtu excitovaných iontů molekul ionizovaných plynů vlivem energie dodané fotony ultrafialového záření (dodávaným UV světlem). Vzniklé excitované (volné) kladné a záporné ionty jsou pak sbírány na měřících elektrodách, kde generují elektrický signál. Ten je již následně zpracován (zesílen a vyhodnocen) v elektronice senzoru.

Ultrafialové záření se generuje speciálními malými kalibrovanými UV LED zářiči, kterou jsou ocejchované v hodnotách ionizační energie v jednotkách eV (elektron voltů), kterou ozářeným molekulám plynu dodávají. Molekuly plynu procházející generovaným světlem jsou pak ionizovány v případě, že jejich ionizační energie je nižší nebo rovna energii fotonů světla z lampy. Tedy například v případě použití lampy 10,6 eV všechny molekuly s ionizační energií menší nebo rovnou hodnotě 10,6 eV (například plyn amoniak).

Z toho je patrné, že jakékoliv látky v plynu obsažené splňující tuto podmínku přispějí svými ionty a tedy přispějí k naměření vyšší hodnoty koncentrace. Selektovat tak lze různé látky pouze podle jejich ionizační energie.

Čtěte také: Aplikace Zvuky přírody – recenze

Stručně řečeno: PID senzory umožňují měření / detekci jen těkavých VOC plynů. Běžné PID senzory pak obvykle měří pouze celkovou koncentraci různých přítomných VOC těkavých látek a tedy neumožňují definovat, která konkrétní látka zvýšenou koncentraci způsobila a tedy, kde hledat problém a kde zasáhnout. Na druhou stranu PID senzory dosahují velkého měřícího rozsahu koncentrací a dobré přesnosti a časové stability.

NDIR senzory

NDIR senzor pracuje na základě absorpce části IR spektra v molekulách měřeného plynu (např. CO2). U současných moderních provedení tento princip představuje nejlepší výsledky měření, vyznačuje se selektivitou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou životností. Nevýhodou je vyšší pořizovací cena a omezená možnost miniaturizace.

Jistým limitujícím faktorem je skutečnost, že vyšší koncentrace plynu vedou k tzv. „oslepnutí“ senzoru, protože příliš mnoho molekul je schopno pohltit prakticky veškeré IR záření sledovaných vlnových délek a tedy na přijímač záření již žádné nedopadne.

Po krátkém přehledu principů detekce/měření by ještě bylo dobré se zmínit, jaké principy se používají pro detekci v uzavřených místnostech. Z praktického pohledu by bylo ideální, kdyby pro všechny plyny bylo možné měřit GSS/MOS typy senzorů.

Ty se nejsnadněji hromadně (sériově) vyrábějí, lze je nejlépe miniaturizovat a mají velmi dlouhou životnost, protože neobsahují žádné zdroje záření ani elektrolyty, které s časem postupně degradují (životnost max. několik let). Bohužel ale ne všechny plyny lze pomocí GSS/MOS technologie spolehlivě a dostatečně přesně měřit.

GSS/MOS senzory jsou nejlepší pro detekci těkavých organických látek (VOC) a pak hlavně oxidu uhelnatého (CO). Proto se již mnoho desítek let úspěšně využívají pro detekci kouře a výbušných plynů (butan, metan apod.). Naopak v současné době v místnostech nejpopulárnější měření oxidu uhličitého (CO2) je pro ně stále ještě poměrně velký problém.

Již sice byly nalezeny vhodné materiály (např. InO2), ale ty vykazují nejlepší výsledky měření v oblasti od 2000 do 5000 ppm, což je již za prakticky za hranicí, co v běžném prostředí chceme sledovat (úrovně do 1 500 ppm). Proto se sice GSS/MOS senzory pro měření CO2 již používají, ale zatím jen ve funkci velmi přibližných detektorů (známé různé CO2 detektory do USB portů počítačů v kancelářích).

Další výzva pak obvykle bývá měření koncentrace oxidů dusíku (NOx), tedy přesněji řečeno oxidu dusičitý (NO2). Ten sice lze velmi přesně a spolehlivě měřit senzory typu GSE, které však bohužel obvykle reagují i na koncentraci přízemního ozónu O3.

V oblasti měření volně těkavých organických plynů (VOC) bývá zase problémem přesné definování přítomnosti různých látek ve jedné směsi (vzduchu), protože zde existuje velká tzv. křížová reference, tedy vzájemné ovlivňování měření jednoho plynu současným výskytem plynu jiného. Zvláště to platí při použití PID senzorů, které se sice pro VOC plyny velmi hodí, protože poskytují dobrou přesnost a velký měřící rozsah, ale křížová reference je u nich velmi vysoká.

PID senzory sice umějí poměrně přesně změřit a vyhodnotit zvýšenou koncentraci VOC plynů, ale již je obtížné přesně identifikovat, o jaký VOC plyn konkrétně jde. Tedy v případě plynů sledovaných v místnostech se obtížně rozlišuje, zda za zvýšenou koncentraci může například benzen, naftalen, trichlorethylen či perchlor apod.

Běžné PID senzory jsou navíc standardně kalibrovány plynem isobutylen a pro přesné měření koncentrace je nutné naměřenou hodnotu přepočítávat na konkrétní plyn (např. benzen) prostřednictvím korekčního koeficientu RF (Response Factor).

tags: #aplikace #na #měření #a #regulaci #iontů

Oblíbené příspěvky:

• Očkovací průkaz na školu v přírodě
• Uhlíkové izotopy
• Plastový koš na odpadky v retro stylu
• Jak zapojit dřez do odpadu
• Příklady ekologických iniciativ