EX-meten

DE THERMOK ATALY TISCHE SENSOR
EX-meten
met hete
ST-4940-2004
pareltjes
Bij het ‘recreatief’ carbidschieten, het verjagen van vogels met knalpotten of het toepassen van de
drijfkracht in een verbrandingsmotor zijn gasexplosies gewenst en onmisbaar. Op de werkvloer zijn
ontploffingen daarentegen uit den boze. Gerichte metingen en tijdige alarmering kunnen het ontstaan
van explosieve gas- en dampmengsels voorkomen. Voor detectie van brandbare gassen en dampen
ter voorkoming van explosierisico (EX-metingen) bestaan twee verschillende detectiemethoden: de
thermokatalytische en de infrarood-optische. In dit artikel wordt de werking van de thermokatalytische
sensor uit de doeken gedaan.
Twee heel kleine hete pareltjes in het
inwendige van de sensor beveiligen
een explosiegevaarlijk gebied.
Detectie van brandbare gassen
Hoe herkent een thermokatalytische sensor op
betrouwbare wijze brandbare gassen? In principe
gebeurt dat door het brandbare gas op een verhitte
katalysator vlamloos te verbranden en te oxideren;
ongeveer zoals dat in de katalysator van een auto
plaatsvindt. Hierin worden bijvoorbeeld het giftige
CO en onverbrande koolwaterstoffen geoxideerd
naar het ‘onschuldiger’ CO2. Dat de katalysator daarbij iets heter wordt, is hier slechts een neveneffect.
Dat effect wordt bij thermokatalytische detectie juist
benut: het warmte-effect is het basisprincipe van de
meting met de katalytische sensor. Maar wat speelt
zich precies in het inwendige van de sensor af?
Het katalytisch effect
Uiteindelijk is het de reactiviteit van de zuurstof
waaraan het katalytisch principe te danken is:
zuurstofmoleculen houden van metaaloppervlakken,
zetten zich erop vast, vallen uiteen (één zuurstofmolecuul bestaat uit twee zuurstofatomen) en zijn
gedurende korte tijd in een hoogreactieve toestand.
Daar zitten ze dan, die zuurstofatomen met ‘onbenutte bindingen’, te wachten op een reactiepartner.
Wanneer de zuurstof niet rechtstreeks met het
metaal reageert, dan zal dat via een voorgeschakelde reactie met vocht plaatsvinden; dat is het ons
vertrouwde alledaagse roestproces (oxidatie).
Explosieveilig uitgevoerd: het gas passeert een sinterfilter in de robuuste rvs-behuizing (links). De platinaspiraal (rechts) is een
slechts 1 mm brede wikkeling, waarvan de draad een diameter van ongeveer 0,05 mm heeft.
Chemische dynamiek in het hart van de sensor
Ook de oppervlakken van zeer edele metalen zoals
platina of palladium raken bedekt met een dergelijke
zuurstofmantel. Door de microscoop bezien is deze
laag een zich voortdurend vernieuwende maar qua
gewicht constante hoeveelheid ‘ongeduldige’
zuurstofatomen. Als zo’n atoom niet zeer snel een
geschikte reactiepartner vindt (palladium is te edel
om mee te reageren), dan recombineert het met
een ander zuurstofatoom en maakt plaats voor een
zuurstofmolecuul in de nabijheid. Als er echter
een ‘oxidatiebereid’ molecuul in aanraking komt
met een brandbare gasvormige substantie (bijv.
een koolwaterstofverbinding), dan slaat dat
zuurstofmolecuul toe: het wordt dan samen
met het gas omgezet in CO2 en H2O. Echter:
dat gebeurt slechts als de zuurstofatomen zich
sterker aangetrokken voelen tot het betreffende
molecuul dan tot het metaaloppervlak. Die aantrekkingskracht is regelbaar: hoe heter het oppervlak,
hoe gemakkelijker de zuurstofatomen zich weer loslaten. Als het oppervlak echter té heet is, arriveren ze
daar in geheel niet meer. Zo vindt er via de omweg
van een heet metalen oppervlak een ‘gedwongen’
reactie plaats, die normaliter niet optreedt. Het
metaal verandert daarbij niet, maar werkt slechts als
reactiebemiddelaar (‘katalysator’). Het gebied waarin
de reactie plaatsvindt wordt aangeduid als ‘katalysecentrum’.
Zo klein mogelijk
Wat gebeurt er eigenlijk bij een dergelijke reactie?
De vrijkomende reactiewarmte verwarmt het katalysegebied en zijn omgeving. Om deze geringe verwarming te kunnen meten, heeft men zo veel mogelijk katalytische centra in een zo klein mogelijk
lichaam nodig, want alleen bij een zeer kleine massa
zal de minimale energietoevoer tot een merkbare
opwarming leiden. Ideaal zou een hoogporeus
materiaal zijn, zoals het volledig luchtdoorlatende
materiaal van een bloempot; de gebakken klei of
keramiek, die ontelbare microporiën vertoont. Daarom wordt een klein keramisch pareltje genomen,
dat tijdens de vervaardiging al met katalytisch materiaal wordt geïmpregneerd. Zelfs bij een doorsnede
van nauwelijks een millimeter heeft een dergelijk
pareltje al een enorm katalytisch oppervlak (meer
dan 0,1 m2), terwijl de microscopische poriën met
de omgevingslucht worden doorstroomd. Dat wil
zeggen dat alle katalytische centra met reactiebereid
zuurstof verzadigd zijn.
Pellistor
De zeer fijn verdeelde metallische katalysator verleent het pareltje zijn grijszwarte uiterlijk. Om de temperatuur op het juiste niveau te brengen, is in het
pareltje een klein verwarmingsspiraaltje van platina
ingebed. Als daardoor een stroompje van ongeveer
270 mA wordt geleid, zal de temperatuur van het
pareltje ruim 500° C bedragen. Zodra er brandbare
gassen in de poriën binnentreden, zullen de katalytische centra zich evenredig opwarmen en aldus de
temperatuur van het pareltje verder doen toenemen.
Hierdoor wordt ook de platinaspiraal heter en zijn
weerstand iets hoger. Dientengevolge is een weerstandstoename in de orde van grootte van milli-ohms
bespeurbaar, waaruit de gasconcentratie valt af te
leiden. Zolang de verwarmingsstroom door de
platinaspiraal constant gehouden wordt, volstaat
een nauwkeurige spanningsmeting. De woorden
parel en weerstand, in het Engels ‘pellet’ en
‘resistor’, hebben gezorgd voor de gangbare
naam van deze constructie, namelijk ‘pellistor’.
Explosieveiligheid
De temperatuur van een dergelijke pellistor zal bij
‘begassing’ slechts enkele graden stijgen. Schommelingen van de omgevingstemperatuur kunnen aanzienlijk groter zijn en moeten daarom zeker worden
gecompenseerd. Bijvoorbeeld door een geheel
indentieke pellistor, die echter geen katalysator bevat
(waardoor deze ‘compensator’ wit is) en zodoende
niet gevoelig is voor het gas. Vervolgens wordt het
verschilsignaal tussen beide pellistoren gemeten: bij
veranderingen van de omgevingstemperatuur wordt
het meetsignaal zodoende nauwelijks beïnvloed,
beide pellistoren reageren daarop immers even
sterk. Slechts de aanwezigheid van een brandbaar
gas zal het evenwicht verstoren en leidt tot een verschilsignaal en dus tot een reactie van het meetinstrument. Dat werkt prima, maar omdat een zwarte
pellistor de warmte gemakkelijker uitstraalt dan een
witte, leidt dat tot een zekere asymmetrie en een
verslechtering van de meetnauwkeurigheid. De verhouding wordt duidelijk beter als men twee zwarte
pellistoren gebruikt en het nettosignaal bereikt door
één der pellistoren in te kapselen en slechts via een
klein gaatje (‘pinhole’) met de buitenwereld te verbinden. Alleen de niet-ingekapselde pellistor fungeert als gasmeetelement, terwijl het ingekapselde
exemplaar als compensator dient.
Geen ontstekingsbron
Er is een groot aantal brandbare gassen dat door de
400 tot 500 graden hete pellistoren ontstoken kan
worden, als hun concentratie boven de 100% LEL
(Lower Explosion Limit) komt. Om ervoor te zorgen
dat een katalytische sensor geen ontstekingsbron
kan worden, moet ervoor worden gezorgd dat de
sensorbehuizing een inwendige ontsteking weerstaat en dat geen vlamterugslag naar de omgeving
kan optreden. Het inwendige, dat nauwelijks zo
groot is als een vingerhoed, moet daarom drukbestendig ingekapseld zijn. Gas mag slechts door een
vlamdovende barrière (vlamdover) toe- en uittreden.
Een dergelijke barrière, uitgevoerd als metallisch sinterfilter of draadweefsel, is enerzijds volledig gasdoorlatend en anderzijds vlamdovend doordat de
goede warmtegeleiding ervoor zorgt dat de tempera-
tuur van het gas-luchtmengsel tot onder de ontvlammingstemperatuur daalt.
Diffusie
Een dergelijke vlamdovende barrière werkt echter
ook als diffusiebarrière: enkelvoudige moleculen
moeten eerst de in de vlamdover aanwezige lucht
passeren. Zij kunnen dus nooit sneller de pellistor
bereiken dan hun diffusiesnelheid toelaat. Een methaanmolecuul zou in een seconde honderden
meters kunnen afleggen indien het niet miljarden
malen zou opbotsen tegen omringende moleculen,
waardoor het voortdurend van richting en snelheid
verandert. Diffusie is een langzaam ‘concentratienivellerend’ proces, omdat de moleculen zich voortdurend daarheen bewegen waar een tekort bestaat of
waar zich weinig identieke exemplaren bevinden.
Daar ze in de pellistor worden omgezet, bestaat daar
een soort permanente ‘verarmingszone’ die de andere moleculen aantrekt. Er ontstaat een ‘moleculaire
zuiging’ die bij dergelijke diffusiesensoren een pomp
vrijwel overbodig maakt.
Betrouwbaar en economisch
Juist gekalibreerd en volgens voorschrift gebruikt is
de katalytische sensor een zeer betrouwbaar en
economisch meetinstrument voor alarmering bij
explosiegevaar, ook bij brandbare gassen waar een
IR-sensor niet gevoelig voor is. Zelfs bij zeer hoge
temperaturen (tot 150°C) waar andere (elektronische) instrumenten niet meer kunnen worden ingezet. Echter: het vereist natuurlijk zuurstof; in een inerte atmosfeer zal de sensor niet functioneren (maar
er bestaat dan ook geen explosiegevaar). Bij aanwezigheid van gassen die de katalysator ‘vergiftigen’
kan de alarmgrens ongewenst verschuiven.
Als dergelijke substanties bedrijfsmatig worden
toegepast, zal de sensor beduidend vaker aan
een functionele test moeten worden onderworpen.
De katalytische sensor heeft dus voor- en nadelen.
De voordelen maken hem tot een onmisbare
partner in de strijd tegen explosiegevaar.
Dr. Wolfgang Jessel
(bewerkte vertaling uit DrägerHeft nr. 384)
K ATALYSATORVERGIFTIGING
De meetgevoeligheid van een katalytische sensor kan veranderen. Naast verouderingseffecten
(bijvoorbeeld het versinteren van de keramiekparel, wat tot geringere porositeit en minder katalytische
centra leidt) en contaminatie van de vlamdover (geringere doorlaatbaarheid, leidend tot een lagere
diffusiesnelheid) kunnen ook enkele vluchtige substanties de katalysator onbruikbaar maken. Lood- en
zwavelverbindingen zijn niet slechts vergiftigende stoffen voor de automobielkatalysator (daarom zijn
deze stoffen niet langer aanwezig in de gebruikte brandstof), maar ook voor de katalytische sensor.
In het algemeen zijn het tevens polymeren en siliconenverbindingen die de sensor beschadigen.
Vele ‘onschadelijke’ koudemiddelen zijn corrosief, omdat ze bij de verbrandingsreactie agressieve
chloor- en fluorverbindingen doen ontstaan.