مبدأ عمل جهاز تحليل محتوى الأكسجين، المستشعر

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 تدفق الغاز مستشعر غاز، بينما يُعد محلل التوصيل الحراري للغاز مستشعر غاز مهمًا، على الرغم من أنهما يستخدمان أحيانًا مبادئ كشف متسقة بشكل عام.

منذ سبعينيات القرن الماضي، أصبح جهاز استشعار الغاز قسمًا كبيرًا في مجال أجهزة الاستشعار، وينتمي إلى فرع من أجهزة الاستشعار الكيميائية.

توجد أنواع معينة من أجهزة استشعار الغاز شائعة في السوق:

1. مستشعر غاز شبه موصل

يُصنع هذا النوع من أجهزة استشعار الغاز باستخدام مواد أشباه الموصلات من أكاسيد المعادن، وتتغير موصليته بتغير تركيب الغاز المحيط عند درجة حرارة معينة. على سبيل المثال، يُصنع مستشعر الكحول باستخدام مبدأ انخفاض المقاومة بشكل حاد عند تعرض ثاني أكسيد القصدير لغاز الكحول عند درجة حرارة عالية. يمكن استخدام مستشعر الغاز شبه الموصل بكفاءة في المجالات التالية: الميثان، الإيثان، البروبان، البيوتان، الكحول، الفورمالديهايد، أول أكسيد الكربون، ثاني أكسيد الكربون، الإيثيلين، الأسيتيلين، كلوريد الفينيل، الستايرين، حمض الأكريليك، وغيرها من الغازات. يتميز هذا المستشعر بتكلفته المنخفضة، مما يجعله مناسبًا لاحتياجات الكشف عن الغازات في المباني. وقد أثبتت الأنواع التالية من مستشعرات الغاز شبه الموصلة نجاحها في الكشف عن: الميثان (الغاز الطبيعي)، الكحول، أول أكسيد الكربون (غاز المدن)، كبريتيد الهيدروجين، والأمونيا (بما في ذلك الأمينات والهيدرازين). كما تلبي 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!

2. مستشعر غاز من نوع الاحتراق التحفيزي

تتمثل وظيفة المستشعر في تحضير طبقة محفزة مقاومة لدرجات الحرارة العالية على سطح المقاومة البلاتينية، وعند درجة حرارة معينة، يحفز الغاز القابل للاحتراق الاحتراق على سطح المقاومة البلاتينية، ويؤدي الاحتراق إلى ارتفاع درجة حرارة المقاومة البلاتينية، وتغير المقاومة، وقيمة التغير هي دالة لتركيز الغاز القابل للاحتراق.

تستشعر مستشعرات غاز الاحتراق التحفيزي الغازات القابلة للاشتعال بشكل انتقائي: أي غاز قابل للاحتراق يمكنه الكشف عنه، بينما لا يستجيب لأي غاز غير قابل للاحتراق. وبالطبع، هناك استثناءات عديدة لعبارة "يمكنه الكشف عن أي شيء قابل للاحتراق"، ولكن بشكل عام، فإن الانتقائية صحيحة. يتميز مستشعر غاز الاحتراق التحفيزي بدقة القياس، وسرعة الاستجابة، وطول العمر التشغيلي. ويرتبط خرج المستشعر ارتباطًا مباشرًا بمخاطر الانفجار في البيئة، وهو من المستشعرات الرائدة في مجال الكشف عن السلامة.

العيوب: في نطاق الغازات القابلة للاشتعال، لا توجد انتقائية. يشتعل اللهب، وهناك خطر نشوب حريق. معظم الأبخرة العضوية الأولية سامة للمستشعر. الموردون الرئيسيون للمستشعرات هم في الصين واليابان والمملكة المتحدة (الدولة المخترعة)! تُعد الصين أكبر مستخدم لهذا المستشعر (مناجم الفحم)، كما أنها تمتلك أفضل تقنيات إنتاج المستشعرات، على الرغم من وجود جهات مختلفة تتدخل في الدعاية لتشويه فهم الجمهور لهذا المستشعر، إلا أن معظم مصنعي مستشعرات غاز الاحتراق التحفيزي محليون.

3. مستشعر غاز من نوع حوض السباحة موصل 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 استخدام محدود وعوامل تقييد عديدة. إنه منتج قديم الطراز، ويُصنع في جميع أنحاء العالم، وتتشابه جودة المنتجات عالميًا.

4. مستشعر الغاز الكهروكيميائي

تتمتع نسبة كبيرة من الغازات القابلة للاشتعال والسامة والضارة بنشاط كهروكيميائي، ويمكن أكسدتها أو اختزالها كهروكيميائياً. وباستخدام هذه التفاعلات، يمكن تمييز تركيب الغاز وتحديد تركيزه. وتتنوع أنواع أجهزة استشعار الغاز الكهروكيميائية.

(1) مستشعرات الغاز الأولية 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 يشكل الغاز ذو النشاط الكهروكيميائي على جانبي الخلية الكهروكيميائية 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 هذا الاختراع بمستشعر غاز من نوع تيار الحد، وهو مستشعر لقياس تركيز الأكسجين، ويعتمد على مبدأ ارتباط تيار الحد في الخلية الكهروكيميائية بتركيز حاملات الشحنة لتحضير مستشعر تركيز الأكسجين (الغاز). يُستخدم هذا المستشعر للكشف عن الأكسجين في المركبات وفي مياه الشرب. يتوزع الموردون الرئيسيون لهذا المستشعر حاليًا في جميع أنحاء العالم، وخاصة في ألمانيا واليابان والولايات المتحدة، وانضمت مؤخرًا عدة موردين أوروبيين جدد، مثل بريطانيا وسويسرا. بدأت الصين مبكرًا في هذا المجال، إلا أن عملية التصنيع لم تكن فعالة.

5. مستشعر الغاز بالأشعة تحت الحمراء

تتميز معظم الغازات بقمم امتصاص مميزة في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، ويمكن تحديد تركيز الغاز من خلال رصد امتصاص هذه القمم. كان هذا المستشعر في السابق جهازًا تحليليًا ضخمًا، ولكن مع تطور صناعة أجهزة الاستشعار القائمة على تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) في السنوات الأخيرة، انخفض حجمه من 10 لترات (ما يعادل 45 كيلوغرامًا من حجم وجبة بيج ماك) إلى حوالي 2 مل (بحجم الإبهام). وبفضل استخدام كاشف الأشعة تحت الحمراء دون الحاجة إلى مصدر ضوئي مُعدِّل، أصبح الجهاز خاليًا تمامًا من الأجزاء الميكانيكية المتحركة والصيانة. يتميز مستشعر الغاز بالأشعة تحت الحمراء بقدرته على التمييز بين أنواع الغازات بكفاءة وقياس تركيزها بدقة.

استُخدم هذا المستشعر بنجاح في الكشف عن ثاني أكسيد الكربون والميثان. المورّد الحالي لهذا "المستشعر" موجود في أوروبا! أما الصين، فهي الآن شبه غائبة عن هذا المجال!

6. 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 إلا أكاسيد النيتروجين (NOx) الموجودة في الغلاف الجوي تأثيراً طفيفاً، ولكن نظراً لانخفاض تركيز هذه الغازات المتداخلة، فإن انتقائية تقنية تحليل الأكسجين المغناطيسي تكاد تكون فريدة من نوعها! وقد رسّخت هذه التقنية مكانتها في السوق الصناعية، ولها مصانع في جميع أنحاء العالم. (أتحدث هنا، بالطبع، عن جهاز تحليل الأكسجين كجهاز قياس، والذي يمكن اعتباره مستشعراً ضمن نطاق محدد). أما هذا المنتج، الذي يُصنع على شكل مستشعرات نقية، فهو منتج حديث نسبياً.

7. آخرون

في السنوات الأخيرة، ومع التطور المستمر للتكنولوجيا، شهدت تكنولوجيا أجهزة استشعار الغاز ثورة مماثلة. كما ازداد تنوع هذه الأجهزة بشكل ملحوظ. ومع ذلك، لا يزال تصنيف بعض أجهزة الاستشعار ضمن فئة أجهزة استشعار الغاز مثيرًا للجدل، فمثلاً: كاشف PID، على الرغم من استخدامه في الكشف عن الغازات، ورغم صغر حجمه، إلا أنه لا يمكن الاستغناء عن صيانته تمامًا، لذا يُصنف هذا النوع من الأجهزة، مهما صغر حجمه، ضمن فئة "أجهزة الكشف".

بالإضافة إلى ذلك، تشهد المستشعرات الضوئية القائمة على الألياف الضوئية تطورًا سريعًا، ورغم أنها لا تُشكل تهديدًا مطلقًا للمستشعرات الإلكترونية، إلا أن مزاياها الفريدة قد تكون باهرة في المستقبل. أخيرًا، ولأغراض تجارية، قد يُبالغ بعض تجار بيع مستشعرات الغاز في قدرات مستشعر معين، ويُشوشون تصنيف المستشعرات، مما يُعيق استخدامها الأمثل. في الواقع، يُعدّ استخدام المستشعرات موضوعًا لا يقل أهمية عن تصنيعها.