Grundlagen von Gassensoren

John Blyler | 15. März 2021

Zu Beginn der industriellen Revolution war die Erkennung schädlicher Gase sowohl für die ersten Bergleute als auch für die Hersteller und Verbraucher eine Notwendigkeit. Einer der ersten Gasdetektoren war eine Flammensicherheitslampe (oder Davy-Lampe), die 1815 vom englischen Erfinder Sir Humphry Davy erfunden wurde. Die Davy-Lampe wurde verwendet, um das Vorhandensein von Methan (Schlagwetter) in unterirdischen Kohlebergwerken festzustellen.

Die Gassensortechniken von gestern können mit den heutigen Methoden nicht mithalten. Das Zeitalter des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) für Verbraucher und Industrie hat es sensorreichen Gasdetektionsgeräten ermöglicht, mit einer Vielzahl schädlicher, radioaktiver und explosiver Arten von Gasen umzugehen. Zu den gebräuchlichsten Gastechnologien gehören Molecular Property Spectrometer (MPS), Pellister (Cat-Bead), Nondispersive Infrarot (NDIR), Electrochemical (Echem) und Photoionization Detector (PID).

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Jedes davon ist für eine bestimmte Gasart ausgelegt. Beispielsweise werden MPS, Pellister und NDIR zur Erkennung verschiedener Kohlenwasserstoffe (brennbare/brennbare Gase) verwendet. Umgekehrt sind Echem-Sensoren und PID besser in der Lage, verschiedene giftige Gase und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) zu erkennen.

Wie sollten Ingenieure die Aufgabe angehen, Gassensortechnologien auszuwählen und in ihre IoT/IIoT-Designs zu integrieren? Um diese Fragen zu beantworten, traf sich Design News mit Experten von NevadaNano. Was folgt, ist ein Teil dieser Diskussion.

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Design News: Wie sollten Designer und Hersteller bei der Auswahl des richtigen Gassensors vorgehen?

NevadaNano: Die Auswahl des richtigen Sensors hängt von der Art des zu messenden Gases und der Umgebung ab, in der der Sensor betrieben wird. Für Gase wie Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff ist es am besten, Sensorsysteme mit elektrochemischer (oder Echem-)Technologie für giftige Gase zu verwenden. Die PID-Technologie ist eine gute Wahl für Gase, die von Echem-Sensoren nicht erkannt werden können, wie zum Beispiel giftiges Benzolgas. Für die Erkennung von Kohlenwasserstoffgasen (brennbare/brennbare Gase) wären MPS-, NDIR- und Pellister-Technologien Optionen. Hier eine gute Reihe von Designanforderungen, mit denen Sie beginnen können:

1) Welches Gas bzw. welche Gase sollen nachgewiesen werden?

2) Wie groß ist der benötigte Erfassungsbereich?

3) Welche Umgebungsbedingungen oder Einschränkungen könnten sich auf das Design auswirken?

Jedes dieser zuvor genannten Gassensorsysteme hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Es ist wichtig, diese Unterschiede zu verstehen, bevor Sie die Technologie auswählen, die für eine bestimmte Anwendung verwendet werden soll.

Design News: Wie werden Gassensoren in der Industrie eingesetzt?

NevadaNano: Wie Sie sich vorstellen können, müssen bei der Auswahl der am besten geeigneten Gasdetektortechnologie viele Variablen – beispielsweise Betriebsszenarien – berücksichtigt werden. Viele industrielle Gasdetektoren ermöglichen entweder eine stationäre oder tragbare Erkennung. Die Auswahl des richtigen Industriegasdetektors erfordert ein Verständnis der Einschränkungen und Stärken jedes Sensortyps.

Tragbare und handgehaltene Geräte können für die Einzelgas- oder Mehrgasmessung verwendet werden. Letzteres kann mehrere Technologien in einem Gerät integrieren. Diese Art von Detektoren dient im Allgemeinen dem Schutz der Person, die das Gerät trägt.

Bei stationären Detektoren handelt es sich in der Regel um einzelne Gasmessgeräte, die oft fest verdrahtet sind und für die Überwachung rund um die Uhr in zahlreichen industriellen oder kommerziellen Anwendungen vorgesehen sind.

Design News: Wie passen sie in die IoT- und IIOT-Plattformen?

NevadaNano: Daten sind zu einem wichtigen Werkzeug für Analysen in einer Vielzahl von Anwendungen geworden. Je größer die Menge der analysierten und umsetzbaren Daten ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Benutzer fundierte Entscheidungen treffen können. In der Vergangenheit lieferten Gassensoren Gaswerte auf lokaler Ebene. Das Gleiche galt für tragbare Instrumente, bei denen nur der unmittelbare Benutzer Zugriff auf die Daten hatte. Bei ortsfesten Instrumenten schließlich würden die Gaspegel von der Anlage isoliert werden.

Durch die Integration von Sensoren in IoT- und IIOT-Plattformen können gasbezogene Daten (z. B. die Konzentration schädlicher Gase) rund um den Globus übertragen werden, wodurch Echtzeitdaten sowohl für tragbare als auch für fest installierte Monitore bereitgestellt werden. Beispielsweise versorgt ein einfacher Bluetooth-fähiger Gasdetektor und die entsprechende App den lokalen Benutzer mit aktualisierten Messwerten, die er dann automatisch drahtlos an seinen Vorgesetzten weitergeben kann, der sich in der Nähe oder in großer Entfernung befindet.

Design News: Was hält die Zukunft für Gassensoren bereit?

NevadaNano: Jahrzehnte alte Sensortechnologie wird auch heute noch und in absehbarer Zukunft eingesetzt. Fortschritte bei der Sensorik führen jedoch zu neuen Markttechnologien, wie zum Beispiel dem Molecular Property Spectrometer (MPS)-Sensor für brennbare Gase.

Es werden weitere Verbesserungen vorgenommen, um die Häufigkeit der Kalibrierungen zu reduzieren. Es werden weitere Daten bereitgestellt, darunter Leckraten, Dauer eines Gaslecks, Quelle des Gaslecks und vieles mehr. Mit Halbleiter-MEMS und nanobasierten Verbesserungen werden Größe und Kosten von Sensoren weiter sinken. Diese Reduzierung ermöglicht den Einsatz einer größeren Anzahl von Sensoren, die immer mehr Daten liefern.

Weltweit entstehen neue Anwendungen. Der gesetzgeberische Fokus auf die Reduzierung der globalen Erwärmung ist ein wichtiger Treiber. Beispielsweise gibt es jetzt strengere Beschränkungen gegen Gaslecks auf einer scheinbar endlosen Länge von Erdgaspipelines auf der ganzen Welt. Der Einsatz von Sensoren zur Lokalisierung potenzieller Methangaslecks aus solchen Rohren verbessert nicht nur die Auswirkungen auf die Umwelt, sondern trägt auch dazu bei, Produktverluste zu reduzieren und so die Gewinne der Branche zu steigern.

Die Reduzierung der Sensorkosten, Verbesserungen bei der Sensordatenanalyse in Verbindung mit einer IoT- oder IIOT-Plattform sind wichtige Voraussetzungen für den Einsatz von mehr Sensoren für mehr Anwendungen.

John Blyler ist leitender Redakteur bei Design News und deckt die Bereiche Elektronik und fortschrittliche Fertigung ab. Mit einem BS in technischer Physik und einem MS in Elektrotechnik verfügt er über jahrelange Erfahrung in Hardware-Software-Netzwerksystemen als Redakteur und Ingenieur in der fortschrittlichen Fertigungs-, IoT- und Halbleiterindustrie. John ist Co-Autor von Büchern zum Thema Systemtechnik und Elektronik für IEEE, Wiley und Elsevier.

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