2.2 Cảm biến đo nồng độ khí
2.2.2 Cảm biến hạt xúc tác
Cảm biến xúc tác đại diện cho một số lượng lớn các thiết bị phát hiện khí được sản xuất ngày nay. Cảm biến xúc tác cũng được gọi là cảm biến hạt xúc tác, là công nghệ phổ biến nhất được sử dụng để phát hiện và đo khí và hơi dễ cháy, chẳng hạn như mêtan, từ 0-100% LEL (Lower Explosive Limit: giới hạn nổ dưới). Cùng một loại cảm biến đó có thể được cấu hình để phát hiện khí mêtan trên với nồng độ từ 0–5% thể tích. Công nghệ cảm biến hạt xúc tác cũng được sử dụng để phát hiện các loại khí dễ cháy như Hydrocacbon và là công nghệ này cũng đã được chứng minh là có thể đo lường nồng độ của Hydro.
Đây là dòng cảm biến đáng tin cậy được sử dụng trong cả hệ thống phát hiện khí di động và cố định để đo lường khí dễ cháy.
Cảm biến khí kiểu xúc tác bao gồm hai phần tử: một phần tử detector (D) có chứa chất xúc tác và nhạy cảm với các khí dễ cháy, và một phần tử bù (C) là trơ. Khí dễ cháy sẽ chỉ cháy trên nguyên tố detector, gây ra sự gia tăng nhiệt độ và kết quả là làm thay đổi điện trở của cảm biến. Khí dễ cháy sẽ không cháy trên phần tử bù - nhiệt độ và điện trở của nó vẫn không thay đổi (Hình 2-6).
Hình 2-6: Nguyên lý của cảm biến hạt xúc tác
Một mạch cầu Wheatstone được hình thành với cả hai phần tử C và D, một biến trở (VR) được sử dụng để điều chỉnh để duy trì trạng thái cân bằng của mạch cầu trong không khí sạch. Khi có khí dễ cháy, chỉ có điện trở của phần tử detector sẽ tăng lên, gây ra sự mất cân bằng trong mạch cầu, do đó tạo ra tín hiệu điện áp đầu ra (Vout). Giá trị điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nồng độ của khí dễ cháy. Nồng độ khí có thể được xác định bằng cách đo điện áp đầu ra.
Hình 2-7: Mạch cầu Wheatstone với hai phần tử C và D phần tử C và D
Hình 2-8: Mối liên hệ giữa nồng độ khí và điện áp đầu ra điện áp đầu ra
Ưu điểm: Cảm biến hạt xúc tác nói chung là cực kỳ đáng tin cậy. Chúng ít nhạy cảm với các hiệu ứng nhiệt độ và độ ẩm, với độ lặp lại và độ ổn định cao. Tuổi thọ loại cảm biến này là từ 3 đến 5 năm.
Nhược điểm: Đối với các ứng dụng giám sát khí dễ cháy trong môi trường có nồng độ oxy dưới 10% thể tích hoặc có mức độ ô nhiễm cao cảm biến hạt xúc tác sẽ bị ngộ độc, trong điều kiện này loại cảm biến nên được khuyến cáo sử dụng là cảm biến hồng ngoại. Tuy nhiên, việc bị ngộ độc hay ức chế đối với cảm biến chỉ xảy ra với một số khí nhất định, các chất này có thể làm giảm độ nhạy của nó hoặc làm hỏng khả năng phục hồi của lớp xúc tác bên ngoài. Một số chất gây ngộ độc và gây ức chế phổ biến đối với dòng cảm biến này là chì, silic, photpho và lưu huỳnh. Ngoài ra, các cảm biến xúc tác có mức tiêu thụ năng lượng cao, gây ra hạn chế khi tích hợp vào các máy dò cầm tay.