Endüstriyel dağılmayan kızılötesi (NDIR) metan (CH4) gaz sensörü tasarımı

Abstract

Günümüzde metan (CH4) gaz sensörleri, gazın oluşturabileceği tehlikeler sebebiyle giderek artan bir eğilimle kullanılmaktadır. Doğal gazın temel bileşeni olan metan, yanıcı ve kapalı bir ortamda %5 konsantrasyona ulaştığında patlayıcı olan bir gazdır. Bu sebeplerle, petrol gaz endüstrilerinde, depolama alanlarında, ticari ve evsel ortamlarda metan gazının tespiti oldukça önemlidir. Metan gazının tespiti için tasarlanmış sistemlerde kullanılan sensörlerden biri optik tekniklere dayalı olarak ölçüm yapan dağılmayan kızılötesi (NDIR) gaz sensörleridir. Hidrokarbon gazların ve CO2 gazının tespitinde kullanılan NDIR gaz sensörleri, belirli bir gazın konsantrasyon ölçümüne olanak sağlaması, hızlı ve doğru bir gaz analiz yöntemi olması, basit ve ekonomik olması sebebiyle yaygın olarak kullanılmaktadır. NDIR gaz sensörü temelde bir kızılötesi radyasyon kaynağı, bir kızılötesi dedektör ve optik sensör kapsülünden oluşmaktadır. NDIR algılama yöntemi kızılötesi radyasyonun gaz molekülleri tarafından emilimi esasına dayanmaktadır. Optik sensör kapsülü kızılötesi radyasyon kaynağından saçılan ışınların yansımalar yaparak algılayıcıya ulaştığı kısımdır. Ortamda hedef gaz bulunması durumunda, gaz optik sensör kapsülünde bulunan gaz giriş-çıkış deliklerinden difüzyon yoluyla kapsül içine örneklenir. Hedef gazın emilim spektrumundaki ışınlar gaz molekülü tarafından emilime uğrar. Hedef gaz varlığına bağlı olarak emilim sebebiyle kızılötesi detektöre ulaşan radyasyon yoğunluğunda değişim olur. Bu değişime bağlı olarak ortamdaki hedef gazın yoğunluğu tespit edilir. Gaz varlığına göre değişim gösteren radyasyon yoğunluğu Beer-Lambert yasası ile açıklanmaktadır. Beer-Lambert yasasına göre hedef gazdan geçtikten sonraki radyasyon yoğunluğunun, hedef gaz yokken ölçülen radyasyon yoğunluğuna oranı, hedef gazın emilim katsayısının, optik yol uzunluğunun ve gaz konsantrasyonunun bir fonksiyonudur. Radyasyon kaynağından saçılan ışınların kızılötesi detektöre ulaşana kadar optik sensör kapsülü içinde aldığı yol optik yol olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada, endüstriyel NDIR metan gaz sensörü geliştirilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle standart minyatür formatta 20 mm çapında 16.15 mm yüksekliğinde silindirik yeni sensör kapsülü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Sensör kapsülü optik yol gövdesi ve sensör kapsülü kapağı olmak üzere iki parça halindedir. Kapsülde 1.5 mm yüksekliğinde 2mm'den 1mm'ye daralan yakınsak nozul yapısında 5 delik kullanılmıştır. Böylece ışık kaybı artırılmadan difüze olan gazın hacimsel akış oranı artırılmıştır. Optik sensör kapsülünün optik analizleri Zemax ışın izleme programından yararlanılarak yapılmıştır. Kapsül yüzeyi yüksek yansıtma oranı (%95) sebebiyle altın malzeme olarak seçilmiştir. Yapılan simülasyonlar sonucunda optik yol uzunluğunun ortalama 54 mm olduğu ve ışın yoğunluğunun yaklaşık %20'sinin dedektöre ulaştığı görülmüştür. Prototipi üretilen optik sensör kapsülü MS-58 pirinç malzeme ile CNC işleme yöntemi ile üretilmiş ve altın kaplama işlemi uygulanmıştır. Sensör kartı tasarımında Heimann HSL 5/115 akkor lamba ve Heimann HTS-E21 iki kanallı termofil dedektörü kullanılmıştır. Kanallardan biri referans kanalı olup 3.91 um optik filtreye, diğeri ise ölçüm kanalı olup 3.3 um optik filtreye sahiptir. Prototipi üretilen NDIR gaz sensörü için uygun test kartı kullanılarak sensörün ölçüm testleri yapılmıştır. Ortam koşulları 20 santigrat derece ve %50 RH olan sıcaklık/nem kabini içinde çalıştırılan sensör ile yapılan testlerde sensörün ölçümdeki tekrarlanabilirliğinin iyi olduğu ve minimum algılama limitinin 60 ppm olduğu tespit edilmiştir. Sensör % 0-5 vol metan gazı ölçümünde %3'ten küçük bağıl hata oranına sahiptir. % 0-5 vol aralığında 10 farklı metan konsantrasyonu ile yapılan ölçümler sonucunda sensörün T90 süresinin 20 saniyeden az olduğu tespit edilmiştir.