Gaz Algılama Teknolojileri 2 – Kızılötesi Gaz Sensörü

Kızılötesi Gaz Sensörlerinin Optik Çalışma Prensibi

 

1- Yanıcı Gaz Algılama Sensör Çeşitleri Nelerdir? Katalitik Sensör nedir?

Yanıcı/patlayıcı gaz ölçüm sistemlerinde çeşitli sensör teknolojileri kullanılmaktadır. Katalitik ve kızılötesi bunlardan en yaygın olanlarıdır. Katalitik tabanlı gaz ölçüm sistemleri, kullanılan en eski ve en basit yapıya sahip sistemlerdir. Katalitik sensörler hidrokarbon grubu yanıcı/patlayıcı gazları (metan, bütan, propan vb.) yakarak gaz tespiti yapar, miktara bağlı elektriksel bir çıktı üretir. Yanıcı gaz varlığında, sesnsöre ulaşan gazın yakılarak oluşan sıcaklığı elektriğe dönüştüren sensör parçası ’Pellistör’ olarak adlandırılır. Ortamdaki gaz miktarına bağlı olarak değişen sıcaklık, bir karşılaştırma devresi ile ölçülerek algılama yapılır. Pellistörlerin gaza uzun süre veya yüksek oranda maruz kalması ile ömürleri kısalır veya bozulur. Zehirlenme olarak adlandırılan bu durum sürekli ve düzenli kalibrasyon zorunluluğunu da beraberinde getirir.[1]

2- Kızılötesi Sensör Nedir? Avantajları Nelerdir?

Kızılötesi (IR) gaz ölçüm sistemleri ise diğer yöntemlere göre oldukça yeni ve modern olmakla birlikte endüstride kullanımı yaygınlaşmaktadır. Katalitik gaz ölçüm sistemi bir ortamdaki tüm yanıcı/patlayıcı (metan, bütan, propan vb.) gazı algılarken, kızılötesi gaz ölçüm sisteminde tek bir gaza (sadece metan gibi) yönelik bir gaz tespiti yapar. Ayrıca, katalitik gaz ölçüm sistemleri yanıcı/patlayıcı gazla direkt olarak bir tepkimeye girerken; kızılötesi gaz ölçüm sistemlerinde bu durum söz konusu değildir. Bundan dolayı kızılötesi gaz ölçüm sistemin çalışma ömrü diğer yöntemlere göre daha uzundur.

3- Kızılötesi Sensör Nasıl Çalışır? Kızılötesi Sensör Çalışma Prensibi

Kızılötesi gaz ölçüm sistemlerinde kızılötesi algılayıcılar kullanılmaktadır. Kızılötesi algılayıcılardan olan termopiller (ısılpil), kızılötesi ısı ve ışımalara karsı çok küçük elektrik enerjisi üretir. Tipik olarak bu sistem, bir kızılötesi ışık kaynağı ve bir kızılötesi ışık algılayıcıdan oluşur. Kızılötesi (IR) algılama yöntemi, kızılötesi ısı/ışımanın belirli dalga boylarında emilimine dayanır. Genellikle iki kanallı termopiller kullanırken, tekli ve çok kanallı termopiller de bulunmaktadır. Birinci kanalı (algılayıcı kanalı) soğurma dalga boyunda, ikinci kanal (referans kanalı) soğurma dalga boyunun dışında ve diğer gazların minimum soğurma noktası seçilir. (Şekil 1).

kızılötesi sensör alt parçaları temsili çizimi
Şekil 1: Kızılötesi algılayıcı şematik modeli

3.1- Kızılötesi Sensör ile Metan Gazı Nasıl Tespit Edilir?

Bir hidrokarbon grubu gaz olan metan gazının kızılötesi radyasyon geçirgenliği aşağıda Şekil 2’de gösterilmektedir. Metan gazı kızılötesi ışımaya maruz kaldığında moleküler bağlarından kaynaklı bir emilim gerçekleştirir; 3.3-3.4 µm’de kızılötesi ışığın yalnızca %20’sini geçirdiği görülmektedir. Bundan dolayı, kaynak ile algılayıcı arasında metan (yanıcı/patlayıcı) gaz bulunursa algılayıcıya iletilen ışıma seviyesi düşer ve algılayıcı kanalında daha az ışık soğurması olur ve miktara bağlı olarak daha az elektriksel çıktı üretir. Referans kanalında soğurulma dalga boyu dışında bir optik filtre seçildiğinden dolayı soğurulma ve elektriksek çıktısı yanıcı/patlayıcı gazın varlığından etkilenmez. Gaz konsantrasyonu, iki kanalın elektriksel çıktı arasındaki bağıl değerler karşılaştırılarak belirlenir.

metan gazının infrared ışın geçirgenlik spektrumu
Şekil 2: Metan gazının IR spektrumdaki, geçirgenlik – dalga boyu analizi [2]
3.2- Kızılötesi Sensör ile Karbondioksit Gazı Nasıl Tespit Edilir?

Karbondioksit gazı için kızılötesi spektrumdaki geçirgenlik noktası 4,26 µm olarak belirlenmiştir. Şekil 3’de örnek bir ölçüm prensip grafiği bulunmaktadır. Ortamdaki karbondioksit gaz konsantrasyonuna göre 4,26 µm’de gazın moleküler bağları kızılötesi ışımayı sönümler ve algılayıcıya ulaşan ışıma miktarı düşer. Referans dalga boyu olan 3,91 µm’de soğurma söz konusu olmaz. Yapılan kalibrasyon sonrası aradaki farka bağlı olarak ortamdaki konsantrasyon miktarı ölçülmüş olur.

Şekil 3: Karbondioksit için kızılötesi ölçüm analizi

 

Yazar: Şeymanur Topuk, Karf&Scoot
İzinsiz kopyalanması ve kaynak gösterilmeden alıntılanması yasaktır.

 

Kaynaklar
[1] Tanju ATAYLAR, “Zehirli ve Patlayıcı Gaz Kaçak Algılama Sistemlerin Tasarım ve Uygulama Esasaları”, TMMOB Elektrik Tesisat Ulusal Kongresi (2011), s:9
[2] William E. Wallace, ’Infrared Spectra’in NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, Eds. P.J. Linstrom and W.G. Mallard, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899, https://doi.org/10.18434/T4D303

Bu Yazıyı Paylaş

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp
Share on telegram

İlgili Ürünler

İlgili Yazılar

Gaz Algılama Teknolojileri 1 – Giriş

Gazların Algılanması 1. Neden gaz dedektörlerine ihtiyacımız var? Yanıcı, zehirli, boğucu nitelikte çeşitli gazların kullanıldığı veya açığa çıktığı endüstriyel tesislerde,

Şehirde Bacalardan Çıkan Gazlar

Gazlar ve Oluşturdukları Tehlikeler

Gazlar ve Oluşturdukları Tehlikeler 1- Gaz nedir? Maddenin dört temel halinden biri olan gazlar, basit tanımıyla kaynama noktası 20°C sıcaklığından