تصنيف أجهزة استشعار الغاز

يُعرّف المعيار الوطني GB7665-87 أجهزة الاستشعار على النحو التالي: جهاز أو أجهزة قادرة على استشعار قياس مُحدد وتحويله إلى إشارة خرج متاحة وفقًا لقاعدة معينة. يُستخدم مستشعر الغاز للكشف عن تركيب الغاز وتركيزه. ويُعتبر عمومًا أن تعريف مستشعر الغاز يعتمد على تصنيف هدف الكشف، أي أن أي مستشعر يُستخدم للكشف عن تركيب الغاز وتركيزه يُسمى مستشعر غاز، سواءً كان ذلك بطرق فيزيائية أو كيميائية. على سبيل المثال، لا يُعتبر مستشعر قياس معدل تدفق الغاز مستشعر غاز، بينما يُعد محلل التوصيل الحراري للغاز مستشعر غاز مهمًا.

على الرغم من أنها تستخدم أحيانًا مبادئ كشف متسقة بشكل عام، إلا أن مستشعرات الغاز أصبحت منذ سبعينيات القرن الماضي قسمًا كبيرًا في مجال أجهزة الاستشعار، وتنتمي إلى فرع من فروع أجهزة الاستشعار الكيميائية. وهناك أنواع عديدة من مستشعرات الغاز شائعة في السوق:

مستشعر غاز شبه موصل

يُصنع هذا الجهاز باستخدام مادة شبه موصلة من أكسيد معدني، وتتغير موصليته بتغير تركيبة الغاز المحيط عند درجة حرارة معينة. على سبيل المثال، يُصنع مستشعر الكحول باستخدام مبدأ أنه عندما يتفاعل ثاني أكسيد القصدير مع غاز الكحول عند درجة حرارة عالية، تنخفض المقاومة بشكل حاد.

يمكن استخدام مستشعر الغاز شبه الموصل بكفاءة في المجالات التالية: الميثان، والإيثان، والبروبان، والبيوتان، والكحول، والفورمالديهايد، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والإيثيلين، والأسيتيلين، وكلوريد الفينيل، والستايرين، وحمض الأكريليك، وغيرها من الغازات. ويتميز هذا المستشعر بتكلفته المنخفضة، مما يجعله مناسبًا لاحتياجات الكشف عن الغازات في المباني المدنية.

تُعدّ الأنواع التالية من مستشعرات الغاز شبه الموصلة فعّالة في الكشف عن: الميثان (الغاز الطبيعي)، والكحول، وأول أكسيد الكربون (غاز المدن)، وكبريتيد الهيدروجين، والأمونيا (بما في ذلك الأمينات والهيدرازين). وتلبي المستشعرات عالية الجودة احتياجات الكشف الصناعي.

العيوب: يتميز هذا النوع من المستشعرات بضعف استقراره وتأثره بالبيئة المحيطة. فعلى وجه الخصوص، لا تتمتع كل مستشعرة بانتقائية فريدة، ولا يمكن تحديد معايير الإخراج بدقة. لذا، فهو غير مناسب للاستخدام في الأماكن التي تتطلب دقة قياس عالية. حالياً، تُعد اليابان (الشركة المخترعة) المورد الرئيسي لهذا النوع من المستشعرات، تليها الصين، وانضمت إليها مؤخراً كوريا الجنوبية. كما أن دولاً أخرى، مثل الولايات المتحدة، تبذل جهوداً كبيرة في هذا المجال، لكنها لم تصل بعد إلى مستوى الإنتاج العالمي. استثمرت الصين في هذا المجال موارد بشرية ووقتاً مماثلاً لليابان، ولكن بسبب سياسات الدولة وحجب المعلومات الاجتماعية وغيرها من الأسباب لسنوات عديدة، فإن جودة أداء مستشعرات الغاز شبه الموصلة الشائعة في الصين أدنى بكثير من جودة المنتجات اليابانية. أعتقد أنه مع تطور السوق وزيادة رأس المال الخاص، فقد حان الوقت لكي تصل مستشعرات الغاز شبه الموصلة المصنعة في الصين إلى مستوى اليابان بل وتتجاوزه!

مستشعر غاز من نوع الاحتراق التحفيزي

تعتمد آلية عمل المستشعر على تحضير طبقة محفزة مقاومة للحرارة العالية على سطح مقاومة البلاتين. عند درجة حرارة معينة، يحفز الغاز القابل للاحتراق عملية الاحتراق على سطح المقاومة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المقاومة وتغير قيمتها، وتعتمد قيمة هذا التغير على تركيز الغاز القابل للاحتراق. تتميز مستشعرات غاز الاحتراق التحفيزية بقدرتها على الكشف الانتقائي عن الغازات القابلة للاحتراق، حيث ترصد أي غاز قابل للاحتراق، بينما لا تستجيب لأي غاز غير قابل للاحتراق. مع وجود استثناءات عديدة لهذه القاعدة، إلا أن الانتقائية صحيحة بشكل عام. يتميز مستشعر غاز الاحتراق التحفيزي بدقة القياس، وسرعة الاستجابة، وطول العمر الافتراضي. يرتبط خرج المستشعر ارتباطًا مباشرًا بمخاطر الانفجار في البيئة، مما يجعله من المستشعرات الرائدة في مجال الكشف عن السلامة.

العيوب: في نطاق الغازات القابلة للاشتعال، لا توجد انتقائية. النار مشتعلة، وهناك خطر نشوب حريق. معظم الأبخرة العضوية الأولية سامة للمستشعر.

يوجد الموردون الرئيسيون لأجهزة الاستشعار في الصين واليابان والمملكة المتحدة (الدولة المخترعة)! تُعد الصين أكبر مستخدم (مناجم الفحم) لهذا النوع من أجهزة الاستشعار، كما أنها تمتلك أفضل تقنيات إنتاج أجهزة الاستشعار، على الرغم من وجود جهات مختلفة تتدخل في الدعاية لتشويه فهم الجمهور لهذا النوع من أجهزة الاستشعار، إلا أن الشركات المصنعة الرئيسية لأجهزة استشعار غاز الاحتراق التحفيزي محلية.

مستشعر غاز من نوع الخلية الموصلة للحرارة

لكل غاز موصلية حرارية خاصة به، وعندما تختلف الموصلية الحرارية لغازين أو أكثر اختلافًا كبيرًا، يمكن تمييز نسبة أحد المكونات باستخدام عنصر الموصلية الحرارية. وقد استُخدم هذا المستشعر للكشف عن الهيدروجين، وثاني أكسيد الكربون، والميثان بتركيزات عالية.

يتميز مستشعر الغاز بنطاق تطبيق ضيق والعديد من العوامل المحددة.

إنه منتج تقليدي يُصنع في جميع أنحاء العالم، وجودة المنتجات متقاربة عالميًا.

مستشعر الغاز الكهروكيميائي

تتمتع نسبة كبيرة من الغازات القابلة للاشتعال والسامة والضارة بنشاط كهروكيميائي ويمكن أكسدتها أو اختزالها كهروكيميائياً.

باستخدام هذه التفاعلات، يمكن تمييز تركيب الغاز وتحديد تركيزه. وتنقسم أجهزة استشعار الغاز الكهروكيميائية إلى فئات فرعية عديدة:

1. مستشعرات الغاز الأساسية التي تعمل بالبطاريات (وتُعرف أيضًا باسم مستشعرات الغازات التي تعمل بالبطاريات الجافة، باستثناء استبدال أقطاب الكربون والمنغنيز بأقطاب الغاز). في حالة مستشعر الأكسجين، يُختزل الأكسجين عند المهبط، وتتدفق الإلكترونات عبر الجلفانومتر إلى المصعد، حيث يتأكسد معدن الرصاص. تتناسب شدة التيار طرديًا مع تركيز الأكسجين. يمكن للمستشعر الكشف بكفاءة عن الأكسجين وثاني أكسيد الكبريت والكلور، وغيرها.

2. مستشعر الغاز ذو الخلية الإلكتروليتية ذات الجهد الثابت، وهو فعال للغاية في الكشف عن الغازات المختزلة، ويختلف مبدأ عمله عن مستشعر الخلية التقليدي، حيث يحدث تفاعله الكهروكيميائي تحت تأثير التيار الكهربائي، وهو مستشعر تحليل كولوم حقيقي. وقد استُخدم هذا المستشعر بنجاح في الكشف عن أول أكسيد الكربون، وكبريتيد الهيدروجين، والهيدروجين، والأمونيا، والهيدرازين، وغيرها من الغازات، وهو المستشعر الرئيسي للكشف عن الغازات السامة والضارة.

3. مستشعر الغاز من نوع خلية التركيز، حيث يقوم الغاز ذو النشاط الكهروكيميائي على جانبي الخلية الكهروكيميائية بتكوين قوة دافعة كهربائية تركيزية بشكل تلقائي، وترتبط قيمة القوة الدافعة الكهربائية بتركيز الغاز، ومن الأمثلة الناجحة لهذا المستشعر مستشعر الأكسجين للسيارات، ومستشعر ثاني أكسيد الكربون من نوع الإلكتروليت الصلب.

4. يتعلق الاختراع بمستشعر غاز من نوع تيار الحد، وهو مستشعر لقياس تركيز الأكسجين، ويستخدم مبدأ أن تيار الحد في الخلية الكهروكيميائية مرتبط بتركيز الناقل لإعداد مستشعر تركيز الأكسجين (الغاز)، والذي يستخدم للكشف عن الأكسجين في المركبات والكشف عن تركيز الأكسجين في مياه الصلب.

يتواجد الموردون الرئيسيون لهذا المستشعر الآن في جميع أنحاء العالم، وخاصة في ألمانيا واليابان والولايات المتحدة، وانضم إليهم مؤخراً العديد من الموردين الأوروبيين الجدد: بريطانيا وسويسرا، إلخ. بدأت الصين مبكراً في هذا المجال، لكن عملية التصنيع لم تكن فعالة.

مستشعر غاز بالأشعة تحت الحمراء

معظم الغازات لها قمم امتصاص مميزة في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، ويمكن تحديد تركيز الغاز عن طريق الكشف عن امتصاص موضع قمم الامتصاص المميزة.

كان هذا المستشعر في السابق جهازًا تحليليًا ضخمًا، ولكن في السنوات الأخيرة، ومع تطور صناعة المستشعرات القائمة على تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، انخفض حجمه من 10 لترات، أي ما يعادل 45 كيلوغرامًا من وجبة بيج ماك، إلى حوالي 2 مل (بحجم الإبهام). وبفضل استخدام كاشف الأشعة تحت الحمراء دون مصدر ضوئي مُعدِّل، أصبح الجهاز خاليًا تمامًا من الأجزاء الميكانيكية المتحركة والصيانة.

يستطيع مستشعر الغاز بالأشعة تحت الحمراء التمييز بين أنواع الغازات بفعالية وقياس تركيز الغاز بدقة.

تم استخدام هذا المستشعر بنجاح للكشف عن: ثاني أكسيد الكربون والميثان.

المورد الحالي لهذا "المستشعر" موجود في أوروبا! أما الصين، فهي الآن شبه غائبة عن هذا المجال!

مستشعر الأكسجين المغناطيسي

هذا هو جوهر جهاز تحليل الأكسجين المغناطيسي، ولكنه حقق أيضًا عملية "الاستشعار".

يتم تحضيره وفقًا لمبدأ أن الأكسجين الموجود في الهواء يمكن جذبه بواسطة مجال مغناطيسي قوي.

يُستخدم هذا المستشعر حصراً للكشف عن الأكسجين، ويتميز بانتقائية فائقة. لا يؤثر عليه سوى أكاسيد النيتروجين الموجودة في الغلاف الجوي تأثيراً طفيفاً، ولكن نظراً لأن تركيز هذه الغازات المتداخلة غالباً ما يكون ضئيلاً جداً، فإن انتقائية تقنية تحليل الأكسجين المغناطيسي تكاد تكون فريدة من نوعها!

منتجات صناعية راسخة، ولها مصنعون في جميع أنحاء العالم. (أتحدث بالطبع عن جهاز تحليل الأكسجين كجهاز قياس منفرد، والذي يمكن اعتباره مستشعرًا ضمن نطاق معين). وهذا المنتج، المُصنّع على شكل مستشعرات خالصة، هو أمر حديث.

آحرون

في السنوات الأخيرة، ومع التطور التكنولوجي المتواصل، شهدت تكنولوجيا أجهزة استشعار الغاز ثورة مماثلة. وتتزايد أنواع هذه الأجهزة باستمرار. ومع ذلك، يبقى تصنيف بعض أجهزة الاستشعار ضمن فئة أجهزة استشعار الغاز أمرًا مثيرًا للجدل، فمثلاً: كاشف PID، على الرغم من استخدامه في كشف الغازات، إلا أنه صغير الحجم، ولكنه لا يعمل بدون صيانة، لذا يُصنف ضمن فئة "أجهزة الكشف". إضافةً إلى ذلك، تشهد أجهزة الاستشعار الضوئية القائمة على الألياف الضوئية تطورًا سريعًا، ورغم أنها لا تُشكل تهديدًا مباشرًا لأجهزة الاستشعار الإلكترونية، إلا أن مزاياها الفريدة قد تُصبح بارزة في المستقبل. أخيرًا، ولأغراض تجارية، قد يُبالغ بعض تجار أجهزة استشعار الغاز في وصف قدرات جهاز معين، ويُخلطون بين أنواع أجهزة الاستشعار، مما يُعيق استخدامها الأمثل. في الواقع، يُعد استخدام أجهزة الاستشعار أمرًا بالغ الأهمية، تمامًا كصناعتها.