Hiểu về cảm biến amoniac

Hiểu về cảm biến amoniac và ứng dụng của chúng – Tác giả Robert E. Henderson GfG Instrumentation, Inc. IN LẠI BỞI GAS ALARM SYSTEMS LTD VỚI SỰ CHO PHÉP TỪ GFG EUROPE 17/04/2007 Hiểu về cảm biến amoniac và ứng dụng của chúng

Theo Cơ quan Môi trường Châu Âu (EEA), gần 10 triệu tấn amoniac được sản xuất và sử dụng mỗi năm ở Tây Âu, khiến nó trở thành một trong những hóa chất công nghiệp phổ biến nhất trong tất cả các loại hóa chất sản xuất khối lượng lớn (HPV). Amoniac thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm hóa dầu, bột giấy và giấy, phân bón và ngành công nghiệp dầu mỏ, v.v. Amoniac khan (NH3) cũng được sử dụng rất rộng rãi làm chất làm mát trong các hệ thống làm lạnh công nghiệp lớn. Trên thực tế, việc sử dụng amoniac làm chất làm lạnh (R717) đã tăng đáng kể trong vài năm qua để thay thế cho chất làm lạnh chlorofluorocarbon không thân thiện với môi trường. Trong khi làm lạnh amoniac từ lâu đã là tiêu chuẩn trong ngành thực phẩm/đồ uống, thì hiện nay nó cũng được tìm thấy trong sản xuất dược phẩm, trong thiết bị điều hòa không khí cho nhiều tòa nhà công cộng và trong các nhà máy phát điện. Amoniac được coi là một loại hóa chất cực kỳ nguy hiểm. Theo EEA, vụ tai nạn công nghiệp tồi tệ nhất trong hai mươi năm qua xảy ra vào ngày 21 tháng 9 năm 2001, khi một vụ nổ amoniac/amoni nitrat tại một nhà máy phân bón ở Toulouse, Pháp đã giết chết 30 người và làm bị thương hơn 2.000 công nhân và cư dân gần đó. Theo cuộc điều tra của chính phủ, mặc dù vụ tai nạn kinh hoàng, nhưng nó có thể tồi tệ hơn nhiều nếu các tòa nhà xen vào không làm giảm lực của vụ nổ, ngăn chặn khả năng phát nổ của 20 toa xe bồn chở đầy amoniac khan.

Các sự cố nhỏ hơn cực kỳ phổ biến. Một nghiên cứu do Sở Y tế Tiểu bang New York công bố1 minh họa mức độ thường xuyên xảy ra của những vụ tai nạn này. Báo cáo ghi nhận 107 vụ tràn amoniac nghiêm trọng xảy ra tại Tiểu bang New York từ năm 1993 đến năm 1998. Sáu mươi mốt người bị thương nghiêm trọng và một người tử vong trong các vụ tai nạn được báo cáo.

Bốn mươi bốn phần trăm số người bị thương là nhân viên, 41% là thành viên của công chúng và 15% là người ứng cứu khẩn cấp. Bảy trong số chín người ứng cứu khẩn cấp bị bỏng hóa chất nghiêm trọng. Hầu hết các vụ rò rỉ xảy ra trong quá trình chế biến thực phẩm/đồ uống (29%) hoặc tại các cơ sở sản xuất hóa chất/kim loại/thiết bị (27%). Hầu hết các vụ tai nạn (101) xảy ra tại các cơ sở cố định; sáu vụ rò rỉ còn lại xảy ra trong quá trình vận chuyển. Hỏng thiết bị gây ra 58% các vụ rò rỉ. Hầu hết các vụ rò rỉ liên quan đến đường ống (44%). Hơn 1.889 người đã được sơ tán sau 107 vụ rò rỉ amoniac này.

Amoniac khan lỏng nở ra hơn 850 lần khi thoát ra không khí xung quanh và dễ dàng tạo thành những đám mây hơi lớn. Những đám mây này thường nhẹ hơn không khí và có xu hướng bốc lên.

Tuy nhiên, amoniac khan lỏng cũng có thể tạo thành khí dung bao gồm một phần các giọt chất lỏng nhỏ. Là một khí dung, các giọt amoniac nặng hơn không khí và chìm xuống đất. Nhiệt độ giảm đột ngột do giải phóng amoniac cũng có thể khiến hơi nước trong không khí ngưng tụ, tạo thành một đám mây trắng có thể nhìn thấy được. Các luồng không khí đối lưu do đám mây nặng hơn không khí cũng có thể mang amoniac xuống dưới. Do đó, khi amoniac khan được giải phóng vào không khí, nó có thể bốc lên và phân tán dưới dạng khí, hoặc nó có thể di chuyển dọc theo mặt đất dưới dạng khí dung hoặc do nó đã giữ lại hơi nước. Trong cả hai trường hợp, đám mây có thể vẫn ở thấp thay vì bốc lên không khí.

Amoniac là một loại khí cực kỳ độc hại và phải luôn áp dụng các quy trình và thiết bị giám sát an toàn phù hợp để tránh thương tích nghiêm trọng do tai nạn hoặc tử vong. Các giới hạn phơi nhiễm được công nhận rộng rãi nhất đối với amoniac là TWA (Trung bình có trọng số thời gian) trong tám giờ là 25 ppm, với STEL (Giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn) trong 15 phút là 35 ppm. Amoniac cũng ăn mòn da, mắt và phổi. Tiếp xúc với 300 ppm gây nguy hiểm ngay lập tức đến tính mạng và sức khỏe. May mắn thay, amoniac có ngưỡng mùi thấp (20 ppm) với các đặc tính cảnh báo tốt, vì vậy hầu hết mọi người tìm cách giải tỏa ở nồng độ thấp hơn nhiều.

Bên cạnh các đặc tính độc hại, amoniac cũng là một loại khí dễ nổ, với nồng độ giới hạn nổ thấp (LEL) khoảng 15% thể tích. Mặc dù hơi amoniac không dễ cháy ở nồng độ dưới 15%, nhưng nó có thể dễ dàng phát nổ hoặc bắt lửa trong phạm vi dễ cháy từ 15% đến 28% theo thể tích. Tuy nhiên, amoniac bị nhiễm dầu bôi trơn có thể bắt lửa hoặc phát nổ ở nồng độ thấp tới 8%. Ở Châu Âu, việc lắp đặt hệ thống cảnh báo khí cho hệ thống làm lạnh amoniac là bắt buộc theo EN 378, “Hệ thống làm lạnh và bơm nhiệt – Yêu cầu về an toàn và môi trường”. EN 378 yêu cầu rõ ràng phải lắp đặt các thiết bị giám sát rò rỉ cố định trong phòng máy làm lạnh và điều hòa không khí, cũng như các khu vực khác mà rò rỉ đột ngột vào không gian có người ở có thể gây ra tình trạng nguy hiểm.

Hầu như bất kỳ ai đã sử dụng cảm biến amoniac trong khu vực lạnh đều biết về những hạn chế của cảm biến. Môi trường thực sự khắc nghiệt đối với cảm biến. Nhiệt độ có thể dao động từ – 40° (trong một số hoạt động đông lạnh nhanh) đến + 40° C (trong thời gian rã đông). Các tia nước, hơi nước và chất tẩy rửa mạnh được sử dụng trong quá trình rửa có khả năng làm hỏng cảm biến và các thành phần khác của hệ thống. Các chất gây ô nhiễm can thiệp từ xe nâng chạy bằng propan, chất khử trùng gốc cồn hoặc thậm chí các sản phẩm đang được lưu trữ hoặc sản xuất có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất của cảm biến. Quan trọng nhất, các loại cảm biến amoniac khác nhau có những hạn chế khác nhau. Bí quyết để lựa chọn và lắp đặt hệ thống không gặp sự cố là hiểu được những hạn chế của cảm biến và chọn cảm biến phù hợp với vị trí và điều kiện mà chúng sẽ được vận hành.

Bốn loại cảm biến cố định được sử dụng phổ biến nhất để phát hiện hơi amoniac là (1) cảm biến hồng ngoại, (2) cảm biến hấp thụ hóa học (thường được gọi là cảm biến “MOS”), (3) cảm biến điện hóa và (4) cảm biến phun chất mang điện tích trạng thái rắn (CI).

• Cảm biến hồng ngoại (IR) Cảm

biến hồng ngoại không phân tán (NDIR) đo khí theo hàm số của độ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại. Phân tử bao gồm các nguyên tử được giữ lại với nhau bằng liên kết hóa học. Các liên kết trong một loại phân tử cụ thể (như amoniac) hấp thụ năng lượng ở các bước sóng cụ thể. Khi một liên kết hóa học hấp thụ ánh sáng hồng ngoại, nó tiếp tục rung ở cùng tần số, nhưng với biên độ lớn hơn sau khi truyền năng lượng. Nói cách khác, các phân tử có khả năng hấp thụ năng lượng ở bước sóng đó được làm nóng đến nhiệt độ cao hơn các phân tử không có khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng đó.

Khi bức xạ hồng ngoại đi qua buồng cảm biến chứa một chất gây ô nhiễm cụ thể, các bước sóng duy nhất được hấp thụ là các bước sóng khớp với các liên kết hóa học trong chất gây ô nhiễm đó. Phần còn lại của ánh sáng được truyền qua buồng mà không bị cản trở. Vì hầu hết các hợp chất hóa học hấp thụ ở một số tần số khác nhau, nên độ hấp thụ IR có thể cung cấp “dấu vân tay” để sử dụng trong việc nhận dạng các chất gây ô nhiễm chưa biết. Ngoài ra, đối với một số phân tử, có thể tìm thấy đỉnh hấp thụ ở một bước sóng cụ thể mà các phân tử khác có khả năng có mặt không chia sẻ. Trong trường hợp này, độ hấp thụ ở một bước sóng cụ thể có thể được sử dụng để cung cấp phép đo cụ thể cho một phân tử cụ thể. Ví dụ, amoniac có đỉnh hấp thụ có thể sử dụng ở bước sóng khoảng 1,53 micron (ìm). Độ hấp thụ ở bước sóng này tỷ lệ thuận với nồng độ NH3 có trong buồng cảm biến của cảm biến. Độ hấp thụ không tuyến tính theo đơn vị nồng độ, nhưng có thể dự đoán được về mặt toán học và dễ dàng tính toán bằng các máy dò khí cầm tay được trang bị bộ vi xử lý.

Bộ lọc quang học hoặc “máy cắt” được sử dụng để giới hạn bước sóng của ánh sáng hồng ngoại đi qua buồng cảm biến ở tần số cụ thể mà tại đó sự hấp thụ của các phân tử mục tiêu xảy ra. Một số máy dò NDIR sử dụng máy dò “nhiệt điện” để đo trực tiếp lượng ánh sáng hồng ngoại được hấp thụ ở các bước sóng cụ thể. Các máy dò hồng ngoại “quang âm” khác sử dụng micrô để đo những thay đổi áp suất trong buồng cảm biến do sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại. Trong trường hợp này, micrô được sử dụng để đo những thay đổi áp suất trong buồng cảm biến do hiệu ứng làm nóng của sự hấp thụ năng lượng hồng ngoại của các phân tử amoniac.

Những lợi ích chính của cảm biến hồng ngoại là độ đặc hiệu cao của cảm biến đối với amoniac, độ ổn định lâu dài và giảm nhu cầu điều chỉnh hiệu chuẩn. Máy dò hồng ngoại có dải động rộng và không bị suy giảm hoặc tiêu thụ khi tiếp xúc với nồng độ amoniac cao. Những hạn chế chính là kích thước vật lý của cụm máy dò, nhu cầu bảo vệ máy dò khỏi những tác động tiềm ẩn của nhiệt độ và độ ẩm dao động và chi phí cao hơn đáng kể so với các loại máy dò khác.

Cảm biến hấp phụ hóa học (MOS)

Cảm biến hấp phụ hóa học bao gồm một chất bán dẫn oxit kim loại, chẳng hạn như thiếc dioxit (SnO2) trên hạt gốm alumina thiêu kết chứa bên trong bộ phận chống cháy. Trong không khí sạch, độ dẫn điện thấp. Quá trình oxy hóa khí được đo trên phần tử cảm biến làm tăng độ dẫn điện. Một mạch điện được sử dụng để chuyển đổi sự thay đổi độ dẫn điện thành tín hiệu đầu ra tương ứng với nồng độ khí. Độ nhạy với một loại khí cụ thể có thể thay đổi bằng cách thay đổi nhiệt độ của phần tử cảm biến.

Cảm biến hấp phụ hóa học thường được thiết kế để phản ứng với phạm vi rộng nhất có thể của các loại khí và hơi độc hại và dễ cháy. Ý tưởng là cung cấp phản ứng “phạm vi rộng” đối với sự hiện diện của chất gây ô nhiễm. Cảm biến MOS có thể phát hiện chất làm lạnh chlorofluorocarbon cũng như các chất gây ô nhiễm khác khó phát hiện bằng các phương tiện khác, cũng như amoniac, carbon monoxide, hydro, rượu và nhiều loại khí và hơi khác. Tính không đặc hiệu này có thể có lợi trong các tình huống có thể có khí độc chưa biết và chỉ cần xác định đơn giản là được/không được. Tuy nhiên, vì các cảm biến không dành riêng cho amoniac nên điều này có thể dẫn đến báo động giả nếu các cảm biến được lắp đặt trong môi trường có sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm gây nhiễu. Lợi ích chính của các cảm biến hấp thụ hóa học là tuổi thọ hoạt động lâu dài và chi phí thấp.

Cảm biến MOS là loại cảm biến amoniac cố định rẻ nhất và không bị hư hỏng hoặc tiêu thụ do tiếp xúc lâu dài với amoniac. Cảm biến MOS có thể được sử dụng để phát hiện amoniac từ nồng độ thấp tới 30 ppm, cho đến nồng độ dễ cháy.

Tuy nhiên, vì tín hiệu đầu ra không tuyến tính cao nên chúng cần được hiệu chuẩn và điều chỉnh để sử dụng trong phạm vi mong muốn. Việc điều chỉnh để sử dụng ở nồng độ cao sẽ làm giảm độ chính xác và độ phân giải ở nồng độ thấp hơn. Những hạn chế chính của cảm biến hấp thụ hóa học là khó khăn trong việc diễn giải các phép đo, khả năng báo động giả và ảnh hưởng của độ ẩm lên cảm biến. Khi độ ẩm tăng, đầu ra của cảm biến cũng tăng. Khi độ ẩm giảm xuống mức rất thấp, đầu ra của cảm biến có thể giảm xuống 0 ngay cả khi có chất gây ô nhiễm đang được đo.

Độ ẩm cực thấp được thấy ở nhiều khu vực làm lạnh (đặc biệt là tủ đông nhanh) có thể khiến việc sử dụng loại cảm biến này trở nên không thể. Ngoài ra, người dùng phải thận trọng khi đưa ra giả định về các chất gây ô nhiễm khác có thể có trong khu vực đang được giám sát. Công dụng tốt nhất của cảm biến MOS là làm thiết bị báo động “được/không được” được điều chỉnh để có độ chính xác tối đa gần ngưỡng tình trạng nguy hiểm hoặc ngưỡng “hành động” hoặc để sử dụng trong việc đo khí làm lạnh (như Freon®) khó (hoặc đắt hơn) để phát hiện bằng các phương tiện khác.

• Cảm biến điện hóa (EC)

Cảm biến điện hóa đặc hiệu chất có sẵn cho nhiều loại khí độc phổ biến nhất. Cảm biến EC nhỏ gọn, tiêu thụ rất ít điện năng, thể hiện tính tuyến tính và khả năng lặp lại tuyệt vời và tương đối rẻ. Kỹ thuật phát hiện rất đơn giản về mặt khái niệm. Khí đi vào cảm biến sẽ trải qua phản ứng điện hóa gây ra sự thay đổi trong đầu ra điện của cảm biến. Sự khác biệt trong đầu ra điện tỷ lệ thuận với lượng khí hiện diện. Cảm biến EC được thiết kế để giảm thiểu tác động của các chất gây ô nhiễm gây nhiễu, giúp các phép đo càng cụ thể càng tốt đối với khí đang được đo.

Trong trường hợp cảm biến amoniac, chất điện phân bao gồm một thành phần hoạt tính bị tiêu thụ trong phản ứng điện hóa được sử dụng để phát hiện amoniac. Do đó, tuổi thọ của cảm biến liên quan trực tiếp đến mức độ tiếp xúc với NH3. Tuổi thọ thường được liệt kê theo phần triệu giờ tiếp xúc (ppmh). Ví dụ, một “cảm biến 17.520 ppm giờ” có tuổi thọ là một năm khi liên tục tiếp xúc với nồng độ amoniac không đổi là 2 ppm (2 ppm x 365 ngày x 24 giờ = 17.520 ppm giờ). Cùng một cảm biến sẽ chỉ tồn tại trong sáu tháng nếu liên tục tiếp xúc với 4 ppm, ba tháng khi tiếp xúc với 8 ppm, v.v.

Có một số biến thể của phản ứng điện hóa cụ thể được sử dụng để phát hiện amoniac. Một số cảm biến EC phụ thuộc vào phản ứng oxy hóa đơn giản trong đó amoniac (NH3) được chuyển đổi thành nitơ (N2) và hydro “proton” (H+) tại điện cực cảm biến. Cứ hai phân tử amoniac bị oxy hóa, sáu electron (e–) điện cũng được tạo ra. Dòng điện đầu ra này là thứ được thiết bị sử dụng để xác định nồng độ amoniac hiện có. Nửa sau của phản ứng điện hóa xảy ra tại điện cực “đối diện”, tại đó các proton hydro được tạo ra trong nửa đầu của phản ứng phản ứng với oxy để tạo ra nước.

Do đó, tại điện cực cảm biến: 2 NH3 N2 + 6 H+ + 6 e– Tại điện cực đối diện: O2 + 4H+ + 4 e– 2H2O

Cảm biến được đổ đầy hỗn hợp chất điện phân dạng gel hữu cơ trong đó phản ứng xảy ra.

Các thành phần hoạt tính trong chất điện phân được sử dụng dần dần khi cảm biến tiếp xúc với amoniac. Khi vượt quá tuổi thọ tiếp xúc “ppm giờ” của cảm biến, cảm biến sẽ không còn khả năng phát hiện khí nữa và cần phải thay thế. Những lợi ích tích cực cho loại cảm biến này bao gồm độ phân giải phạm vi ppm thấp tuyệt vời và hiệu suất nhiệt độ lạnh tuyệt vời xuống tới – 40º C.

Trong các cảm biến khác, một bộ phản ứng điện hóa “nhạy cảm với sự thay đổi pH” được cấp bằng sáng chế được sử dụng để phát hiện amoniac. Một lần nữa, đầu ra điện của cảm biến tỷ lệ thuận với lượng amoniac bị oxy hóa tại điện cực cảm biến. Các cảm biến này dựa trên hệ thống điện phân ngậm nước, mặc dù khả năng chịu nhiệt độ lạnh kém hơn một chút, nhưng cung cấp phạm vi đo mở rộng lên tới 5.000 ppm, với tuổi thọ tiếp xúc lên tới 50.000 ppm giờ.

Chỉ nên sử dụng cảm biến amoniac điện hóa khi nồng độ amoniac nền xung quanh bình thường đủ thấp để cho phép tuổi thọ hoạt động hợp lý.

Ví dụ, loại cảm biến này không được khuyến khích sử dụng tại trang trại gia cầm hoặc nhà máy phân bón nitrat, nơi nồng độ amoniac xung quanh thông thường có thể cao tới 20 đến 30 ppm. Trong môi trường này, tuổi thọ của cảm biến có thể chỉ là vài tuần. Mặt khác, độ đặc hiệu cao đối với amoniac và độ nhạy chéo thấp đối với các chất gây ô nhiễm khác có thể có mặt (như carbon monoxide) khiến các cảm biến này trở thành phương pháp tiếp cận được ưa chuộng trong nhiều môi trường.

• Cảm biến phun chất mang điện tích (CI)

Cảm biến phun chất mang điện tích (CI) amoniac dựa trên nguyên lý phát hiện hoàn toàn khác. Cảm biến CI phụ thuộc vào sự hấp phụ amoniac của các phân tử “chất mang điện tích” trong chất nền trạng thái rắn. Bằng cách hấp thụ amoniac, các chất mang điện tích được “phun” vào phần tử cảm biến, gây ra sự thay đổi điện trở tỷ lệ thuận với nồng độ amoniac có mặt.

Vật liệu, hình thái và lớp nền đều được lựa chọn cẩn thận để tối đa hóa ái lực của cảm biến với amoniac trong khi giảm thiểu tác động của các chất gây ô nhiễm gây nhiễu. Cảm biến CI có thể được sử dụng trên phạm vi phát hiện cực kỳ rộng, từ nồng độ phần triệu thấp đến 30.000 ppm hoặc cao hơn. Vì phần tử cảm biến được vận hành ở nhiệt độ cao nên cảm biến hoạt động như “máy sưởi” của chính nó và là ứng cử viên lý tưởng để vận hành trong tủ đông nhanh và các môi trường khác chịu nhiệt độ cực lạnh (- 40 ºC hoặc lạnh hơn). Vì nguyên lý phát hiện không dựa trên quá trình oxy hóa amoniac nên cảm biến cũng có thể được sử dụng để đo amoniac trong môi trường không có oxy. Quan trọng nhất là cảm biến không bị “tiêu thụ” hoặc thay đổi vĩnh viễn do tiếp xúc với amoniac. Khi có amoniac, các chất mang điện tích được “tiêm” vào phần tử cảm biến, trong khi amoniac được giải hấp trong không khí trong lành. Cảm biến CI cực kỳ ổn định, với tuổi thọ hoạt động là năm năm hoặc thậm chí lâu hơn. Cảm biến CI không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi độ ẩm và mang lại hiệu suất tuyệt vời trong điều kiện độ ẩm cực thấp liên quan đến hoạt động đông lạnh nhanh.

Không có loại cảm biến amoniac nào hoàn hảo cho mọi ứng dụng. Chìa khóa thành công là hiểu được môi trường giám sát và những lợi ích cũng như hạn chế cụ thể của các cảm biến được chọn.