Sensor Multi-Gas MEMS Revolusioner: Deteksi Akurat 12 Gas Pembakar

Penginderaan gas adalah fungsi kritis, tetapi teknologinya tidak berubah selama dekades. Jadi, ketika saya mendengar tentang jenis sensor baru dari NevadaNano (Sparks, NV), saya memutuskan untuk mewawancarai Ben Rogers, Direktur Teknik mereka.

Spectrometer Properti Molekuler

Mereka menyebut sensor mereka, sebuah perangkat berbasis MEMS, Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Sensor Gas Pembakar MPS dapat mendeteksi dan mengidentifikasi konsentrasi 12 gas pembakar paling umum, termasuk hidrogen; Sensor Gas Metana MPS dirancang untuk memantau kebocoran metana untuk industri minyak dan gas; Sensor Gas Pendingin MPS mendeteksi pendingin ringan pembakar dengan potensi pemanasan global rendah — semuanya berdasarkan teknologi yang sama. Menurut Rogers, sensor mereka jauh lebih akurat dan andal dibandingkan Pellistor tradisional (sensor katalitik perla) dan Sensor Inframerah Tidak Dispersif (NDIR). Sebagian besar sensor tradisional memiliki lapisan yang merangsang reaksi kimia tertentu. Masalahnya adalah seiring waktu, situs penginderaan yang memungkinkan reaksi dapat rusak. MPS, sebaliknya, adalah permukaan silikon iners, yang tidak memerlukan reaksi kimia apa pun. Pemanasan, mengukur properti termodinamik udara, dan kemudian mendingin kembali, sehingga dapat bertahan selama 10 tahun atau lebih tanpa kalibrasi, menurut Rogers.

Mengidentifikasi Gas

MPS dibangun dalam paket berukuran sekitar satu inci, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Udara yang akan diuji masuk melalui layar jaring di atas dan mengenai micro hotplate yang tergantung dan terikat, yang memiliki diameter sama dengan rambut manusia — 100 mikron. Hotplate dapat dipanaskan hingga ratusan derajat Celsius. Sumber panasnya adalah pemanas Joule, di mana arus listrik dijalankan melalui elemen resistif seperti yang ditunjukkan pada inset Gambar 1. Arus masuk melalui salah satu tali, berputar di sekitarnya, dan keluar melalui jejak itu. “Kami dapat mengukur resistansi hotplate, yang memberi suhunya dan juga daya yang dibutuhkan untuk mencapai suhu tersebut,” kata Rogers. Hubungan antara suhu plat dan daya yang diperlukan untuk mencapai suhu tersebut adalah fungsi konduktivitas termal udara. Ketika udara mengandung gas, properti termalnya berubah. Misalnya, jika metana ada di udara dan hotplate dipanaskan, karena metana lebih konduktif termal dibandingkan udara, dibutuhkan lebih banyak daya untuk menjaga hotplate pada suhu yang tepat dibandingkan ketika metana tidak ada.

Kunci properti uniknya, MPS adalah perangkat MEMS, diproduksi secara serupa dengan sirkuit silikon: di pabrik creasi; dan karena merupakan perangkat MEMS, membutuhkan daya sangat sedikit untuk beroperasi. “Tidak pernah ada sensor pembakar sebelum ini yang dapat memberi tahu Anda kelas gas yang Anda deteksi. Saat kami melakukan deteksi, kami juga memberikan klasifikasi. Misalnya, sensor melaporkan konsentrasi yang ada dan bahwa itu adalah hidrogen, atau gas menengah seperti pentana, atau campuran hidrogen,” kata Rogers. “Sensor gas tradisional tidak pernah memiliki kemampuan untuk melakukan klasifikasi. Itulah yang membuat kami sangat akurat: karena kami dapat menyesuaikan kalibrasi kami untuk gas apa pun yang ada.”

Konsentrasi

Satuan konsentrasi yang penting adalah Batas Peletakan Explosif (LEL), yaitu konsentrasi terendah (dalam persentase volume) gas di udara yang mampu menghasilkan kilat api dalam kehadiran sumber penyala. Karena pengguna ingin mengetahui seberapa dekat mereka dengan 50% dari LEL, kemampuan untuk mengidentifikasi gas mana yang ada penting karena LEL untuk setiap gas berbeda.

Gambar 2 menunjukkan plot konsentrasi yang diberikan vs konsentrasi yang dilaporkan. Ini menggambarkan salah satu masalah besar dengan sensor di ruang lingkup ini. Sensor sempurna memberi tahu Anda persis apa yang dilaporkan — ia langsung naik ke tengah. Sensor yang melaporkan konsentrasi berlebihan akan memicu alarm terlalu awal, memberikan false positive yang mahal. Pelaporan kurang memberikan false negative, yang berbahaya. Idealmente, Anda ingin kurva berada tepat di tengah. Seperti yang dapat dilihat pada plot kanan, akurasi sensor MPS tepat pada titiknya untuk tujuh gas berbeda.

Apa yang membuat MPS begitu akurat adalah kalibrasi secara otomatis disesuaikan secara real-time oleh perangkat lunak sensor untuk gas apa pun yang ada.

MPS vs Sensor Gas Tradisional

Sensor NDIR biasanya dikalibrasi pada metana, jadi grafik yang diberikan vs yang dilaporkan untuk metana adalah satu ke satu (Gambar 3, kiri). Namun, untuk semua gas lainnya yang biasanya Anda jumpai dalam aplikasi ini, itu akan melaporkan berlebihan — ia akan membaca terlalu tinggi. Dan juga rentan terhadap false positive ketika kelembaban atau suhu berubah relatif cepat. Penting, itu tidak melihat hidrogen sama sekali, yang menjadi gas yang semakin penting di seluruh dunia untuk banyak aplikasi.

Perla katalitik (cat bead) adalah sensor lain di ruang lingkup ini (Gambar 3, kanan). Ketika Anda mengkalibrasinya pada metana, itu benar untuk metana, tetapi jika Anda menemukan gas lain yang tipikal dalam aplikasi ini, itu akan membaca rendah. Selain itu, seiring waktu, cat bead, yang bergantung pada reaksi katalitik, mudah terracuni. Jika seseorang hanya berada di ruang yang sama dengan sensor ini sambil menggunakan krim tangan, itu cukup untuk meracuninya sehingga tidak berfungsi lagi.

Atau jika Anda adalah pemadam kebakaran dan Anda menglilin truk hari itu, semua sensor di gedung Anda mungkin terracuni. Jadi, itu memerlukan perawatan yang sering dan mahal — Anda harus memeriksa secara berkala — beberapa tempat memeriksa setiap hari atau setiap bulan untuk mencegahnya terracuni.

“Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, sensor kami juga mengikuti trajetur tepat di tengah, dalam hal yang diberikan vs konsentrasi yang dilaporkan. Kami sangat akurat untuk semua gas ini, meskipun MPS hanya dikalibrasi di pabrik pada metana. Namun, karena cara kami menginterogasi udara, kami sebenarnya dapat menentukan gas mana yang ada, yang belum pernah ada sebelumnya,” kata Rogers.

Algoritma

“Kami baik dalam dua hal,” kata Rogers. “Salah satu adalah membangun sensor hotplate, yang membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk pengembangan. Dan dua, mempelajari cara berkomunikasi dengan hotplate itu.” Perangkat dasar cukup sederhana — hanya resistor yang dipanaskan dan pengukuran suhu. Bagaimana informasi tersebut digunakan adalah kunci fungsi sensor. Data yang datang dari hotplate bersama dengan data dari sensor lingkungan yang mengukur suhu, tekanan, dan kelembaban digunakan untuk mendapatkan bacaan. “Setiap dua detik kami mengambil data dari hotplate, kami mengambil data dari sensor lingkungan dan kami menjalankan sekelompok algoritma yang membutuhkan waktu 15 tahun untuk dikembangkan dan keluar: ‘ini gas ini, ini konsentrasi ini,’ dan itulah rahasianya,” kata Rogers.

Dengan mengambil data yang sama tetapi mengubah algoritma, NevadaNano telah mengembangkan puluhan produk yang berdasarkan pada perubahan perangkat lunak. Misalnya, ada jenis pendingin baru yang potensi pemanasan global rendah. Namun, banyak pendingin baru ini, yang digunakan dalam unit pendingin ruangan dan kulkas, dll., mudah terbakar. Oleh karena itu, semua pendingin ruangan rumah tangga akan memerlukan sensor kebakaran untuk mencegah kondisi yang tidak aman. Berdasarkan properti termodinamik molekul pendingin itu, NevadaNano mampu menghasilkan produk yang cocok untuk spesies gas tertentu atau banyak, hanya dengan melakukan perubahan perangkat lunak. Jadi, dalam waktu sekitar sebulan mereka memiliki produk Alpha baru dan mulai menariknya dan menunjukkan kepada orang-orang.

Kalibrasi

Saya bertanya kepada Rogers apakah mereka perlu mengkalibrasi setiap sensor untuk gas tertentu. Dia menjawab bahwa itu tergantung pada gas mana yang perlu dideteksi. Untuk gas pembakar standar, mereka menggunakan metana sebagai gas kalibrasi di pabrik. “Setelah kita menunjukkan metana pada sensor, kita tidak perlu mengkalibrasinya pada hidrogen, butana, propana — secara intuitif itu merasakan semua gas lainnya juga.” Jadi, misalnya, mereka tidak perlu menggunakan hidrogen di pabrik untuk mengkalibrasi sensor khusus hidrogen.

Aplikasi

Saya kemudian bertanya kepada Rogers tentang aplikasi tipikal. “Kami hanyalah sensor — kami adalah perangkat kecil berbentuk ember yang dihubungkan ke sistem detektor. Misalnya, jika Anda pergi ke raffineri hari ini dan melihat di sekitar dinding, Anda akan melihat banyak puluhan perangkat yang terlihat seperti meter listrik utilitas.” Mereka memiliki banyak sensor yang dihubungkan, mungkin termasuk sensor sulfida hidrogen, sensor oksigen, sensor karbon monoksida, dan sensor gas pembakar seperti MPS.

Pemadam kebakaran dan responden pertama lainnya yang berlari masuk ke gedung biasanya menggunakan apa yang disebut sensor empat gas — perangkat kecil berukuran ponsel yang duduk di bahu mereka dan memiliki empat sensor gas di dalamnya, termasuk MPS.

Ringkasan

Menurut Rogers, MPS adalah teknologi paling inovatif untuk deteksi gas selama lebih dari 30 tahun. Ini mengatasi kekurangan teknologi yang ada; stabil di seluruh rentang operasi yang luas, termasuk perubahan suhu dan kelembaban yang cepat; akurat untuk daftar gas pembakar umum (termasuk hidrogen). Selain itu, MPS dapat digunakan untuk lingkungan dengan banyak atau gas yang tidak diketahui dan secara intrinsik aman, kuat, dan imun terhadap racun.

Artikel ini ditulis oleh Ed Brown, Editor Sensor Technology. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .