Senzor catalitic cu Co3O4 pentru butan

Nicolae-Marius Barlea(1), Bogdan Buhai(2)

(1)Technical University of Cluj-Napoca, Physics Department, Romania, E-mail: mbirlea@phys.utcluj.ro

(2)Technical University of Cluj-Napoca, Physical Engineering student, Romania

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:

Prezenta gazului inflamabil creste temperatura filamentului catalitic si implicit ii modifica rezistenta electrica. Detectia gazului inflamabil se bazeaza pe dependenta rezistentei electrice a filamentului de temperatura :

R=Ro (1+a t) (1)

unde :     R = rezistenta filamentului la temperatura data t [W ]
              Ro = rezistenta filamentului la 0oC [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 Ro=7,86 W la t=0oC si coeficietul de temperatura ainox =1,07510 3grd 1 s-au calculat [2] temperatura filamentului in aer curat taer si temperatura filamentului in gaz (2% butan) tgaz. Rezultatele sunt prezentate in tabelul urmator.
 
Nr. crt.

[mA]

Uaer

[V]

Ugaz

[V]

D

[mV]

Raer

[W ]

Rgaz

[W ]

Pd

[W]

taer

[oC]

tgaz

[oC]

D

[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.

Nr. 

Crt.

Concentratie

[%butan]

Uaer

[V]

Ugaz

[V]

D

[mV]

1
0,5
2,111
2,132
21
2
1
2,107
2,148
41
3
1,5
2,111
2,165
54
4
2
2,102
2,172
70
5
3
2,108
2,225
117
6
4
2,103
2,246
143
7
5
2,109
2,260
151
8
6
2,103
2,291
188

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

Bibliografie
  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.
21-23 Septembie 2000, Constanta, Conferinta Nationala de Fizica, Sectiunea "Technical and Engineering Physics" S.4, Proceeding pag. 40, lucrarea P.29