Revolutionaire MEMS Multi-Gas Sensor: Accurate Detectie Van 12 Brandbare Gassen

Gasdetectie is een kritieke functie, maar de technologie is decennialang niet veranderd. Toen ik hoorde over een volledig nieuw type sensor van NevadaNano (Sparks, NV), besloot ik Ben Rogers, hun Director of Engineering, te interviewen.

Moleculaire Eigenschappen Spectrometer

Ze noemen hun sensor, een MEMS-gebaseerd apparaat, de Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

De MPS Brandbare Gas Sensor kan de concentraties van 12 van de meest voorkomende brandbare gassen detecteren en identificeren, waaronder waterstof; de MPS Methaan Gas Sensor is ontworpen om methaanlekken te monitoren voor de olie- en gasindustrie; de MPS Koelgas Sensor detecteert licht brandbare koelgassen met lage globale opwarming — allemaal gebaseerd op dezelfde technologie. Volgens Rogers is hun sensor veel accurater en betrouwbaarder dan de traditionele Pellistor (katalytische kralen sensor) en Non-dispersieve Infrarood Sensor (NDIR). De meeste traditionele sensoren hebben een coating die een chemische reactie opwekt. Het probleem is dat in de loop van de tijd de meetplaatsen die de reactie mogelijk maken, beschadigd kunnen raken. De MPS daarentegen is een inerte op silicium gebaseerde oppervlakte, die geen chemische reactie vereist. Hij verwarmt, meet de thermodynamische eigenschappen van de lucht, en koelt weer af, zodat hij 10 jaar of langer kan duren zonder enige kalibratie, volgens Rogers.

Een Gas Identificeren

De MPS is ingebouwd in een pakket van ongeveer een inch, zoals getoond in Figuur 1. De te testen lucht komt door het gaasje bovenaan binnen en botst op een opgehangen, aangesloten micro hotplate, die dezelfde diameter heeft als een menselijk haar — 100 micron. De hotplate kan tot honderden graden Celsius worden verwarmd. De warmtebron is een Joule-verhitter, waarin een elektrische stroom door een weerstandselement wordt geleid zoals getoond in het inset van Figuur 1. De stroom komt aan op een van de verbindingen, zwervelt rond en gaat uit op die spoor. "We kunnen de weerstand van de hotplate meten, wat ons de temperatuur geeft en ook de vermogens die het kostte om die temperatuur te bereiken," zei Rogers. De relatie tussen de temperatuur van de plaat en het benodigde vermogen om die temperatuur te bereiken is een functie van de thermische geleiding van de lucht. Wanneer de lucht gassen bevat, veranderen de thermische eigenschappen. Bijvoorbeeld, als methaan in de lucht aanwezig is en de hotplate wordt verwarmd, omdat methaan thermisch geleidender is dan lucht, kost het meer vermogen om de hotplate op de juiste temperatuur te houden dan wanneer methaan niet aanwezig is.

Sleutel tot de unieke eigenschappen is dat de MPS een MEMS-apparaat is, geproduceerd op dezelfde manier als siliciumchips: in een foundry; en omdat het een MEMS-apparaat is, vereist het zeer weinig vermogen om te functioneren. "Er is nooit eerder een brandbare sensor geweest die je kan vertellen welke klasse gas je detecteert. Wanneer we een detectie maken, leveren we ook een classificatie. Bijvoorbeeld, de sensor rapporteert de aanwezige concentratie en dat het waterstof is, of een medium gas zoals pentaan, of een waterstofmengsel," zei Rogers. "Traditionele gassensoren hebben nooit de mogelijkheid gehad om classificatie te doen. Dat is wat ons zo accuraat maakt: omdat we onze kalibratie kunnen aanpassen voor welk gas er ook is."

Concentratie

De eenheid van concentratie die ertoe doet is de Lower Explosive Limit (LEL), wat de laagste concentratie (volumeprecent) is van een gas in lucht die in staat is een flits van vuur te produceren in de aanwezigheid van een ontbrandingsbron. Omdat gebruikers willen weten hoe dicht ze bij 50% van de LEL zijn, is de mogelijkheid om te identificeren welk gas aanwezig is belangrijk omdat de LEL voor elk gas anders is.

Figuur 2 toont grafieken van geleverde concentratie vs gerapporteerde concentratie. Het illustreert een van de grote problemen met sensoren in deze ruimte. Een perfecte sensor vertelt je precies wat gerapporteerd wordt — het gaat recht door het midden. Een sensor die de concentratie overrapporteert, activeert een alarm te vroeg, wat een kostelijke false positive geeft. Onderrapporteren geeft een false negative, wat gevaarlijk is. Ideaal zou je de curve recht door het midden willen. Zoals te zien is in de rechtergrafiek, is de nauwkeurigheid van de MPS-sensor precies op de juiste lijn voor zeven verschillende gassen.

Wat de MPS zo accuraat maakt, is dat de kalibratie in realtime automatisch wordt aangepast door de sensorsoftware voor welk gas dan ook aanwezig is.

MPS vs Traditionele Gassensoren

Een NDIR-sensor is doorgaans gekalibreerd op methaan, dus de grafiek van geleverd vs gerapporteerd voor methaan is één-op-één (Figuur 3, links). Maar voor al die andere gassen die je typisch in deze toepassingen tegenkomt, zal het ver overrapporteren — het zal veel te hoog lezen. En het is ook gevoelig voor false positives wanneer de vochtigheid of de temperatuur relatief snel verandert. Belangrijk is dat het waterstof helemaal niet ziet, wat een steeds belangrijker gas wordt over de hele wereld voor veel toepassingen.

De katalytische kralen (cat bead) is de andere sensor in deze ruimte (Figuur 3, rechts). Wanneer je het kalibreert op methaan, is het correct voor methaan, maar als je een van die andere gassen tegenkomt die typisch in deze toepassingen zijn, zal het laag lezen. Bovendien raakt de cat bead, die vertrouwt op een katalytische reactie, gemakkelijk vergiftigd. Als iemand gewoon in dezelfde kamer is als deze sensor met handcrème aan, is dat genoeg om het te vergiftigen zodat het niet meer werkt.

Of als je brandweerman bent en je wast de vrachtwagen die dag, kunnen alle sensoren in je gebouw vergiftigd raken. Dus het vereist frequente en kostbare onderhoud — je moet het regelmatig controleren — sommige plekken controleren ze elke dag of elke maand om ze te voorkomen dat ze vergiftigd raken.

"Zoals getoond in Figuur 2, volgt onze sensor ook een traject recht door het midden, in termen van geleverd versus gerapporteerde concentratie. We zijn zeer accuraat voor al deze gassen, zelfs als de MPS alleen fabrieksgekalibreerd is op methaan. Maar door hoe we de lucht ondervragen, zijn we eigenlijk in staat om te bepalen welk gas aanwezig is, wat ongekend is," zei Rogers.

Algoritmen

"We zijn goed in twee dingen," zei Rogers. "Eén is het bouwen van de hotplate-sensor, wat jaren aan ontwikkeling kostte. En twee, leren hoe we met die hotplate moeten praten." Het basiselement is tamelijk simpel — gewoon een verwarmde weerstand en een temperatuurmeting. Hoe die informatie gebruikt wordt, is de sleutel tot de werking van de sensor. De data van de hotplate samen met data van een omgevingsensor die temperatuur, druk en vochtigheid meet, worden gebruikt om de metingen te verkrijgen. "Elke twee seconden nemen we de data van de hotplate, we nemen de data van de omgevingsensor en we draaien een heleboel algoritmes die ons 15 jaar hebben gekost om te ontwikkelen en er komt uit: 'het is dit gas, het is deze concentratie,' en dat is de truc," zei Rogers.

Door dezelfde data te nemen maar de algoritmes te veranderen, heeft NevadaNano tientallen producten kunnen ontwikkelen die gebaseerd zijn op softwarewijzigingen. Bijvoorbeeld, er is een nieuw ras koelgassen dat lage globale opwarming heeft. Maar veel van deze nieuwe koelgassen, gebruikt in airconditionings en koelkasten, etc., zijn brandbaar. Daarom zullen alle residentiële airconditionings brandbaarheidssensoren vereisen om een onveilige toestand te voorkomen. Gebaseerd op de thermodynamische eigenschappen van die koelgasmoleculen was NevadaNano in staat om een product te bedenken dat uniek geschikt is voor die specifieke gassoort of meerdere, door alleen een softwarewijziging te maken. Binnen ongeveer een maand hadden ze een nieuw Alpha-product en begonnen ze het uit te nemen en aan mensen te tonen.

Kalibratie

Ik vroeg Rogers of ze elke sensor voor een bepaald gas moesten kalibreren. Hij antwoordde dat het afhangt van welk gas gedetecteerd moet worden. Voor de standaard brandbare gassen gebruiken ze methaan als kalibratiegas in de fabriek. "Eenmaal we de sensor methaan hebben getoond, hoeven we het niet meer te kalibreren op waterstof, butaan, propaan — het voelt de andere gassen ook intuitief." Dus bijvoorbeeld hoeven ze niet noodzakelijk waterstof in de fabriek te gebruiken om een waterstof-specifieke sensor te kalibreren.

Toepassingen

Ik vroeg Rogers vervolgens over typische toepassingen. "Wij zijn gewoon de sensor — dat kleine emmer-vormige dingetje dat in een detectorsysteem wordt gestoken. Bijvoorbeeld, als je vandaag naar een raffinaderij zou gaan en om je heen zou kijken op de muren, zou je veel dozijn apparaten zien die eruitzien als nutsbedrijfsmeter." Ze hebben meerdere sensoren ingestoken, waarschijnlijk inclusief een waterstofsulfidesensor, een zuurstofsensor, een koolstofmonoxidesensor, en een brandbare gassensor zoals de MPS.

Brandweermannen en andere eerste hulpverleners die in een gebouw rennen, dragen doorgaans wat een vier-gassensor wordt genoemd — een klein mobieltje-groot apparaat dat op hun schouder zit en vier gassensoren heeft, inclusief een MPS.

Samenvattend

Volgens Rogers is de MPS de meest innovatieve technologie voor gasdetectie in meer dan 30 jaar. Het overwint de tekortkomingen van bestaande technologieën; het is stabiel over brede werktemperatuurbereiken, inclusief snelle temperatuur- en vochtigheidsveranderingen; het is accuraat voor een lijst van veelvoorkomende brandbare gassen (inclusief waterstof). Bovendien kan de MPS worden gebruikt voor omgevingen met meerdere of onbekende gassen en is intrinsiek veilig, robuust, en immuun voor vergiftiging.

Dit artikel is geschreven door Ed Brown, Editor of Sensor Technology. Voor meer informatie, bezoek hier.