Kako delujejo senzorji za detekcijo plina?

Z majhnimi napravicami, ki lahko detektirajo prisotnost in/ali koncentracije različnih plinov, imamo opravka praktično vsak dan. Tudi doma imaš verjetno (če nimaš, razmisli o nakupu) detektor ogljikovega dioksida, monoksida ali detektor saj, ki bi te opozoril v primeru požara.

V mestih so pogosti tudi senzorji za merjenje koncentracije ozona, v stavbah pa se pogosto meri koncentracija radona, ki je največji vir radioaktivnega sevanja za večino ljudi.

Si se kdaj vprašal, kako te napravice delujejo? Prepoznavanje različnih molekul in njihovo štetje bi bilo kar zapleteno, kajne? Poglej si, kako smo na iznajdljive načine premostili težavo: za različne pline so principi detekcije različni, so pa zanimivi in na srečo tudi učinkoviti.

Merjenje ogljikovega dioksida v prostorih

Načinov za merjenje koncentracije ogljikovega dioksida je več, glavni pa je spektrofotometrični. Različni plini namreč absorbirajo pri različnih valovnih dolžinah elektromagnetnega valovanja. Absorpcijo, torej zmanjšanje intenzitete vpadnega valovanja ob prehodu skozi snov, lahko izmerimo s spektrofotometrom in nato izračunamo pripadajočo koncentracijo določene snovi, v tem primeru ogljikovega dioksida. Primer takega senzorja najdeš na posnetku.

Za merjenje koncentracije ogljikovega dioksida se uporabljajo tudi elektrokemijski senzorji. Ti koncentracijo ogljikovega dioksida merijo preko merjenja pH.

Ne glede na način merjenja je pri vseh senzorjih pomembna pravilna namestitev. Za ogljikov dioksid to pomeni 40-70 centimetrov nad tlemi, saj je ogljikov dioksid gostejši od zraka in se posledično zadržuje nižje.

Kako merimo ogljikov monoksid?

Tudi ogljikov monoksid lahko merimo na več načinov. Pri elektrokemijskem načinu v senzorju, na delovni elektrodi, ob prisotnosti monoksida poteka reakcija z vodo, kjer poleg ogljikovega dioksida in protonov nastajajo elektroni: 2CO + 2 H₂O -> 2CO₂ + 4H⁺ + 4e^–. Na protielektrodi poteka reakcija, kjer se elektroni in protoni porabljajo in skupaj s kisikom tvorijo vodo: O₂ + 4H⁺ +4e^– -> 2H₂O. Protielektroda, referenčna elektroda in delovna elektroda merijo napetost, ki se pri poteku reakcij ustvari. Za lažje razumevanje lahko pomaga spodnji posnetek.

Zanimivi so tudi biomimetični senzorji, pri katerih se ogljikov monoksid veže na poseben gel s ciklodekstrini in nekaterimi solmi. Po absorpciji se spremeni barva, kar lahko zaznamo, najpogosteje kar spektrofotometrično. Za zaznavanje potrebujemo izvor infrardečega valovanja, ki pošlje vpadno valovanje, in fotodiodo na drugi strani, ki izmeri intenziteto valovanja po prehodu skozi snov. Prednosti tega senzorja sta, da porabi le malo energije in je reverzibilen (ko se ob prisotnosti ogljikovega monoksida enkrat obarva, se lahko tudi razbarva in ponovno uporabi).

Določanje koncentracije kisika

Koncentracijo kisika se določa z merjenjem napetosti galvanskega člena, s tako imenovano λ sondo. λ namreč označuje kvocient med razmerjem zraka in goriva, ki ga izmeri senzor, ter stehiometričnim razmerjem med zrakom in gorivom. λ sonda se med drugim uporablja v avtomobilih za merjenje sestave izpušnih plinov. V njem je med poroznima platinskima elektrodama trden elektrolit ZrO₂ segret na 300 do 400°C. Njegovo delovanje v avtomobilu prikazuje posnetek.

Senzor za kisik se v prostorih namešča v višini glave – tam je prenizka koncentracija kisika namreč najbolj usodna.

Detekcija dima

Prvi način za detekcijo dima je ionizacijski. Pri tem sta v ionizacijski komori nameščeni nasprotno nabiti (ena pozitivno, druga negativno) kovinski plošči. Med njima je zrak, v katerem bi lahko bil tudi dim. Pod negativno ploščo je radioaktivni izvor alfa delcev, ki poskrbi za ionizacijo zraka med ploščama. Ko v komoro vstopi dim, zmoti tok ionov in s tem zmanjša električni tok ter sproži alarm. To je precej preprost opis, v ozadju pa se skriva tudi precej znanja o delovanju različnih elektronskih elementov. Več o tem izveš v posnetku.

Drug način je fotoelektrični. Pri tem lahko merimo sipano svetlobo (svetloba se na majhnih delcih dima namreč siplje) ali pa žarek neposredno, ki zaradi dima oslabi. Znotraj senzorja imamo tako v optični komori infrardeče LED diode in fotodiode, ki služijo kot pretvornik svetlobe v električni tok.

Tjaša Sušnik

Novinar