Monitorizare senzori

Conf. dr. ing. Igor Cretescu

Introducere

Senzorii sunt dispozitive care sesizeazăvariaţia unui parametru din sistem prin emiterea desemnal corespunzător, corelat cu mărimea(intensitatea) parametrului respectiv. Se mainumesc traductoare acele dispozitive care care auo construcţie mai complexă (ce include şi alteelemente auxiliare). Senzorii (traductoarele) aurolul de a transforma anumiţi parametri aisistemului în mărimi de altă natură. Parametrul detransformat formează semnalul de intrare altraductorului, iar cel transformat semnal de ieşire.

Clasificarea senzorilor şi traductoarelor utilizate în controlul factorilor de mediu

In ideea controlului calităţii factorilor demediu după destinaţie, distingem trei categoriide senzori:a)pentru determinarea poluanţilor carecontaminează factorii de mediu;b) pentru determinarea componenţilor din careeste alcătuit în mod natural factorul de mediusupravegheat;c) pentru determinarea unor mărimi dependentede factorul natural şi climatic

a) Contaminarea factorilor de mediu

se poate realiza cu sau fără intervenţia omului provocândmodificări fizico-chimice sau biologice ale acestora. Atunci cândaceste modificări depăşesc un anumit prag şi se menţin un timpîndelungat se instalează fenomenul de poluare. După naturaagenţilor care au produs modificarea echilibrului biologic, fizico-chimic al ecosistemului se pot defini următoarele tipuri principale depoluare: chimică; fizică:- termica

- fonica- radioactiva

biologică.

b) Senzori pentru determinarea compuşilor care alcătuiesc

în mod natural factorul de mediu studiat

Aer: - determinarea gazelor din compoziţia atmosferei nepoluate:O2, CO2, etc.

- determinarea umidităţii Apă: - determinarea conductivităţii (conţinutul total de săruri)

- determinarea gradului de turbiditate- determinarea nivelului, debitului si/sau vitezei apei

Sol: - presiunea vaporilor de apa în sol- umiditatea- determinarea compoziţiei solului nepoluat: carbonaţi, săruri

de calciu, de magneziu etc., precum si existenţa unormicroelemente

c) Mărimi dependente de factorii naturali sauclimatici

temperatura, presiunea, viteza vântului,umiditatea aerului, intensitatea luminoasă,radioactivitatea naturală, nivelul si debitul apei.

Clasificarea senzorilor şi a traductoarelor după

principiul de funcţionare

După acest principiu senzorii se împart în:1. senzori electrochimici2. senzori optici3. biosenzori4. alte tipuri de senzori

1. Senzori electrochimici

Mărimea de intrare este, în general, o specie de naturachimică, iar mărimea de ieşire este o mărime de naturăelectrică.

Funcţie de natura mărimii electrice, senzorii electrochimicise împart în:- senzori potenţiometrici la care mărimea de ieşire esteun potenţial;- senzori amperometrici la care mărimea de ieşire esteun curent;- senzori conductometrici la care mărimea de ieşire esteconductanţa, impedanţa sau rezistenţa electrica, implicitconductivitatea sau conductibilitatea specifica.

2. Senzori optici

Sunt acei senzori care se bazează pe unfenomen optic şi la care mărimea de ieşire esteo mărime de natură optică: intensitatealuminoasă, absorbanţa, transmitanţa, difuzia.Astfel, spre exemplu, putem mentionatraductoare (senzori) de tip colorimetric,nefelometric sau turbidimetric, care folosesc caelemente fotosensibile: celule fotoelectrice,semiconductori fotosensibili (exemplu: fotodioda,fotorezistorul, etc.)

3. Biosenzori

Sunt senzori care au o interfata de natură biologicăsau biochimică, care este foarte selectiva la prezenta inmediul de analizat a unui compus specific, ce poate fideterminat prin detecţia (electrochimica, optica etc.) asemnalului obţinut prin interacţiunea dintre acest compussi biointerfata respectiva. La rândul lor, biosenzorii pot fide natura:

- enzimaticã;- microbianã;- imunologica.

Alte tipuri de senzori

a) senzori piezoelectrici si acusticib) senzori electronici:

1) de tip semiconductori: integraţi, pe bazatehnologiei MOS-FET;

2) de tip oxizi-semiconductori3) senzori rezistivi: chemorezistori si termorezistori.

c) senzori bazaţi pe proprietăţi magnetice;d) senzori bazaţi pe radiaţia ionizantă.

Caracteristicile senzorilor (traductoarelor)Caracteristicile primare ale senzorilor (traductoarelor)

Principalele caracteristici primare ale senzorilor (traductoarelor)folosite in controlul factorilor de mediu, cu referire in special la calitateaapei, sunt următoarele:

1. Funcţia de transfer2. Sensibilitatea3. Selectivitatea (specificitatea)4. Stabilitatea5. Timpul de răspuns6. Gradul de participare al senzorului7. Siguranţa în exploatare8. Economicitate

1. Funcţia de transfer - este caracteristica cea mai importantă aunui senzor. Reprezintă expresia relaţiei dintre semnalul de intrare(de exemplu, concentraţia unei anumite specii de determinat,temperatura, presiunea, etc.) şi semnalul de ieşire al senzorului.2. Sensibilitatea (limita de detecţie) - este definită dreptconcentraţia cea mai scăzută în specia urmărită, care conduce laapariţia unui semnal care poate fi distins de semnalul obţinut prinmăsurători paralele în probele martor.3. Selectivitatea unui traductor se referă la efectul interferenţelorcauzate de ioni sau molecule, altele decât specia urmărită. Întrucâtla marea majoritate a traductoarelor nu se poate asigura un procentde 100 % a selectivităţii, este important sa se cunoască limitele deselectivitate într-o soluţie test dată.4. Stabilitatea semnalului în timp: această caracteristică primară sereferă, în general, la modificarea performanţelor traductoarelor (T) întimp din cauza unor diverşi factori. Cunoaşterea stabilităţiisenzorului (traductorului) în timp permite stabilirea frecvenţei deverificare şi recalibrare a acestuia.

5. Timpul de răspuns: decalajul în timp dintre variaţia semnaluluide intrare şi variaţia corespunzătoare semnalului de ieşire atraductorului respectiv.6. Gradul de participare al senzorului - gradul de participare alsenzorului la interacţiunea cu sistemul studiat trebuie să fie redusdatorită eliminării perturbaţiilor cauzate de prezenţa senzorului însistem (exemplu: consum de materii).7. Siguranţa în exploatare - presupune asigurarea unui grad defiabilitate a sistemului de măsură, care este garantat de producătorpentru o anumita durată de funcţionare a traductorului si este dedorit să fie cât mai mare.Fiabilitatea sistemului de măsură este definita ca numărul maxim dedefecţiuni a sistemului intr-un anumit interval de timp. In acestecondiţii, traductorul trebuie să realizeze măsurarea mărimilor doriteîn conformitate cu caracteristicile stabilite de producător.8. Economicitatea este o caracteristica a unui senzor (traductor),care se poate realiza pornind de la producător şi ajungând pânã lautilizator. La producător, economicitatea se poate realiza fie prinîntrebuinţarea unor materiale cu preţ de cost redus, fie prinintroducerea robotizãrii in procesul de fabricaţie de serie, folosindtehnologii de tip hightech (de exemplu: fabricarea senzorilor de tipmicro-chip).

Erori întâlnite in procesul de măsurare

erorile sistematice sunt constante pentru un instrument dat si efectele lor pot fi înlăturate; valorile acestora se determină prin calibrare;

erorile aleatorii nu pot fi înlăturate dar pot fi reduse prin măsurări repetate. Parametri calibrării utilizaţi pentru definirea preciziei (erorii) sunt următorii: rezoluţia sensibilitatea linearitatea histerezisul repetabilitatea/precizia /reproductibilitatea

Caracteristicile secundare ale senzorilor

Caracteristicile secundare ale unui senzor sunt definite ca efecteindirecte ale funcţionării senzorului in condiţii diferite ambientale,asupra răspunsului generat de sistemul de analiza realizat pe bazasenzorului.

Caracteristicile secundare ale senzorilor sunt necesare pentruasigurarea unor modalităţi tehnice de compensare sau auto-compensare a influentei condiţiilor de analiză asupra validităţiirezultatelor măsurătorilor. Dacă in cadrul unor măsurători a calităţiiapelor de suprafaţa, o serie de parametri pot fi menţinuţi constanţi(cum ar fi: viteza de agitare la suprafaţa membranei senzorului de tipelectrod ion selectiv, presiunea apei în celulele de măsurare a gazelordizolvate, folosind membrane gaz permeabile), influenta altorparametri (cum ar fi: temperatura, tăria ionică etc.) asupra răspunsuluigenerat de senzori este relativ greu de cuantificat. Din aceasta cauzase impune compensaţia răspunsului senzorilor la influenta unor mărimicaracteristici secundare.

SENZORI ELECTROCHIMICI

In procesele de monitorizare a mediului destinaţiaunui senzor electrochimic este să furnizeze informaţii întimp real despre compoziţia chimică a mediuluiînconjurător. Ideal un astfel de dispozitiv este capabil sărăspundă în mod continuu şi reversibil fără a perturbaproba. Astfel de dispozitive constau într-un elementtraductor în contact cu un element sensibil carerealizează ”recunoaşterea” speciilor chimice, furnizândinformaţia analitică sub forma unui semnal electric înurma interacţiunii cu specia de analizat. În funcţie denatura analizei şi a speciei analizate se pot utilizadiverse tipuri de dispozitive electrochimice, care pot ficlasificate, în funcţie de natura semnalului electric, în: senzori potenţiometrici; senzori amperometrici; senzori conductometrici.

Senzori potenţiometrici

Prin senzor potentiometric se înţelege acel senzorcare transformă concentraţia unei specii de determinatîntr-o diferenţă de potenţial, în condiţii de curent net egalcu zero.

Schema de principiu a unui traductor potenţiometriceste prezentată în figura 1 şi este, de fapt, o celulăelectrochimică în care se introduce soluţia de analizat şiun sistem de electrozi format dintr-un electrod dereferinţă şi un electrod indicator (senzor potenţiometric)care îşi modifică potenţialul în funcţie de speciaelectroactivă din soluţia de analizat.

Fig.1. Schema unei celule potenţiometrice

Cel mai frecvent, senzorul potentiometric seprezintă sub forma unei membrane, o fază careintercalată între alte două faze, previne transportul haoticde masă între acestea, permiţând trecerea cu anumitegrade de libertate a uneia sau a mai multor specii chimice.

Există senzori potenţiometrici şi fără membrane,cum a fi electrozii metalici, care pot fi de mai multe tipuri:

a) un element metalic de speţa I este format dintr-unmetal în contact cu o soluţie în care se află ionii săi;

b)electrodul de platină: pentru determinăripotenţiometrice de oxido-reducere;

c) electrodul de stibiu, chinhidronă: pentru determinăride pH.

Electrodul de sticlă

Fig.2. Schema constructivă a electrodului de sticlă

Este constituit dintr-un corp confecţionat din sticlă(1) terminat la partea inferioară cu o membrană din sticlă(2) cu o grosime de ordinul micronilor. Membrana serealizează dintr-o sticlă specială obţinută prin modificare înstructura sticlei obişnuite sau adăugare de săruri de Ca,Mg, Li, etc. Soluţia internă (faza 3) (3) care scaldă parteainferioară a membranei este constituită dintr-o soluţietampon (buffer) cu o valoare constantă a pH-ului ales îndependenţă de domeniul de pH în care se va utilizaelectrodul. Electrodul de referinţă intern (4) este un electrodde tipul Ag/ AgCl realizat dintr-o sârmă de Ag pe care estedepus un precipitat de AgCl. Soluţia internă este saturatăcu AgCl.

Există sisteme de electrozi combinaţi formaţi dintr-un electrod de sticlă şi un electrod de referinţă amplasaţi înacelaşi corp.

Fig.6. Schema constructivă a unui electrod de sticlă pH sensibil combinat:1 – membrană de sticlă; 2 – corp de sticlă; 3 – ecranare; 4 – soluţie internă; 5

– element interior de referinţă; 6 – capac; 7 – cablu coaxial.

Este un electrod combinat care include atâtelectrodul de sticlă cât şi electrod de referinţă intern şiextern.

1. membrană de sticlă sensibilă la pH ;2. electrod de referinţă intern ;3. frită (joncţiune realizată din sticlă poroasă;

aceasta nu permite curgerea lichidului de umplere B înexterior dar permite schimbul ionilor, deci realizeazăcontactul electric cu soluţia externă al cărui pH nepropunem să-l măsurăm) ;

4. electrod de referinţă extern ;5. corpul electrodului combinat ;6. ştuţ care permite umplerea, respectiv schimbarea

soluţiei de electrolit pentru electrodul de referinţă.

Electrodul membrană ion selectiv cu

membrană solidă

Fig.7. Schema constructivă a electrodului membrană ion selectivcu membrană solidă

Senzori amperometrici

Semnalul util (mărimea de ieşire) a unui senzor amperometriceste obţinut sub formă de curent a cărui intensitate depinde demărimea de intrare (concentraţie, temperatură, etc). Construcţia,performanţele de aplicare ale senzorilor amperometrici destinaţideterminării speciilor chimice depind de natura semnalului de excitareşi de condiţiile în care se realizează transportul speciei analizate spreelectrod. Dacă soluţia adiacentă electrodului nu este agitată intervineproblema dependenţei de timp a semnalului măsurat. Pentrudiminuarea acestui inconvenient se recomandă o serie de soluţii:

1. utilizarea de electrozi în regim hidrodinamic;2. interpunerea între probă şi electrod a unei membrane care

să delimiteze stratul de difuzie;3. pulsarea potenţialului electrodului de la o valoare iniţială

corespunzătoare zonei de inactivitate electrochimică la o valoarefinală din zona de activitate electrochimică controlată de transportul demasă;

4. utilizarea de micro-electrozi.

SENZORI OPTICI

Senzorii optici în controlul calităţii mediului servescîn general la măsurări turbidimetrice sau la determinări deabsorbţie (culoarea apei, analize colorimetrice).1. Tehnici nefelometrice

Metoda cel mai des utilizată în determinareaconcentraţiei în suspensii se bazează pe măsurareatransmisiei şi respectiv difuziei a unei radiaţii luminoase launa sau mai multe lungimi de undă.

2. Exemple de dispozitive fotosensibile

Fotorezistorul: este un rezistor electric având la întuneric o valoaremare a rezistenţei care scade prin iluminare cu câteva ordine demărime.

Pentru domeniul vizibil fotorezistorii se fabrică din: sulfură de cadmiu (Cd S ) sau seleniură de cadmiu (Cd Se ) având o sensibilitatespectrală sub forma unui vârf care se plasează între 5300 - 7000 A.

Pentru domeniul IR fotorezistorii se realizează din germaniu dopat cuAu, Hg, Cu. Se mai folosesc aliaje: Ge-Si.

Fotodioda: este o diodă ce constă dintr-o joncţiunep-n care poate fi iluminată pe la partea în care există stratulp sau n cu grosimea cea mai mică. Fotonii care cad pematerial pătrund pînă la diferite adâncimi şi genereazăperechi electron - gol. Acestia străbat regiunea de sarcinăspaţială fiind dirijaţi spre capete ca şi purtătorii generaţitermic. In felul acesta se măreşte curentul rezidual(fotocurent) în mod proporţional cu intensitatea fluxuluiluminos incident. Spre deosebire de fotorezistenţă undecurentul care traversează dispozitivul depinde atât deiluminare cât şi de tensiunea aplicată la borne, fotodiodaare un curent constant în raport cu tensiunea.

Fig.3. Fotodiodăa. Structură fizică ; b. Caracteristici curent - tensiune;

Fotocelula (fotoelementul ): este în esenţă o joncţiune p-nsupusă iluminării, dar spre deosebire de fotodiodă nu este polarizată cutensiune internă.

Fototranzistorul:Este un tranzistor ce se comportă ca ofotodiodă cu amplificator de curent. Spre deosebire de diodăsensibilitatea acestui dispozitiv este de ori mai mare, unde -coeficientul de amplificare al tranzistorului.

Fig.4. Fototranzistorul

BIOSENZORI

Definiţie: poate fi definit ca un dispozitiv, de obicei electronic,care foloseşte moleculele de interes biologic pentru a detecta moleculespecifice. Biosenzorul constă dintr-un element biologic imobilizat pe unsenzor fizico-chimic clasic care transformă informaţia chimică într-unsemnal electric.

O clasificare a biosenzorilor după natura senzorului fizico-chimic folosit în prelucrarea informaţiilor prelevate de la elementulbiologic ar determina o clasificare a biosenzorilor astfel:

- biosenzori realizaţi pe baza senzorilor electrochimici(potenţiometrici, amperometrici, conductometrici);

- biosenzori realizaţi pe baza unor senzori termici;- biosenzori optici;- biosenzori electromagnetici;- biosenzori electronici.

Biosenzori electrochimici

Biosenzorii au ocupat o poziţie importantă printre modalităţileactuale de probare biologică şi deţin o promisiune mare în domeniulmonitorizării mediului înconjurător. Astfel de dispozitive constau îndouă componente: o entitate biologică care recunoaşte ţinta analizei şiun electrod traductor care transformă biorecunoaşterea în semnalelectric utilizabil.

Fig 5. Biosenzor electrochimic: biorecunoaştere şi semnal de traductor