User:MVeinla/Gaasisensorid

Gaasisensor on seade, mis mõõdab mingi kindla gaasi kogust, kontsentratsiooni või lihtsalt seda, kas gaas mingis keskkonnas esineb või mitte. Tihti kasutatakse neid ohutuse eesmärgil kohtades, kus sensor saab inimesi hoiatada kui keskkonda on sattunud ohtlikke gaase või kui hapniku tase muutub ohtlikult madalaks. Gaaside ohtlikkus võib väljenduda nende tuleohtlikkuses, plahvatusohtlikkuses või toksilisuses. Gaasisensorid leiavad laia kasutust, kuna ohtlike gaaside olemasolu või keskkonna hapnikuvaesus ei ole tihti inimesele otseselt tajutav. Sensoreid kasutatakse ka teaduslikel eesmärkidel, keskkonna alastes mõõtmistel, meditsiinis, tööstusprotsessida juures. Gaasisensorite eelis võrreldes teise meetoditega on aparaatide väikse suurus, suur tundlikkus, võimalus mõõta reaalajas ilma proovi ettevalmistuseta ja madal hind.

Liigid
Gaasisensoreid võib liigitada vastavalt nende tööpõhimõttele. Tööpõhimõtteid on väga palju ja väga erinevaid, siin artiklis pole kindlasti kõiki mainitud.

Elektrokeemilised
Elektrokeemiline gaasisensor tuvastab gaasi elektrokeemilise reaktsiooni põhjal, kus gaas kas redutseerub või oksüdeerub. Gaas difundeerub sensori elektroodile, kus sellega toimub reaktsioon. Reaktsiooni käigus tekib elektriliste potentsiaalide vahe võrdlus- ja tööelektroodi vahel, mis omakorda põhjustab sensori vooluahelas elektrivoolu. Elektrivoolu või pinge suuruse põhjal saab määrata analüüstiava gaasi kogust ja kontsentratsiooni. Et hoida süsteemi tasakaalus toimub samal ajal vastaselektrooodil vastasreaktsioon. Elektrokeemiliste gaasisensorite suur eelis on see, et gaasi kontsentratsiooni ja sensori signaali tugevuse vahel on lineaarne sõltuvus. See omadus muudab palju lihtsamaks sensori kalibreerimise (hädavajalik on vaid kahe kalibreerimispunkti leidmine) ning võimaldab madalatel kontsentratsioonidel suuremat täpsust. Nendega on võimalik ka mõõta väga suurt hulka erinevaid gaase.

Infrapuna
Infrapuna gaasisensor põhineb infrapuna kiirguse neeldumisel. Sellised sensorid koosnevad kahest kambrist. Üks neist on võrdluskamber, teisest voolab läbi analüüsitav gaasisegu. Mõlemast kambrist lastakse läbi võrdne kogus infrapuna kiirgust. Mõlema kambri lõpus on ka detektor, mis mõõdab kiirguse intensiivsust, täpsemalt intensiivsuse erinevust kahe kambri vahel. Kui proovikambris on määratavat gaasi siis see neelab osa kiirgusest ära ning kahe detektori näitude vahel tekib erinevus. Erinevuse põhjal saab määrata gaasi kontsentratsiooni. See mõõtmine ei toimu mitte kõigil lainepikkustel vaid ainult nendes spektri alades, kus määratav gaas neelab. Vastasel juhul oleks kahe detektori näit erinev kui ükskõik mis gaas kambrist läbi voolaks. Selliste senorite miinuseks on see, et kui mingid gaasid neelavad samadel lainepikkustel siis võib sensor anda vale kõrgendatud näidu. Sensor eeldab, et selles spektrialas neelab ainult määratav gaas, kuid võivad neelata ka mingid muud gaasid. Sensori eeliseks on võime mõõta kaugelt, kuna uuritavat gaasisegu on võimalik sensorisse juhtida voolikute või torudega, pikk eluiga ja vähene tundlikkus keskkonna teguritele. Infrapuna gaasisensoritega ei ole võimalik määrata gaase, mis ei neela infrapuna kiirgust. Infrapuna ei neela gaasid, mille molekulid on sümmeetrilised, näiteks hapnik ja lämmastik. On olemas väga sarnase ehitusega ja põhimõttega sensoreid, kus ainus suurem erinevuse on see, et jälgitakse kiirust, millega heli läbib kambrit.

Pooljuht
Pooljuht sensorid töötavad voolu mõõtmise põhimõttel. Sensori ja gaasi vahel võib toimuda keemiline reaktsioon või gaas võib sensori pinnale adsorbeeruda. Selle protsesst tagajärjel muutub sensori elektritakistus. Muutuse põhjal on võimalik määrata gaasi kontsentratsiooni. Sensorite töötemperatuurid on enamasti 200 kuni 400 °C ning seetõttu vajavad ka mingisugust kütteelementi(capone). Enamasti koosnevad sensorid ränialusele sadestatud metallioksiidi kihist, tihti on metalliks tina. Sensorid on mehaanliselt kuigi vastupidavad ja tugevad, kuid võivad kergesti reostuda ning signaali tugevus võib tugevalt oleneda keskkonna tingimustest, näiteks niiskusest(capone). Sensori reostumine seisneb ainete adsorbeerumises sensori pinnale, mis segavad mõõtmisi ning mida on sensorilt raske või võimatu eemaldada. Ka määratav gaasi ennast võib peale mõõtmisi olla keeruline eemaldada, see vähendab sensori eluiga(capone). Pooljuht sensorite kalibreerimise teeb keeruliseks fakt, et seos sensori signaali ning adsorbeerunud gaasi vahel ei ole lineaarne. Sarnasel põhimõttel on võimalik mõõtmiseks kasutada ka heli. Sensori ehitus on järgnev: ühes otsas on heli allikas, keskel on õhuke substraat, teises otsas on heli detektor. Allikast saadetakse välja helisignaal, mis liigub läbi substraadi detektorisse. Kuna tegemist on mehaanilise lainega ja laine liigub läbi substraadi siis substraadi mehaanilised omadused muudavad laine omadusi. Laine omaduste muutuse põhjal on võimalik teha järeldusi substraadi kohta. Sellise analüüsi abil on võimlik määrata väga erinevaid asju, kuid gaaside puhul võimaldab see määrata substraadile adsorbeerunud gaaside hulka. Sellise põhimõttega sensorite eelisteks on madal hind, väike energiakulu ja väike suurus.

Ultraheli
Kõrge rõhu all hoitavad gaasid tekitavad lekkimisel tihti kõrge sagedusega inimesele tajumatut heli. Sellise pideva konstantse ultraheli põhjal võib suhteliselt kindlalt väita, et põhjuseks on gaasileke, kuna taustamüras sarnased helid puuduvad. Sensori eeliseks on fakt, et see ei pea olema otseses kontaktis gaasiga ning sensor säilitab tundlikkuse ka välikeskkonnas, kus gaasid hajuksid liiga kiiresti, et kontakti nõudvad sensorid neid tuvastada suudaks. Ultraheli sensorid ei suuda määrata gaasi kontsentratsiooni keskkonnas, kuid ultraheli tugevuse põhjal suudavad hinnata lekke suurust ja lekkimise kiirust. Sellised sensorid on kasulikud kohtades, kus on palju torustikku, näiteks naftaplatvormidel.

Katalüütilised
Katalüütilised gaasisensorid võib jagada kaheks alatüübiks, pellistor tüüpi ja termoelektrilised. Pellistor tüüpi sensorid on valmistatud mingisugusest katalüütilise toimega materjalist. Sensorit kuumutatakse ning sellesse juhitakse uuritav gaas. Kuumuse ja katalüsaatori toimel gaas süttib. Gaasi põlemise tulemusena tõuseb sensori temperatuur veel rohkem. Temperatuuri tõusuga kaasneb sensori elektritakistuse suurenemine, mille muutuse põhjal saab määrata gaasi kontsentratsiooni. On ka teist tüüpi pellistor tüüpi sensoreid, kus ei ole tähtis mitte temperatuur ise vaid temperatuuri muutus. Need sensorid koosnevad kahest elemendist, kus ühte ümbritseb referentsgaas ja teist uuritav gaas. Uuritava gaasi soojusjuhtivus erineb referentsgaasi omast ning selle erinevad ka kahe elemendi elektritakistused. Ka termoelektrilistes gaasisensorites põletatakse uuritavat gaasi. Selle tõttu tekib sensori eri osade vahel temperatuuri erinevus. Sellest omakorda esineb sensoris termoelektriline effekt, mis tähendab, et temperatuur erinevuse tõttu tekib sensoris elektriline pinge. Pinge suuruse põhjal saab määrata gaasi kontsentratsiooni. Katalüütilised gaasisensorid on võrdlemisi lihtsad ja odavad, kuid nendega saab määrata ainult põlevaid gaase ning need võivad pika aja peale reostuda.

Elektro-galvaaniline kütuseelement
Üks elektro-galvaanilise kütuseelemendi kasutusala on hapniku kontsentratsiooni mõõtmine.