Introducere

Utilizarea pe scara din ce in ce mai larga a gazelor petroliere lichefiate (LPG, butan si propan in principal) atat in consumul casnic cat si la mijloacele de transport si in industrie, impune gasirea unor metode sigure si simple de detectie pentru protejarea celor ce le folosesc. Lucrarea isi propune sa analizeze comportarea unui senzor catalitic capabil sa detecteze concentratiile periculoase de C₄H₁₀.

Temperatura la care oxigenul din aer reactioneaza cu gazele inflamabile este destul de ridicata. Aceasta temperatura scade in prezenta anumitor substante numite catalizatori (de cele mai multe ori metale din grupa platinei). Catalizatorii din oxizi ai metalelor de tranzitie au avantajul ca micsoreaza pretul senzorului si sunt mai rezistenti la "otravire" (pierderea proprietatilor catalitice in urma contactului cu anumite substante chimice) decat cei din metale platinice.

Experiment

Am utilizat la realizarea senzorului prezentat aici un catalizator pe baza de oxid de cobalt, Co₃O₄, foarte activ pentru oxidarea monoxidului de carbon [1]. Senzorul construit de noi contine:

• Filamentul – 20 de spire f 0,5 mm din fir de inox 5NC180 (AISI302) cu diametru 0,07 mm. Acesta aduce senzorul la temperatura optima de functionare, adica acolo unde are loc reactia gaz inflamabil-oxigen si sesizeaza modificarea temperaturii in urma arderii gazului pe suprafata senzorului (rol de termometru).
• Patul catalitic – alumina (Al₂O₃), sustine substanta catalizatoare, oferind suprafata mare de reactie cu gazul.
• Catalizatorul – pulbere de oxid negru de cobalt Co₃O₄ .
• Capsula – bronz sinterizat poros, protejeaza mecanic filamentul si actioneaza ca bariera antiexplozie in cazul aprinderii amestecului .

unde :     R = rezistenta filamentului la temperatura data t [W ]
              R_o = rezistenta filamentului la 0^oC [W ]
              a = coeficient de temperatura al materialului din care este confectionat filamentul [grd^-1]
              t = temperatura filamentului [^oC]

S-a alimentat senzorul de la o sursa de curent constant citindu-se tensiunea de pe filament cu un voltmetru HC 4520A cu 4 1/2 digiti. S-a introdus o cantitate cunoscuta de gaz ( 2% butan) si s-a citit tensiunea pe filament. Dupa terminarea citirii s-a aerisit incinta si s-a reluat intreaga procedura cu alt curent de alimentare.

Stiind rezistenta electrica a filamentului R_o=7,86 W la t=0^oC si coeficietul de temperatura a_inox =1,075·10 ^–3grd ^–1 s-au calculat [2] temperatura filamentului in aer curat t_aer si temperatura filamentului in gaz (2% butan) t_gaz. Rezultatele sunt prezentate in tabelul urmator.
 

Nr. crt.	I  [mA]	Uaer [V]	Ugaz [V]	D U  [mV]	Raer [W ]	Rgaz [W ]	Pd [W]	taer [oC]	tgaz [oC]	D t  [oC]
1	160	1,564	1,572	8	9,78	9,83	0,25	227	233	6
2	170	1,680	1,704	24	9,88	10,02	0,28	239	255	16
3	180	1,820	1,885	65	10,11	10,47	0,32	266	309	43
4	190	1,954	2,025	81	10,28	10,66	0,37	286	331	45
5	200	2,095	2,190	95	10,48	10,95	0,41	310	366	56
6	210	2,226	2,320	94	10,60	11,05	0,46	324	377	53
7	220	2,360	2,448	88	10,73	11,13	0,51	340	387	37

Imediat dupa manufacturare raspunsul senzorului este mult ridicat, in prezenta a 2% butan, la un curent de alimentare de 190 mA am avut o diferenta de tensiune de 120 mV. Aceasta caracteristica nu se pastreaza in timp, dupa doua saptamani de functionare diferenta de tensiune a fost de numai 42 mV, valoare ce s-a mentinut.

Sub 180mA curent de alimentare raspunsul senzorului la butan este din ce in ce mai slab, disparand sub 160mA. Curentul optim de alimentare are valoarea de 200 mA, conform cu datele obtinute, tinand cont de temperatura filamentului, marimea raspunsului la o cantitate cunoscuta de gaz si puterea disipata in aer.

Mentinand curentul constant si variind doar concentratia de butan am obtinut rezultatele centralizate in urmatorul tabel.

Intrucat butanul (C₄H₁₀) are limita inferioara de explozie (LIE sau LEL in engleza) de 1,8% in aer si limita superioara de explozie (LSE sau UEL in engleza) de 8,4% in aer, raspunsul senzorului are o valoare suficient de mare ca sa fie usor prelucrat cu o electronica simpla, un amplificator operational comun.

Concluzii

• S-a construit un senzor capabil sa detecteze prezenta in aer a concentratiilor periculoase de butan.
• S-a dovedit stabilitatea in timp a senzorului catalitic, ultimul set de masuratori efectuandu-se dupa o luna de la primele incercari cu acest senzor.
• S-a elaborat o metoda de investigare a senzorilor catalitici pentru detectia butanului.
• Valoarea semnalului furnizat de traductor este suficient de mare pentru o buna prelucrare ulterioara .

1. Tetsuhiko Kobayashi et al., Thin Films of Suported Gold Catalysts for CO Detection, Sensors and Actuators, B1(1990) 222-225.
2. Nicolae-Marius Barlea, Fizica senzorilor, Editura Microinformatica, Cluj 2000, pag. 75.