Каталітичні кулькові або «пеллісторні» датчики були розроблені в 1960-х роках як більш точна заміна канарок як систем раннього попередження про токсичні та вибухонебезпечні гази в шахтах. Конструкція датчика включає платинову котушку, вбудовану в кульку оксиду алюмінію, покриту каталізатором.
Зразок газу окислюється або згорає під час контакту з каталізатором, викликаючи підвищення температури кульки, що, у свою чергу, призводить до зміни опору платинової котушки. Виміряна зміна опору вказує на кількість присутнього горючого газу
Датчик по-різному реагує на різні типи горючих газів через чотири основні причини:
- Теплота згоряння. Різні гази горять при різних температурах, викликаючи різну кількість тепла, що передається кульці, і, отже, різні зміни опору через платинову котушку.
- Нижня межа вибуховості (НМВ). Кожен горючий газ має певну концентрацію в повітрі, при якій він стає вибухонебезпечним. Коли датчик відображає відсоткове значення LEL, це базується на концентрації LEL для конкретного еталонного газу. Не дивно, що гази з вищим об’ємним відсотком, необхідним для їх LEL, також мають вищі вихідні сигнали на каталітичних кулькових датчиках.
- Дифузія внаслідок броунівського руху. Молекули газу дифундують через повітря та фільтри, причому швидкість значною мірою залежить від їх молекулярного розміру. Великі молекули газу, такі як довгі вуглеводневі ланцюги, дифундують повільніше, ніж менші молекули, такі як метан.
- Реакційна здатність каталізатор-газ. Горючі гази по-різному реагують на різні покриття каталізатора. Одне покриття може сильно реагувати на певний газ, але слабко на інший газ.
Незважаючи на те, що каталітичні кулькові датчики використовуються вже понад 60 років, вони дуже мало змінилися з часом. Більшість удосконалень було зосереджено на матеріалах каталізатора, які використовуються для покриття кульок оксиду алюмінію, разом із зменшенням розміру кульок для зменшення необхідної потужності, але більшість конструкції залишається незмінною.
Під час нормальної роботи датчика гази, реагуючи з каталізатором, можуть поглинати покриття каталізатора, поступово погіршуючи чутливість, викликаючи дрейф сигналу та скорочуючи термін служби датчика. Через це стандартний термін служби каталітичних кулькових датчиків становить 3-5 років (на більшість із гарантією надається два роки), їх необхідно калібрувати та перевіряти щодня, але не рідше ніж кожні 90 днів.
Каталітичні кулькові датчики також сприйнятливі до отруєння різноманітними матеріалами, які зазвичай зустрічаються в нафтових і газових установках, включаючи силіконові пари, сполуки сірки, такі як сірководень (H2S), і галогеновані вуглеводні, такі як ті, що використовуються для гасіння пожежі. Ці хімічні речовини постійно знижують і, зрештою, повністю погіршують чутливість каталітичного сенсора, поки він взагалі не перестане реагувати на газ, що є потенційно небезпечним станом.
Оскільки сенсори з каталітичними кульками спалюють цільовий газ у комірці датчика, вони зазвичай не є іскробезпечними, тому для запобігання займанню газів навколишнього середовища необхідно використовувати полум’ягасник. Цей полум’ягасник значно знижує реакцію датчика на великі вуглеводні, такі як ті, що містяться в дизельному бензині та авіаційному паливі. Датчик показуватиме низькі значення навіть за високих концентрацій цих газів.
Для горіння цільового газу в навколишньому середовищі також повинен бути присутнім кисень. Датчики Pellistor не працюватимуть в інертній, збідненій киснем атмосфері, яка зустрічається на багатьох нафтових і газових роботах.
Для роботи каталітичних кулькових сенсорів потрібна потужність близько 225 мВт. Для середньостатистичного портативного детектора з чотирма газами каталітичний кульковий датчик LEL зазвичай забезпечує більше половини загальної споживаної потужності пристрою, що призводить до типового часу роботи 10-20 годин, перш ніж детектор потрібно буде зарядити.