Zařízení pro detekci hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší Účel Ochrana před nebezpečím výbuchu Ochrana člověka před negativním působením Použití Občasná kontrola ovzduší odběr vzorků pro laboratoř přenosné resp. kapesní přístroje Kontrola ovzduší v případě havarijní situace Odběr vzorků pro laboratoř Přenosné resp. kapesní přístroje Dlouhodobé monitorování prostředí Stacionární systémy (pro trvalé použití) Přenosné přístroje (pro dočasné použití)

Detekce hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší Předem musíme znát možný okruh látek, které stanovujeme Podle použité metody pozor na vzájemné ovlivňování stanovení různými látkami Při nízkých koncentracích nutno volit specielní postupy Pozor na časový faktor a ochranu toho, kdo stanovení provádí

Zařízení pro detekci hořlavých (toxických) plynů a par v ovzduší Metody laboratorní Velmi přesné, časově náročné, zpracování v laboratoři, kvalifikovaný personál, drahé Metody detekční Rychlé stanovení, jednoduchá obsluha, málo přesné, levné Analyzátory Rychlé stanovení, přesné, jednoduchá obsluha, cenově dostupné, obvykle omezená životnost senzoru

Senzory plynů a kapalin Senzory na fyzikálním principu Rezonanční piezoelektrické Tepelně vodivostní Paramagnetické Konduktivity Senzory na fyzikálně-chemickém principu Polovodičové s pevnou fází CHEMFET Termokatalytické Elektrochemické Optické a optoelektronické senzory Infračervené Senzory pro chromatografickou analýzu Plamenový ionizační Fotoionizační

Chemické senzory Senzory pro vyhodnocování fyzikálně-chemické látkové veličiny plynů a kapalin Výstupem senzoru je elektrický signál obsahující informaci o chemickém složení analyzované látky Chemický senzor + elektronické obvody = analyzátor (monitor, …)

Principy chemických senzorů Fyzikální princip Vzájemné působení molekul měřené látky a senzoru je čistě kinetické (nedochází k chemickým změnám analyzované látky) Využívá celou řadu fyzikálních veličin (hustotu, tepelnou vodivost, konduktivitu, magnetickou susceptibilitu, adiabatický exponent, index lomu, absorpce elektromagnetického záření, rychlost zvuku, …) Velmi rozšířené senzory + malá časová konstanta - špatná selektivita, vliv okolního prostředí (teplota, tlak, …)

Principy chemických senzorů Fyzikálně-chemický princip Dochází ke vzájemnému působení látky a povrchu čidla senzoru (interakce a výměny elektronů v molekulách obou materiálů) vedoucí k chemické proměně molekul V průběhu uvedené chemické reakce se měří určitá fyzikální veličina Vhodnou chemickou reakcí lze ovlivňovat selektivitu senzoru +/- + vyhovující selektivita - delší dopravní zpoždění a časová konstanta

Principy chemických senzorů Optický a optoelektronický princip Založen na vzájemném působení elektromagnetického vlnění a molekul měřené látky Využívá se ultrafialového (UV), viditelného, infračerveného (IR) nebo mikrovlnného spektra Dociluje se výborné selektivity (absorpční spektra jsou pro určité složky (zejména u plynů) jednoznačná

Fyzikální princip Rezonanční piezoelektrické senzory Piezoelektrický element zapojený v oscilátoru s adsorpční vrstvou na povrchu (-f=2,3.106f2.m/S) Využití zpožďovacího vedení PAV (povrchová akustická vlna, rychlost řádu 103 m.s-1)

Fyzikální princip Tepelně vodivostní senzory Tepelná vodivost plynů je Přímo úměrná odmocnině absolutní teploty Nepřímo úměrná odmocnině molární hmotnosti Nezávislá na tlaku (až do oblasti technického vakua)

Mikroelektronické provedení na bázi Si technologie

Fyzikální princip Paramagnetické senzory kyslíku Kyslík je výrazně paramagnetický ( > 0) Analyzátory kyslíku využívají Princip magnetomechanický Princip termomagnetický (ztráta paramagnetických vlastností O2 při ohřátí nad Courieovu teplotu) S F p  < p J

Fyzikální princip Senzory konduktivity Konduktormetrie je založena na měření elektrické vodivosti roztoků Přes neselektivitu je nejrozšířenější metodou pro analýzu kapalin Elektrodové Indukční Kapacitní

Fyzikální princip Senzory konduktivity Bezdotykový indukční senzor I3 = -UG/(n1.n3) . G (G … elektrická vodivost elektrolytu)

Fyzikální princip Senzory konduktivity

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází (pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů) CHEMFET senzory (princip MOS-FET) Termokatalytické senzory Elektrochemické senzory Potenciometrie Amperometrie

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází Polovodičové senzory s pevnou fází (pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů) Senzory s povrchovou (adsorpční) detekcí – výměna elektronů Redukční plyny – donátory elektronů (zvětšení konduktivity) Oxidační plyny - akceptory elektronů (pokles konduktivity) Provozní teplota 200 ÷ 450 °C Senzory s objemovou (absorpční) detekcí (z TiO2, BaTiO3, SrTiO3, … Při vysoké teplotě (~900°C) se mění stechiometrická struktura a tím počet chyb v krystalových mřížkách v závislosti na parciálním tlaku plynu. Vzniklý deficit kyslíku v krystalových mřížkách mění vodivost senzoru.

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází Senzory s povrchovou (adsorpční) detekcí

Fyzikálně-chemický princip Polovodičové senzory s pevnou fází

Fyzikálně-chemický princip Termokatalytické senzory Založeny na měření reakčního tepla při katalytickém spalování Katalyzátor na bázi Pt (např. Pellistor)

Fyzikálně-chemický princip Termokatalytické senzory

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory Elektrochemické reakce na určité elektrodě v daném elektrolytu (tři fázová rozhraní mezi analyzovanou kapalynou (plynem), kovovou elektrodou a elektrolytem v kapalné nebo tuhé fázi Potenciometrie

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory Amperometrie – založena na měření proudu procházejícího mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku; do obvodu obvykle zařazen zdroj stejnosměrného napětí. Jedna elektroda je polarizovatelná (pracovní), druhá nepolarizovatelná (vztažná).

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory Amperometrie Clark - senzor

Fyzikálně-chemický princip Elektrochemické senzory

Optické a optoelektronické chemické senzory Vzájemná interakce elektromagnetického vlnění a analyzované látky záleží na zvolené vlnové délce UV spektrum (200nm – 350nm) – při absorpci záření elektronové energetické přechody; změny energie – energie elektronového spektra EE Viditelné spektrum (350nm – 760nm) - při absorpci záření elektronové energetické přechody; změny energie – energie elektronového spektra EE Blízké IR spektrum (760nm – 2,5m) – intermolekulární kmitání mezi atomy (energie spektra EK) až rotační kmity molekul (energie rotačního spektra ER) IR spektrum (2,5m - 15m) – rotace lehkých molekul a kmitání těžkých molekul

Optické a optoelektronické chemické senzory Při absorpci záření o určité energii E (kvantované) přechází molekulární (resp. atomový) systém ze základního stavu do stavu excitovaného. Pro energetické změny platí h … planckova konstanta c … rychlost světla  … vlnová délka záření E … kvantum absorpce záření

Optické a optoelektronické senzory Spektrální fotometrie Základem spektrální fotometrie je Lambert-Beerův zákon Z-zdroj záření M-měřicí kyveta C-rotační clona F-optický filtr D-detektor SD-synchronní detektor DF-dolnofrekvenční propust

Optické a optoelektronické senzory Infračervené (IR) analyzátory plynu Bezdisperzní analyzátory (pracují v širokém spektrálním pásmu) Disperzní analyzátory (pracují v úzkém spektrálním pásmu) Klasický bezdisperzní analyzátor 1-IR zdroj 2-rotační clona 3-srovnávací kyveta 4-měřicí kyveta 5-srovnávací plyn 6-kondenzátorový mikrofon

Optické a optoelektronické senzory Infračervené (IR) analyzátory plynu Disperzní analyzátor plynu (princip s plynovými filtry) 1-IR zdroj 2-interferenční filtr 3-měřicí kyveta 4-kotouč s filtry 5-filtrační komora s N2 6-filtrační komora s měřeným plynem 7-detektor

Plynový chromatograf

Plynová chromatografie Plamenový ionizační senzor (FID)