اصل آنالایزر محتوای اکسیژن، سنسور
طبقهبندی حسگرهای گاز
استاندارد ملی GB7665-87 حسگرها را اینگونه تعریف میکند: حسگر وسیلهای است که قادر به حس کردن یک اندازهگیری از پیش تعیینشده و تبدیل آن به یک سیگنال خروجی قابل دسترس طبق یک قاعده خاص است. حسگر گاز برای تشخیص ترکیب و محتوای گاز استفاده میشود. به طور کلی در نظر گرفته میشود که تعریف حسگر گاز بر اساس طبقهبندی هدف تشخیص است، یعنی هر حسگری که برای تشخیص ترکیب و غلظت گاز استفاده میشود، حسگر گاز نامیده میشود، چه از طریق روشهای فیزیکی و چه شیمیایی. به عنوان مثال، حسگر جریان گاز به عنوان حسگر گاز در نظر گرفته نمیشود، اما آنالایزر گاز رسانایی حرارتی یک حسگر گاز مهم است، اگرچه گاهی اوقات از اصول تشخیص عموماً ثابتی استفاده میکنند.
از اوایل دهه 1970، حسگرهای گازی به یک بخش بزرگ در حوزه حسگرها تبدیل شدند که متعلق به شاخهای از حسگرهای شیمیایی است.
برخی از انواع حسگرهای گاز در بازار محبوب هستند:
۱. حسگر گاز نیمههادی
این حسگر با استفاده از برخی مواد نیمهرسانای اکسید فلزی ساخته میشود و رسانایی آن با تغییر ترکیب گاز محیط در دمای خاص تغییر میکند. به عنوان مثال، حسگر الکل با استفاده از این اصل ساخته میشود که وقتی دیاکسید قلع در دمای بالا با گاز الکل مواجه میشود، مقاومت آن به شدت کاهش مییابد. حسگر گاز نیمهرسانا میتواند به طور مؤثر در زمینههای زیر استفاده شود: متان، اتان، پروپان، بوتان، الکل، فرمالدئید، مونوکسید کربن، دیاکسید کربن، اتیلن، استیلن، وینیل کلرید، استایرن، اسید اکریلیک و سایر گازها. به طور خاص، این حسگر هزینه کمی دارد و برای نیازهای تشخیص گاز شهری مناسب است. انواع حسگرهای گاز نیمهرسانای زیر موفق هستند: متان (گاز طبیعی، متان)، الکل، مونوکسید کربن (گاز شهری)، سولفید هیدروژن، آمونیاک (از جمله آمینها، هیدرازین). حسگرهای با کیفیت بالا میتوانند نیازهای تشخیص صنعتی را برآورده کنند.
عیب: پایداری ضعیفی دارد و تحت تأثیر محیط قرار میگیرد. به طور خاص، گزینشپذیری هر حسگر منحصر به فرد نیست و پارامترهای خروجی قابل تعیین نیستند. بنابراین، برای استفاده در مکانهایی که دقت اندازهگیری مورد نیاز است، مناسب نیست. در حال حاضر، تأمینکننده اصلی این نوع حسگر در ژاپن (مخترع) است و پس از آن چین قرار دارد که اخیراً به کره جنوبی پیوسته است، کشورهای دیگری مانند ایالات متحده نیز کارهای قابل توجهی در این زمینه انجام دادهاند، اما هرگز به جریان اصلی وارد نشده است! چین به اندازه ژاپن نیروی انسانی و زمان در این زمینه سرمایهگذاری کرده است، اما به دلیل هدایت سیاستهای ملی و انسداد اطلاعات اجتماعی و دلایل دیگر برای سالهای متمادی، کیفیت عملکرد حسگرهای گاز نیمهرسانای محبوب در چین بسیار پایینتر از محصولات ژاپنی است. من معتقدم که با پیشرفت بازار و افزایش بیشتر سرمایه خصوصی، زمان آن رسیده است که حسگرهای گاز نیمهرسانای ساخت چین به سطح ژاپن برسند و از آن پیشی بگیرند!
۲. حسگر گاز نوع احتراق کاتالیزوری
این سنسور برای تهیه یک لایه کاتالیزور مقاوم در برابر دمای بالا روی سطح مقاومت پلاتین است و در دمای خاصی، گاز قابل احتراق احتراق را روی سطح مقاومت پلاتین کاتالیز میکند، احتراق افزایش دمای مقاومت پلاتین، تغییر مقاومت است، مقدار تغییر تابعی از غلظت گاز قابل احتراق است.
حسگرهای گاز احتراق کاتالیزوری به صورت انتخابی گازهای قابل احتراق را تشخیص میدهند: هر گازی که قابل سوختن باشد، قابل تشخیص است؛ این حسگر به هر چیزی که قابل سوختن نباشد، پاسخ نمیدهد. البته استثنائات زیادی برای عبارت "میتواند هر چیزی را که قابل سوختن است، تشخیص دهد" وجود دارد، اما در کل، انتخابپذیری صحیح است. حسگر گاز احتراق کاتالیزوری مزایای اندازهگیری دقیق، پاسخ سریع و عمر طولانی را دارد. خروجی حسگر مستقیماً با خطر انفجار محیط مرتبط است و نوعی حسگر غالب در زمینه تشخیص ایمنی است.
عیب: در محدوده گازهای قابل احتراق، هیچ گزینشپذیری وجود ندارد. آتش فعال است و خطر آتشسوزی وجود دارد. بیشتر بخارات آلی عنصری برای حسگر سمی هستند. تأمینکنندگان اصلی حسگرها در چین، ژاپن و بریتانیا (کشور مخترع) هستند! چین بزرگترین کاربر (معدن زغال سنگ) این حسگر است و همچنین بهترین فناوری تولید حسگر را دارد، اگرچه عوامل مختلفی در تبلیغات مزاحم با درک عمومی از این حسگر وجود دارد، اما به هر حال، حسگر گاز احتراق کاتالیزوری تولیدکنندگان اصلی در داخل کشور هستند.
۳. حسگر گاز نوع استخری رسانای گرما
هر گاز رسانایی حرارتی خاص خود را دارد و هنگامی که رسانایی حرارتی دو یا چند گاز کاملاً متفاوت باشد، میتوان محتوای یکی از اجزا را با عنصر رسانایی حرارتی تشخیص داد. این حسگر برای تشخیص هیدروژن، تشخیص دی اکسید کربن و تشخیص متان با غلظت بالا استفاده شده است.
حسگر گاز دامنه کاربرد محدودی دارد و عوامل محدودکننده زیادی در آن دخیل هستند. این یک محصول قدیمی است و در سراسر جهان ساخته میشود. کیفیت محصولات در سراسر جهان مشابه است.
۴. حسگر گاز الکتروشیمیایی
بخش قابل توجهی از گازهای قابل احتراق، سمی و مضر، فعالیت الکتروشیمیایی دارند و میتوانند به صورت الکتروشیمیایی اکسید یا احیا شوند. با استفاده از این واکنشها، ترکیب گاز قابل تشخیص و غلظت گاز قابل تشخیص است. حسگرهای گاز الکتروشیمیایی زیرگروههای زیادی دارند:
(1) حسگرهای گاز مبتنی بر باتری اولیه (که با نام باتریهایی که برای باتریهای خشک استفاده میکنیم نیز شناخته میشوند، با این تفاوت که الکترودهای کربنی و منگنزی باتریها با الکترودهای گازی جایگزین شدهاند. در مورد حسگر اکسیژن، اکسیژن در کاتد کاهش مییابد، الکترونها از طریق گالوانومتر به آند جریان مییابند، جایی که فلز سرب اکسید میشود. بزرگی جریان مستقیماً با غلظت اکسیژن مرتبط است. این حسگر میتواند به طور مؤثر اکسیژن، دی اکسید گوگرد، کلر و غیره را تشخیص دهد.
(2) حسگر گاز پیل الکترولیتی با پتانسیل ثابت، که برای تشخیص گاز کاهنده بسیار مؤثر است، اصل آن با حسگر پیل اصلی متفاوت است، واکنش الکتروشیمیایی آن تحت نیروی جریان رخ میدهد، یک حسگر آنالیز کولمب واقعی است. این حسگر با موفقیت برای موارد زیر استفاده شده است: تشخیص مونوکسید کربن، سولفید هیدروژن، هیدروژن، آمونیاک، هیدرازین و سایر گازها، حسگر اصلی برای تشخیص گازهای سمی و مضر است.
(3) حسگر گاز از نوع سلول غلظتی، گازی که فعالیت الکتروشیمیایی در دو طرف سلول الکتروشیمیایی دارد، خود به خود نیروی الکتروموتور غلظتی تشکیل میدهد، بزرگی نیروی الکتروموتوری به غلظت گاز مربوط میشود، نمونه موفق این حسگر، حسگر اکسیژن خودرو، حسگر دی اکسید کربن از نوع الکترولیت جامد است.
(4) این اختراع مربوط به یک حسگر گاز از نوع جریان محدود است که حسگری برای اندازهگیری غلظت اکسیژن است و از این اصل استفاده میکند که جریان محدود در سلول الکتروشیمیایی با غلظت حامل مرتبط است تا حسگر غلظت اکسیژن (گاز) را آماده کند که برای تشخیص اکسیژن وسیله نقلیه و تشخیص غلظت اکسیژن آب فولادی استفاده میشود. تأمینکنندگان اصلی این حسگر اکنون در سراسر جهان، عمدتاً در آلمان، ژاپن، ایالات متحده هستند و اخیراً چندین تأمینکننده جدید اروپایی نیز به آنها پیوستهاند: بریتانیا، سوئیس و غیره. چین در این زمینه زود شروع به کار کرد، اما روند صنعتی شدن آن بیاثر بوده است.
۵. حسگر گاز مادون قرمز
بیشتر گازها دارای پیکهای جذب مشخصه در ناحیه مادون قرمز میانی هستند و غلظت یک گاز را میتوان با تشخیص جذب موقعیت پیکهای جذب مشخصه تعیین کرد. این حسگر قبلاً یک ابزار تحلیلی بزرگ بود، اما در سالهای اخیر، با توسعه صنعت حسگر مبتنی بر فناوری MEMS، حجم این حسگر از 10 لیتر، 45 کیلوگرم بیگ مک، به حدود 2 میلیلیتر (اندازه انگشت شست) کاهش یافته است. استفاده از آشکارساز مادون قرمز بدون منبع نور مدوله کننده، این ابزار را کاملاً از قطعات متحرک مکانیکی و نگهداری بینیاز میکند. حسگر گاز مادون قرمز میتواند انواع گاز را به طور مؤثر تشخیص داده و غلظت گاز را به طور دقیق اندازهگیری کند.
این حسگر با موفقیت برای موارد زیر مورد استفاده قرار گرفت: تشخیص دی اکسید کربن، متان. تأمین کننده فعلی این "حسگر" در اروپا است! چین اکنون در این زمینه "نیمه خالی" است!
۶. سنسور اکسیژن مغناطیسی
این هسته اصلی آنالایزر اکسیژن مغناطیسی است، اما به فرآیند "حسگر" نیز دست یافته است.
این ماده بر اساس این اصل تهیه میشود که اکسیژن موجود در هوا میتواند توسط یک میدان مغناطیسی قوی جذب شود.
این حسگر فقط میتواند برای تشخیص اکسیژن استفاده شود و گزینشپذیری بسیار خوبی دارد. فقط NOx موجود در جو میتواند تأثیر کمی ایجاد کند، اما از آنجا که محتوای این گازهای مزاحم اغلب بسیار کم است، گزینشپذیری فناوری آنالیز مغناطیسی اکسیژن تقریباً منحصر به فرد است! محصولات صنعتی تثبیتشده، با تولیدکنندگان در سراسر جهان. (البته من در مورد یک آنالیزور اکسیژن به عنوان یک دستگاه اندازهگیری واحد صحبت میکنم که میتوان آن را به عنوان یک حسگر در یک محدوده خاص در نظر گرفت.) و این محصول که به شکل حسگرهای خالص تولید میشود، چیز جدیدی است.)
۷. سایر
در سالهای اخیر، با ظهور مداوم فناوریهای جدید، فناوری حسگرهای گاز نیز در انقلاب مربوطه قرار گرفته است. تنوع حسگرهای گاز نیز در حال اضافه شدن لایههای جدیدی است. با این حال، اینکه آیا برخی از حسگرها باید تحت عنوان حسگرهای گاز فهرست شوند، کاملاً بحثبرانگیز است، به عنوان مثال: آشکارساز PID، اگرچه برای تشخیص گاز نیز استفاده میشود، اما از آنجا که واقعاً نمیتواند بدون تعمیر و نگهداری باشد، بنابراین، این نوع تجهیزات، صرف نظر از اندازه کوچک، باید تحت عنوان "ابزار تشخیص" فهرست شوند.
علاوه بر این، حسگرهای نوری مبتنی بر فیبرهای نوری به سرعت در حال توسعه هستند و اگرچه آنها "تهدید" مطلقی برای حسگرهای الکترونیکی محسوب نمیشوند، اما مزایای منحصر به فرد آنها ممکن است روزی درخشان باشد. در نهایت، برای اهداف تجاری خود، تاجرانی که در فروش حسگرهای گازی فعالیت میکنند، گاهی اوقات در مورد توانایی یک حسگر خاص اغراق میکنند و طبقهبندی حسگرها را اشتباه میگیرند، که این امر به کاربرد صحیح حسگرهای گازی توسط کاربران کمکی نمیکند. در واقع، کاربرد حسگرها به اندازه ساخت حسگرها موضوعیت دارد.
