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Come funzionano i sensori catalitici per il monitoraggio di gas e vapori

I sensori catalitici per monitoraggio di gas e vapori sono utilizzati negli analizzatori portatili più diffusi negli ambienti confinati

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I sensori catalitici per monitoraggio di gas e vapori spesso indicati in letteratura anche come catalytic bead (alla lettera “perla catalitica”, dalla forma del catalizzatore), corrispondono alla tecnologia più datata impiegata per gli esplosimetri, direttamente derivata dallo strumento messo a punto da Johnson, nel 1927.

Il principio di funzionamento è rimasto sostanzialmente inalterato nel tempo fino a arrivare ai più recenti sensori noti come “Pellistor” o “Siegistor” (entrambi nomi commerciali).

Il principio di funzionamento è molto semplice e si basa sull’impiego di un semplice catalizzatore in grado di ossidare un gas o un vapore combustibile presente in aria in una concentrazione variabile tra lo 0 e il 100% del LEL.

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Schema di un sensore tipo “Pellistor”. (Fonte: City Technology, UK)

Funzionamento dei sensori catalitici
Un filo di platino avvolto a spirale è ricoperto da un rivestimento poroso in grado di assorbire il gas o il vapore presente in atmosfera portandolo per diffusione a intimo contatto con il filo interno; questo rivestimento ha anche lo scopo di stabilizzare la temperatura del catalizzatore nella zona di contatto con il gas o vapore.

Il filo viene riscaldato tramite una batteria fino a una temperatura tale da consentire l’ossidazione del gas; quest’ultima ha luogo esclusivamente in presenza del catalizzatore che ovviamente non partecipa alla reazione.

L’ossidazione del gas o del vapore a contatto con il filo riscaldato provoca un ulteriore innalzamento della temperatura del filo e, di conseguenza, un corrispondente aumento della resistenza (detta “attiva” o “di misura”) del conduttore montata su uno dei 4 rami di un ponte di Wheatstone.

Su altri due rami vengono posizionate resistenze di valore noto, mentre sul quarto ramo viene montata una resistenza identica a quella del ramo attivo, ma configurata in modo da non entrare a contatto con il flusso del gas o vapore che si intende misurare e tale per cui non si abbia alterazione della sua temperatura e conseguentemente della sua resistenza (per questo, detta “passiva” o “di compensazione”).

Il ramo “passivo” risulta indispensabile per bilanciare a vuoto il ponte in aria non contaminata, consentendo l’azzeramento dello strumento di misura e rendendo così la misura indipendente dall’influenza della pressione, della temperatura e della umidità atmosferica.

L’utilizzo, ancora oggi, del platino è dovuto al fatto che si tratta di un metallo che inizia a vaporizzare a temperature molto alte, superiore a quella dell’ossidazione di combustione (100% del LEL) di qualsiasi gas o vapore; inoltre, è in grado di fornire una risposta lineare dell’aumento della resistenza in funzione della temperatura.

Una volta fatto fluire il gas o il vapore esplosivo attraverso il sensore, la lettura sullo strumento fornisce direttamente la % rispetto al LEL.

Vantaggi e svantaggi dei sensori catalici per il monitoraggio di gas e vapori
Tra i vantaggi di questo tipo di sensore vanno sottolineati la notevole durata, la scarsa sensibilità a temperatura, pressione e umidità atmosferica, l’elevata precisione di misura, la rapidità di risposta e la capacità di provocare l’ossidazione di un elevatissimo numero di gas e vapori dispersi in aria.

Tra gli svantaggi vanno considerati ancora oggi, come un tempo, la relativa sensibilità all’avvelenamento causato soprattutto da composti siliconici, composti contenenti piombo e da elevate concentrazioni di H2S, la generale riduzione della vita utile in caso di esposizione a gas o vapori in concentrazioni superiori al LEL e la necessità di un tenore minimo di ossigeno in atmosfera, generalmente nell’ordine del 10÷14%; peraltro alcuni noti produttori dichiarano attualmente un corretto funzionamento dei loro sensori anche in atmosfere con concentrazioni vicine al limite anaerobico.

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