Next-Generation MEMS Multi-Gas Sensing

Het detecteren van gassen is een kritieke functie, maar de technologie is in decennia niet veranderd. Dus toen ik hoorde over een gloednieuw type sensor van NevadaNano (Sparks, NV), besloot ik Ben Rogers, hun Director of Engineering, te interviewen.

Moleculaire eigenschapspectrometer

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

De MPS-sensor voor brandbaar gas kan de concentraties detecteren en identificeren van 12 van de meest voorkomende brandbare gassen, waaronder waterstof; de MPS Methane Gas Sensor is ontworpen om methaanlekken voor de olie- en gasindustrie te bewaken; de MPS Refrigerant Gas Sensor detecteert licht ontvlambare koudemiddelen met een lage opwarming van de aarde - allemaal gebaseerd op dezelfde technologie. Volgens Rogers is hun sensor veel nauwkeuriger en betrouwbaarder dan de traditionele Pellistor (katalytische parelsensor) en niet-dispersieve infraroodsensor (NDIR). De meeste traditionele sensoren hebben een coating die een soort chemische reactie opwekt. Het probleem is dat na verloop van tijd de waarnemingssites die de reactie mogelijk maken, kunnen worden geruïneerd. De MPS is echter een inert oppervlak op basis van silicium, dat geen chemische reactie vereist. Het warmt op, meet de thermodynamische eigenschappen van de lucht en koelt dan weer af, dus het kan 10 jaar of langer meegaan zonder enige kalibratie, aldus Rogers.

Een gas identificeren

De MPS is ingebouwd in een pakket van ongeveer inch-formaat, zoals weergegeven in figuur 1. De te testen lucht komt binnen via het gaasscherm aan de bovenkant en botst op een hangende, vastgebonden micro-kookplaat, die dezelfde diameter heeft als een mensenhaar - 100 micron doorsnee. De kookplaat kan tot honderden graden Celsius worden verwarmd. De warmtebron is een Joule-verwarmer, waarin een elektrische stroom door een weerstandselement wordt geleid, zoals weergegeven in de inzet van figuur 1. De stroom komt binnen via een van de koorden, wervelt rond en komt uit op dat spoor. "We kunnen de weerstand van de kookplaat meten, wat ons de temperatuur geeft en ook het vermogen dat nodig was om die temperatuur te bereiken", zei Rogers. De relatie tussen de temperatuur van de plaat en het vermogen dat nodig is om die temperatuur te bereiken, is een functie van de thermische geleidbaarheid van de lucht. Wanneer de lucht gassen bevat, veranderen de thermische eigenschappen ervan. Als er bijvoorbeeld methaan in de lucht aanwezig is en de kookplaat wordt verwarmd, omdat het methaan meer warmtegeleidend is dan de lucht, kost het meer energie om de kookplaat op de juiste temperatuur te houden dan wanneer er geen methaan aanwezig is.

Sleutel tot zijn unieke eigenschappen, de MPS is een MEMS-apparaat, op dezelfde manier geproduceerd als siliciumchips:in een gieterij; en omdat het een MEMS-apparaat is, heeft het heel weinig stroom nodig om te werken. “Er is nog nooit een sensor voor brandbare gassen geweest die je kan vertellen welke gasklasse je detecteert. Wanneer we een detectie doen, geven we ook een classificatie. De sensor rapporteert bijvoorbeeld 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 uit te voeren. Dat maakt ons zo nauwkeurig:omdat we onze kalibratie kunnen aanpassen voor elk gas dat er is.”

Concentratie

De eenheid van concentratie die van belang is, is de onderste explosiegrens (LEL), de laagste concentratie (in volumeprocent) van een gas in de lucht dat in staat is een vuurflits te veroorzaken in de aanwezigheid van een ontstekingsbron. Omdat gebruikers willen weten hoe dicht ze bij 50% van de LEL zijn, is het belangrijk om te kunnen identificeren welk gas aanwezig is, omdat de LEL voor elk gas anders is.

Figuur 2 toont grafieken van geleverde concentratie versus gerapporteerde concentratie. Het illustreert een van de grootste problemen met sensoren in deze ruimte. Een perfecte sensor vertelt je precies wat er wordt gerapporteerd - het gaat precies in het midden. Een sensor die de concentratie te hoog rapporteert, zal te vroeg een alarm activeren, wat een kostbaar vals positief resultaat oplevert. Onderrapportage geeft een vals negatief, wat gevaarlijk is. Idealiter zou je willen dat de curve precies in het midden ligt. Zoals te zien is in de rechtergrafiek, is de nauwkeurigheid van de MPS-sensor precies goed voor zeven verschillende gassen.

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

MPS versus traditionele gassensoren

Een NDIR-sensor wordt doorgaans gekalibreerd op methaan, dus de grafiek van geleverd vs. gerapporteerd voor methaan is één op één (Figuur 3, links). Maar voor al deze andere gassen die u doorgaans in deze toepassingen tegenkomt, zal het veel te veel rapporteren - het zal veel hoger zijn. En het is ook vatbaar voor valse positieven wanneer de vochtigheid of de temperatuur relatief snel verandert. Belangrijk is dat het helemaal geen waterstof ziet, dat voor veel toepassingen een steeds belangrijker gas wordt over de hele wereld.

De katalysatorparel (kattenkraal) is de andere sensor in deze ruimte (Figuur 3, rechts). Wanneer u het kalibreert op methaan, is het correct voor methaan, maar als u een van deze andere gassen tegenkomt die typisch zijn voor deze toepassingen, zal het laag zijn. Bovendien wordt de kattenkraal, die afhankelijk is van een katalytische reactie, na verloop van tijd gemakkelijk vergiftigd. Als iemand zich net in dezelfde kamer bevindt als deze sensor die handcrème draagt, is dat genoeg om het te vergiftigen zodat het niet meer werkt.

Of als je een brandweerman bent en de vrachtwagen die dag in de was zet, kunnen alle sensoren in je gebouw vergiftigd zijn. Het vereist dus frequent en kostbaar onderhoud - u moet het regelmatig controleren - sommige plaatsen controleren ze elke dag of elke maand om te voorkomen dat ze vergiftigd raken.

“Zoals weergegeven in figuur 2, volgt onze sensor ook een traject tot in het midden, in termen van geleverde versus gerapporteerde concentratie. We zijn zeer nauwkeurig voor al deze gassen, ook al is de MPS alleen in de fabriek gekalibreerd op methaan. Maar door de manier waarop we de lucht ondervragen, zijn we in staat om te bepalen welk gas aanwezig is, wat ongekend is”, aldus Rogers.

Algoritmen

"We zijn goed in twee dingen", zei Rogers. “Een daarvan is de bouw van de kookplaatsensor, die jaren van ontwikkeling vergde. En twee, leren praten met die kookplaat.” Het basisapparaat is vrij eenvoudig - alleen een verwarmde weerstand en een temperatuurmeting. Hoe die informatie wordt gebruikt, is essentieel voor het functioneren van de sensor. De gegevens die van de kookplaat komen, samen met gegevens van een omgevingssensor die temperatuur, druk en vochtigheid meet, worden gebruikt om de meetwaarden te verkrijgen. "Elke twee seconden nemen we de gegevens van de kookplaat, we nemen de gegevens van de omgevingssensor en we voeren een aantal algoritmen uit die ons 15 jaar hebben gekost om te ontwikkelen en het resultaat is:'het is dit gas, het is deze concentratie', en dat is de truc,' zei Rogers.

Door dezelfde gegevens te gebruiken maar de algoritmen te wijzigen, heeft NevadaNano tientallen producten kunnen ontwikkelen die zijn gebaseerd op softwarewijzigingen. Er is bijvoorbeeld een nieuw soort koelmiddelen die de opwarming van de aarde tegengaan. Maar veel van deze nieuwe koelmiddelen, die worden gebruikt in airconditioningsystemen en koelkasten, enz., zijn ontvlambaar. Daarom zullen alle airconditioners voor woningen ontvlambaarheidssensoren nodig hebben om een ​​onveilige toestand te voorkomen. Op basis van de thermodynamische eigenschappen van die koelmiddelmoleculen was NevadaNano in staat om een ​​product te bedenken dat uniek geschikt is voor die specifieke gassoort of meerdere soorten, gewoon door een softwarewijziging aan te brengen. Dus binnen ongeveer een maand hadden ze een nieuw Alpha-product en begonnen het uit te brengen en aan mensen te laten zien.

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 ontvlambare gassen gebruiken ze in de fabriek methaan als kalibreringsgas. "Zodra we de sensor methaan hebben laten zien, hoeven we hem niet meer te kalibreren op waterstof, butaan, propaan - hij neemt intuïtief ook alle andere gassen waar." Zo hoeven ze bijvoorbeeld niet per se waterstof in de fabriek te gebruiken om een ​​waterstofspecifieke sensor te kalibreren.

Toepassingen

Ik vroeg Rogers toen naar typische toepassingen. "Wij zijn slechts de sensor - wij zijn dat kleine emmervormige apparaat dat wordt aangesloten op een detectorsysteem. Als je vandaag bijvoorbeeld naar een raffinaderij zou gaan en op de muren zou rondkijken, zou je tientallen apparaten zien die op elektriciteitsmeters lijken.” Er zijn meerdere sensoren op aangesloten, waarschijnlijk inclusief een waterstofsulfidesensor, een zuurstofsensor, een koolmonoxidesensor en een ontvlambare gassensor zoals de MPS.

Brandweerlieden en andere eerstehulpverleners die een gebouw binnenlopen, dragen meestal een zogenaamde viergassensor - een klein apparaatje ter grootte van een mobiele telefoon dat op hun schouder zit en vier gassensoren erin heeft, waaronder 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 een breed werkbereik, inclusief snelle veranderingen in temperatuur en vochtigheid; het is nauwkeurig voor een lijst van veelvoorkomende ontvlambare gassen (inclusief waterstof). Bovendien kan de MPS worden gebruikt voor omgevingen met meerdere of onbekende gassen en is hij intrinsiek veilig, robuust en immuun voor vergiftiging.

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