STATO
DELL’ARTE DEI SENSORI
Di seguito
vengono descritti i più diffusi tipi di sensori utilizzati per la rivelazione
di gas. Un’opportuna elettronica di controllo permette la realizzazione di rivelatori
di gas.
Occorre
notare che generalmente non è possibile determinare la concentrazione di
singoli gas combustibili componenti una miscela con i tipi di sensori qui
descritti e utilizzati in campo domestico, terziario e industriale.
In generale questi sensori rispondono con maggiore o minore sensibilità a più
d'uno dei componenti della miscela e vengono influenzati dalla composizione e
dalle condizioni fisico-chimiche della miscela stessa.
Sensori a combustione catalitica
Il principio di funzionamento di un sensore a combustione catalitica si basa sull'ossidazione del gas combustibile a contatto con una superficie ricoperta da un composto catalizzatore e riscaldata elettricamente.
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L’ossidazione provoca un aumento di temperatura dell'elemento sensibile (pellistore), in genere costituito da un resistore o dallo stesso elemento riscaldante, in funzione della concentrazione del gas rilevato. La conseguente variazione di resistenza dell'elemento sensibile può essere determinata e l'elettronica di controllo tarata per fornire misure di concentrazione o allarmi. |
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(by E2V) |
Un secondo elemento sensibile, posto in genere in serie al primo in un contenitore separato, non riscaldato e privo di catalizzatore, è inserito in un ponte di Wheatstone per compensare la misura in funzione delle variazioni della temperatura dell'ambiente. Altri parametri ambientali
come l’umidità e la pressione influenzano ambedue i pellistori, e quindi gli
squilibri sul ponte risultano limitati ma comunque non trascurabili. |
Per il corretto funzionamento del
sensore catalitico è necessario che l'ossigeno sia presente nella miscela in
concentrazione non inferiore al 5% – 10% volume, altrimenti non è assicurata la
reazione di ossidazione che determina il meccanismo di rivelazione.
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by E2V - sensore EEx d |
Tale limitazione rende il
sensore adatto a rivelare miscele con concentrazione del gas combustibile al
di sotto del LIE (Livello Inferiore di Esplosività). Se il pellistore viene
esposto a concentrazioni di gas superiori al LIE per qualche minuto può
danneggiarsi perdendo sensibilità. Il sensore è per sua natura
esposto al fenomeno dell'avvelenamento del catalizzatore da composti a base
di silicone, piombo, zolfo e fosforo. Tale fenomeno, che riduce fortemente la sensibilità del sensore, può essere e attenuato con l'applicazione di filtri a carbone attivo. |
Sensori a semiconduttore
Il funzionamento di un sensore a
semiconduttore è determinato dalla variazione di conducibilità di un elemento
semiconduttore (SnO2), provocata dall'assorbimento chimico dei gas a contatto
con la superficie porosa del semiconduttore riscaldata elettricamente a una
prestabilita temperatura.
Elemento sensibile riscaldato a circa
La temperatura dell'elemento
sensibile (a seconda del tipo di gas da rivelare compresa tra 100 e
In aria pura le molecole
d'ossigeno dell'aria a contatto con la superficie di SnO2 vengono fissate al
reticolo come ioni negativi,(02) intrappolando cariche maggioritarie (2e-),
elettroni, responsabili della conducibilità del semiconduttore. Poiché la
densità degli elettroni liberi decresce, la resistenza del semiconduttore
cresce fino a raggiungere un valore d'equilibrio dipendente dalla temperatura e
dagli elementi utilizzati nel drogaggio del SnO2.
In aria contenente gas
combustibile l'ossigeno intrappolato dal semiconduttore, abbandona il reticolo
per combinarsi come 02 neutro, in reazione di ossidazione, con il gas presente
nell'aria e così facendo rilascia liberi nel semiconduttore gli elettroni che
prima aveva legato nello stato di ione. Ne deriva un incremento di cariche
libere nel semiconduttore e conseguentemente una diminuzione di resistenza. Al
ritorno delle condizioni di aria pura il semiconduttore risulta completamente
ripristinato, raggiungendo di nuovo la condizione d'equilibrio dinamico tra
cariche libere e ioni ossigeno assorbiti come ossigeno neutro dall'aria.
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by Figaro |
Per sua natura il sensore a semiconduttore
presenta una notevole sensibilità anche a gas non combustibili come il vapore
acqueo e di ciò va tenuto il debito conto con opportune compensazioni della
misura. Il grado di sensibilità a gas
diversi è ottenuto sia prestabilendo la temperatura del sensore in campo, sia
in fase di produzione, legando al reticolo del semiconduttore puro specifici
elementi droganti. Questa tecnica
flessibile e di ampie possibilità ha consentito un notevole sviluppo di
materiali diversi con crescente aumento della selettività dei sensori a
semiconduttore. |
Secondo analisi di deriva a lungo
termine pubblicate da alcuni costruttori e ricercatori il sensore raggiunge il
fine-vita con un progressivo aumento della sensibilità.
Questa è una caratteristica a
sicurezza intrinseca molto importante per l'utilizzo del sensore in un
apparecchio impiegato nel settore domestico dove le tarature periodiche non
possono essere effettuate.
La temperatura gioca un ruolo determinante sia sulla selettività sia sulla conducibilità (e quindi sensibilità) del semiconduttore, perciò i sensori a semiconduttore sono fortemente influenzati dalle variazioni di temperatura e di ciò va tenuto il dovuto conto con opportune compensazioni
Alcuni sensori moderni hanno una
propria sensibilità ottima per determinati gas a temperature del semiconduttore
vicine a quelle ambientali (100 'C): in tali casi il costruttore impone un
funzionamento ciclico con periodi di campionamento del gas da rivelare alla
temperatura di massima sensibilità seguiti da periodi di "lavaggio"
ad alta temperatura in modo da liberare la superficie assorbente da gas e
vapori che possono nidíficarvisi a temperature d'ambiente, disturbando la
funzione di rilevamento.
Sensori elettrochimici
Il funzionamento di un sensore elettrochimico è determinato dalla
variazione dei parametri elettrici di due elettrodi immersi in una soluzione
elettrolita.
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by City
Technology |
Tale variazione è causata dalle
reazioni di ossídoriduzione del gas a contatto con la superficie degli elettrodi.
Gli elettrodi e l'elettrolita sono posti in membrane semimpermeabili. Per
ottenere elevate precisioni e risoluzioni i sensori elettrochimici sono in
genere dotati di tre elettrodi (Reference, Sensing, Counter). Questo tipo di sensore è molto
diffuso per rivelare i gas tossici. Si possono misurare concentrazioni di
idrogeno ed ossido di carbonio in concentrazioni inferiori al LIE e
dell’ossigeno fino al 100% del volume. |
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by Figaro sensors |
I sensori elettrochimici hanno un
consumo di energia molto basso ma reagiscono con il gas da rilevare e la
conseguente trasformazione/consumo di materiale degli elettrodi si traduce in
una variazione di sensibilità che richiede frequenti interventi di
ritaratura. Il tempo di risposta può essere
lungo per concentrazioni basse, data la lentezza della reazione chimica. Temperature inferiori a -15 'C
inibiscono l'azione dell'elettrolita. La bassa temperatura e
l’umidità possono ridurre la sensibilità del sensore. |
Allo stato attuale non sono stati
impiegati come rivelatori di gas per l'ambiente domestico, ma solo per quello
industriale. Il progressivo consumo del materiale sensibile, infatti, ne
impedisce l'impiego laddove non sono possibili ritarature in loco o
ricondizionamenti del rivelatore.
La vita media di un sensore elettrochimico è di circa due
anni.
Sensori a conducibilità termica
Il loro principio di funzionamento è basato sulla trasmissione di
calore tra un elemento sensibile riscaldato elettricamente ed il gas da
rivelare, che deve avere un flusso di velocità costante oppure essere
convenientemente fatto entrare in una camera di diffusione che renda la
trasmissione di calore indipendente dalla velocità del flusso di gas. La
risultante variazione di resistenza dell'elemento sensibile, conseguente alla
variazione di temperatura, consente misure concentrazioni di gas fino al 100%
volume, senza necessità di presenza di ossigeno poiché tale gas non partecipa
al meccanismo di rilevamento.
Il sensore è adatto a misurare
concentrazioni di gas anche non combustibile con conduttività di calore diversa
o molto diversa da quella dell'aria e non può essere impiegato per rilevare
singoli gas presenti in una miscela.
Non è impiegato per rivelare concentrazioni
inferiori al LIE eccetto che per alcuni gas come l'idrogeno per il quale mostra
una particolare sensibilità.
Un apparato di misura deve
assicurare velocità e temperatura del flusso di gas costanti e assenza di
vapori contaminanti (anche il vapor acqueo) che potrebbero influenzarne
negativamente la sensibilità.
Il sensore è in grado di rivelare
alte concentrazioni di gas con misure non dipendenti dalla concentrazione di
ossigeno nel flusso di gas.
Non può essere utilizzato nei
rivelatori di tipo domestico, che richiedono soglie di intervento inferiori al
LIE e condizioni di aerazione dell'ambiente di grande variabilità.
Sensori a
raggi infrarossi
Diversi gas infiammabili e tossici hanno delle
bande di assorbimento della luce alla frequenza dell’infrarosso. Sfruttando
tale caratteristica si sono realizzati sensori che consentono misure con minor
dipendenza ambientale (temperatura e umidità) rispetto ai sensori catalitici.
Inoltre si ottiene un’ottima selettività e la non “avvelenabilità” del sensore.
Il principio di funzionamento
di un sensore a raggi infrarossi è basato sull'assorbimento di energia nello
spettro infrarosso da parte del gas analizzato e sulla conseguente variazione
di energia assorbita da un ricevitore di raggi infrarossi scelto per una
specifica banda di lunghezze d'onda.
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By City
Tech |
A tale banda corrisponde un ben specifico gas cui il
sensore risulta maggiormente sensibile. Dunque il sensore a raggi infrarossi
è per sua natura selettivo. Il rivelatore può assumere varie forme e può essere
classificato come: - rivelatore puntuale quando il sensore (emettitore +
ricevitore) è posto in una camera di campionamento per diffusione; - rivelatore per spazio aperto quando il ricevitore di
infrarossi è posto all'aperto "in vista" dell'emettitore, ad un
certa distanza da esso. |
Il rivelatore per spazio aperto è intrinsecamente inadatto a
distinguere tra alte concentrazioni su piccole distanze e basse concentrazioni
su grandi distanze e come tale viene utilizzato solo per rilevare la
"presenza" di un determinato gas in una certa area, quando è
richiesta ampia copertura, senza necessità di misurarne la concentrazione. '
Per tale caratteristica, se viene impiegato in sistemi di sicurezza, va
integrato con altri rivelatori.
Presenza di vapor acqueo e variazioni della temperatura
influiscono fortemente sulle misure e di ciò va tenuto conto con oppor-tune
compensazioni o condizionamenti del campione di gas.
I sensori a infrarossi possono rivelare concentrazioni fino
al 100% volume senza saturazione della misura. Non soffrono di forme di
avvelenamento, sono molto stabili per lunghi periodi, hanno risposta immediata
e si possono facilmente provare in campo per mezzo di filtri ottici.
Possono essere dotati di autodiagnostica ed
autoricalibrazione in funzione della pulizia dei mezzi ottici.
Non possono rivelare l'idrogeno.
Per misure di CO2 il sensore all’infrarosso è una scelta obbligata.
Sensori
a ionizzazione di fiamma
Il principio di
funzionamento dei sensori a ionizzazione di fiamma si basa sulla capacità di
una fiamma di idrogeno di ionizzare gli idrocarburi. Il gas da analizzare viene
fatto entrare in una camera in cui è mantenuta una fiamma di idrogeno
opportunamente separata dall'ambiente. La nube ionica dei prodotti della
combustione viene trasformata in corrente tra due elettrodi mantenuta ad una
prestabilita differenza di potenziale: l'intensítà di corrente risulta
proporzionale alla, concentrazione di gas/vapore organico presente nella
camera.
Il rivelatore è estremamente sensibile, adatto a rivelare
con buona rípetitività concentrazioni di gas organici da pochi ppm fino al LIE.
E’ resistente all'avvelenamento ed ha risposta rapida.
E intrinsecamente non selettivo e non può rivelare gas
inorganici come CO e H2-
Deve sempre essere dotato di un separatore di fiamma che
tende facilmente a sporcarsi ed a far variare le condizioni del gas nella
camera di analisi.
Considerazioni finali
Da quanto esposto risulta che nessuno dei sensori è
selettivo in senso proprio, cioè in grado di rivelare con precisione la
concentrazione di un determinato gas in una miscela non a priori nota. Solo
il sensore a raggi infrarossi ha forte sensibilità per ristretti gruppi di
gas e quindi un certo grado di selettività.
La tecnologia dei sensori a semiconduttore consente
di regolare il drogaggio del materiale sensibile per conferire minore grado di
interferenza a gas che possono disturbare la misura come vapori di alcool,
acido cloridrico e ammoniaca. Il sensore è compatto, non richiede manutenzioni
per lunghi periodi di tempo (5 anni), ha caratteristica di fine-vita sicuro ed
ha costo accessibile. Tuttavia le caratteristiche non lineari di tali sensori e
la forte influenza dei parametri ambientali (pressione, temperatura, umidità)
li rende, in generale, idonei all’utilizzo domestico.
Si noti che aumentare la copertura di un sistema di rivelazione
gas con più sensori installati in ambiente è molto importante, poiché il gas
diffonde nell'ambiente in modo non uniforme, formando nubi stratificate,
cilindriche o sferiche di differenti concentrazioni (sopra e sotto il LIE) che
richiedono l'impiego di più sensori dislocati nell’area da proteggere.