ऑक्सीजन सामग्री विश्लेषक, सेंसर का सिद्धांत
गैस सेंसरों का वर्गीकरण
राष्ट्रीय मानक GB7665-87 सेंसर को इस प्रकार परिभाषित करता है: सेंसर एक ऐसा उपकरण है जो निर्धारित माप को ग्रहण करने और उसे एक निश्चित नियम के अनुसार उपलब्ध आउटपुट सिग्नल में परिवर्तित करने में सक्षम होता है। गैस सेंसर का उपयोग गैस की संरचना और मात्रा का पता लगाने के लिए किया जाता है। सामान्यतः यह माना जाता है कि गैस सेंसर की परिभाषा पता लगाने के लक्ष्य के वर्गीकरण पर आधारित होती है, अर्थात् गैस की संरचना और सांद्रता का पता लगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले किसी भी सेंसर को गैस सेंसर कहा जाता है, चाहे वह भौतिक या रासायनिक विधि से हो। उदाहरण के लिए, गैस प्रवाह सेंसर को गैस सेंसर नहीं माना जाता है, लेकिन तापीय चालकता गैस विश्लेषक एक महत्वपूर्ण गैस सेंसर है, हालांकि वे कभी-कभी सामान्यतः समान पता लगाने के सिद्धांतों का उपयोग करते हैं।
1970 के दशक की शुरुआत में ही, गैस सेंसर, सेंसर के क्षेत्र में एक बड़ा विभाग बन गया था, जो रासायनिक सेंसर की एक शाखा से संबंधित है।
बाजार में कुछ प्रकार के गैस सेंसर लोकप्रिय हैं:
1. अर्धचालक गैस सेंसर
यह किसी धातु ऑक्साइड अर्धचालक पदार्थ का उपयोग करके बनाया जाता है, जिसकी चालकता एक निश्चित तापमान पर परिवेशी गैस की संरचना में परिवर्तन के साथ बदलती है। उदाहरण के लिए, अल्कोहल सेंसर इस सिद्धांत पर काम करता है कि जब टिन डाइऑक्साइड उच्च तापमान पर अल्कोहल गैस के संपर्क में आता है, तो प्रतिरोध तेजी से घट जाता है। अर्धचालक गैस सेंसर का उपयोग निम्नलिखित क्षेत्रों में प्रभावी ढंग से किया जा सकता है: मीथेन, इथेन, प्रोपेन, ब्यूटेन, अल्कोहल, फॉर्मेल्डिहाइड, कार्बन मोनोऑक्साइड, कार्बन डाइऑक्साइड, एथिलीन, एसिटिलीन, विनाइल क्लोराइड, स्टाइरीन, एक्रिलिक एसिड और अन्य गैसें। विशेष रूप से, यह सेंसर कम लागत वाला है और नागरिक गैस पहचान की आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त है। निम्नलिखित प्रकार के अर्धचालक गैस सेंसर सफल हैं: मीथेन (प्राकृतिक गैस), अल्कोहल, कार्बन मोनोऑक्साइड (शहरी गैस), हाइड्रोजन सल्फाइड, अमोनिया (अमीन, हाइड्राज़ीन सहित)। उच्च गुणवत्ता वाले सेंसर औद्योगिक पहचान की आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं।
कमियां: इसकी स्थिरता कमजोर है और यह पर्यावरण से प्रभावित होता है। विशेष रूप से, प्रत्येक सेंसर की चयनात्मकता अद्वितीय नहीं होती और आउटपुट पैरामीटर निर्धारित नहीं किए जा सकते। इसलिए, यह उन स्थानों के लिए उपयुक्त नहीं है जहां माप की सटीकता आवश्यक है। वर्तमान में, इस प्रकार के सेंसर का मुख्य आपूर्तिकर्ता जापान (आविष्कारक) है, उसके बाद चीन का स्थान आता है, हाल ही में दक्षिण कोरिया भी इसमें शामिल हुआ है। संयुक्त राज्य अमेरिका जैसे अन्य देशों ने भी इस क्षेत्र में काफी काम किया है, लेकिन इसे अभी तक मुख्यधारा में नहीं लाया गया है! चीन ने इस क्षेत्र में जापान के बराबर ही श्रम और समय का निवेश किया है, लेकिन राष्ट्रीय नीतिगत दिशा-निर्देशों, सामाजिक सूचना अवरोधों और अन्य कारणों से कई वर्षों से चीन में प्रचलित अर्धचालक गैस सेंसरों की प्रदर्शन गुणवत्ता जापानी उत्पादों की तुलना में बहुत ही निम्न स्तर की है। मेरा मानना है कि बाजार की प्रगति और निजी पूंजी के और अधिक बढ़ने के साथ, चीन में निर्मित अर्धचालक गैस सेंसरों के लिए जापानी स्तर तक पहुंचने और उसे पार करने का यह सही समय है!
2. उत्प्रेरक दहन प्रकार का गैस सेंसर
इस सेंसर में प्लैटिनम प्रतिरोध की सतह पर उच्च तापमान प्रतिरोधी उत्प्रेरक परत तैयार की जाती है, और एक निश्चित तापमान पर, ज्वलनशील गैस प्लैटिनम प्रतिरोध की सतह पर दहन को उत्प्रेरित करती है। दहन के कारण प्लैटिनम प्रतिरोध का तापमान बढ़ता है और प्रतिरोध में परिवर्तन होता है, जिसका मान ज्वलनशील गैस की सांद्रता पर निर्भर करता है।
उत्प्रेरक दहन गैस सेंसर ज्वलनशील गैसों का चयनात्मक रूप से पता लगाते हैं: जलने योग्य किसी भी गैस का पता लगाया जा सकता है; सेंसर उन गैसों पर प्रतिक्रिया नहीं करता जो जल नहीं सकतीं। हालांकि, "जलने योग्य किसी भी गैस का पता लगा सकता है" इस वाक्यांश के कई अपवाद हैं, लेकिन कुल मिलाकर, चयनात्मकता सही है। उत्प्रेरक दहन गैस सेंसर में सटीक माप, तीव्र प्रतिक्रिया और लंबी सेवा अवधि के लाभ हैं। सेंसर का आउटपुट सीधे पर्यावरण के विस्फोट जोखिम से संबंधित है, और यह सुरक्षा पहचान के क्षेत्र में एक प्रमुख सेंसर है।
हानि: ज्वलनशील गैसों की श्रेणी में, इसमें चयनात्मकता नहीं है। आग लगने पर, आग लगने का खतरा बना रहता है। अधिकांश कार्बनिक वाष्प सेंसर के लिए विषैली होती हैं। सेंसर के मुख्य आपूर्तिकर्ता चीन, जापान और यूनाइटेड किंगडम (आविष्कारक देश) में हैं! चीन इस सेंसर का सबसे बड़ा उपयोगकर्ता (कोयला उत्पादक) है और उसके पास सर्वश्रेष्ठ सेंसर उत्पादन तकनीक भी है। हालांकि, इस सेंसर के बारे में आम लोगों की समझ को प्रभावित करने के लिए कई दुष्प्रचार एजेंट सक्रिय हैं, लेकिन अंततः उत्प्रेरक दहन गैस सेंसर के मुख्य निर्माता घरेलू स्तर पर ही हैं।
3. ऊष्मा संवाहक पूल प्रकार का गैस सेंसर
प्रत्येक गैस की अपनी विशिष्ट तापीय चालकता होती है, और जब दो या दो से अधिक गैसों की तापीय चालकता काफी भिन्न होती है, तो तापीय चालकता तत्व द्वारा किसी एक घटक की मात्रा का पता लगाया जा सकता है। इस सेंसर का उपयोग हाइड्रोजन, कार्बन डाइऑक्साइड और उच्च सांद्रता वाले मीथेन का पता लगाने के लिए किया गया है।
गैस सेंसर का उपयोग सीमित दायरे में होता है और इसमें कई सीमाएँ हैं। यह एक पुराना उत्पाद है और इसका निर्माण विश्व भर में होता है। विश्व स्तर पर उत्पादों की गुणवत्ता लगभग समान है।
4. विद्युत रासायनिक गैस सेंसर
ज्वलनशील, विषैली और हानिकारक गैसों का एक बड़ा हिस्सा विद्युत रासायनिक सक्रियता प्रदर्शित करता है और इनका विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण या अपचयन किया जा सकता है। इन अभिक्रियाओं का उपयोग करके गैस की संरचना को पहचाना जा सकता है और गैस की सांद्रता का पता लगाया जा सकता है। विद्युत रासायनिक गैस सेंसरों के कई उपवर्ग हैं:
(1) प्राथमिक बैटरी-आधारित गैस सेंसर (जिन्हें गैस सेंसर भी कहा जाता है) वे बैटरियां हैं जिनका उपयोग हम शुष्क बैटरियों के लिए करते हैं, सिवाय इसके कि बैटरियों के कार्बन और मैंगनीज इलेक्ट्रोड को गैस इलेक्ट्रोड से बदल दिया जाता है। ऑक्सीजन सेंसर के मामले में, कैथोड पर ऑक्सीजन का अपचयन होता है, इलेक्ट्रॉन गैल्वेनोमीटर से होकर एनोड तक प्रवाहित होते हैं, जहां सीसा धातु का ऑक्सीकरण होता है। धारा का परिमाण ऑक्सीजन की सांद्रता से सीधा संबंधित होता है। यह सेंसर ऑक्सीजन, सल्फर डाइऑक्साइड, क्लोरीन आदि का प्रभावी ढंग से पता लगा सकता है।
(2) स्थिर विभव इलेक्ट्रोलाइटिक सेल गैस सेंसर, जो अपचायक गैसों का पता लगाने में अत्यंत प्रभावी है, इसका सिद्धांत मूल सेल सेंसर से भिन्न है; इसकी विद्युत रासायनिक अभिक्रिया धारा बल के अधीन होती है, और यह एक सच्चा कूलम्ब विश्लेषण सेंसर है। इस सेंसर का उपयोग कार्बन मोनोऑक्साइड, हाइड्रोजन सल्फाइड, हाइड्रोजन, अमोनिया, हाइड्राज़ीन और अन्य गैसों का पता लगाने में सफलतापूर्वक किया गया है; यह विषैली और हानिकारक गैसों का पता लगाने के लिए मुख्यधारा का सेंसर है।
(3) सांद्रता सेल प्रकार गैस सेंसर, विद्युत रासायनिक सेल के दोनों किनारों पर विद्युत रासायनिक गतिविधि वाली गैस, स्वतः ही सांद्रता विद्युत प्रेरक बल का निर्माण करेगी, विद्युत प्रेरक बल का परिमाण गैस की सांद्रता से संबंधित है, इस सेंसर का सफल उदाहरण ऑटोमोबाइल के लिए ऑक्सीजन सेंसर, ठोस इलेक्ट्रोलाइट प्रकार कार्बन डाइऑक्साइड सेंसर है।
(4) यह आविष्कार एक सीमित धारा प्रकार के गैस सेंसर से संबंधित है, जो ऑक्सीजन सांद्रता मापने का एक सेंसर है, और यह इस सिद्धांत का उपयोग करता है कि विद्युत रासायनिक सेल में सीमित धारा वाहक सांद्रता से संबंधित होती है, जिससे ऑक्सीजन (गैस) सांद्रता सेंसर तैयार किया जाता है, जिसका उपयोग वाहन में ऑक्सीजन की पहचान और स्टील के पानी में ऑक्सीजन की सांद्रता की पहचान के लिए किया जाता है। इस सेंसर के मुख्य आपूर्तिकर्ता अब पूरी दुनिया में हैं, मुख्य रूप से जर्मनी, जापान, संयुक्त राज्य अमेरिका में, और हाल ही में कई नए यूरोपीय आपूर्तिकर्ता भी इसमें शामिल हुए हैं: ब्रिटेन, स्विट्जरलैंड, आदि। चीन ने इस क्षेत्र में पहले शुरुआत की थी, लेकिन औद्योगीकरण प्रक्रिया अप्रभावी रही है।
5. इन्फ्रारेड गैस सेंसर
अधिकांश गैसों में मध्य-अवरक्त क्षेत्र में विशिष्ट अवशोषण शिखर होते हैं, और इन विशिष्ट अवशोषण शिखरों की स्थिति का पता लगाकर गैस की सांद्रता निर्धारित की जा सकती है। यह सेंसर पहले एक बड़ा विश्लेषणात्मक उपकरण हुआ करता था, लेकिन हाल के वर्षों में, MEMS तकनीक पर आधारित सेंसर उद्योग के विकास के साथ, इसका आकार 10 लीटर (45 किलोग्राम के बिग मैक के बराबर) से घटकर लगभग 2 मिलीलीटर (अंगूठे के आकार का) हो गया है। बिना मॉड्यूलेटिंग प्रकाश स्रोत वाले अवरक्त डिटेक्टर के उपयोग से यह उपकरण पूरी तरह से यांत्रिक गतिमान भागों और रखरखाव से मुक्त हो जाता है। अवरक्त गैस सेंसर गैसों के प्रकारों को प्रभावी ढंग से अलग कर सकता है और गैस की सांद्रता को सटीक रूप से माप सकता है।
इस सेंसर का उपयोग कार्बन डाइऑक्साइड और मीथेन का पता लगाने के लिए सफलतापूर्वक किया गया है। इस "सेंसर" का वर्तमान आपूर्तिकर्ता यूरोप में है! चीन इस क्षेत्र में अभी भी पूरी तरह से पिछड़ा हुआ है!
6. चुंबकीय ऑक्सीजन सेंसर
यह चुंबकीय ऑक्सीजन विश्लेषक का मूल भाग है, लेकिन इसने "सेंसर" प्रक्रिया को भी हासिल कर लिया है।
यह इस सिद्धांत पर आधारित है कि हवा में मौजूद ऑक्सीजन एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र द्वारा आकर्षित हो सकती है।
यह सेंसर केवल ऑक्सीजन का पता लगाने के लिए उपयोग किया जा सकता है और इसकी चयनात्मकता उत्कृष्ट है। वायुमंडल में केवल NOx ही मामूली प्रभाव डाल सकता है, लेकिन चूंकि इन हस्तक्षेप करने वाली गैसों की मात्रा अक्सर बहुत कम होती है, इसलिए चुंबकीय ऑक्सीजन विश्लेषण तकनीक की चयनात्मकता लगभग अद्वितीय है! यह एक स्थापित औद्योगिक उत्पाद है, जिसके निर्माता विश्व भर में हैं। (मैं निश्चित रूप से एक ऑक्सीजन विश्लेषक की बात कर रहा हूं जो एक मीटर के रूप में कार्य करता है, जिसे एक निश्चित सीमा के भीतर सेंसर के रूप में देखा जा सकता है।) और यह उत्पाद, जो शुद्ध सेंसर के रूप में निर्मित है, एक नई चीज है।
7. अन्य
हाल के वर्षों में, नई तकनीकों के निरंतर विकास के साथ, गैस सेंसर तकनीक में भी उसी के अनुरूप क्रांति आई है। गैस सेंसरों की विविधता में भी नए आयाम जुड़ रहे हैं। हालांकि, कुछ सेंसरों को गैस सेंसर की श्रेणी में रखना उचित है या नहीं, यह एक विवादास्पद मुद्दा है। उदाहरण के लिए: पीआईडी डिटेक्टर, हालांकि इसका उपयोग गैस का पता लगाने के लिए किया जाता है, आकार में छोटा होने के बावजूद, यह पूरी तरह से रखरखाव-मुक्त नहीं है। इसलिए, इस प्रकार के उपकरण, चाहे उनका आकार कितना भी छोटा क्यों न हो, उन्हें "पता लगाने वाले उपकरण" की श्रेणी में रखा जाना चाहिए।
इसके अलावा, ऑप्टिकल फाइबर पर आधारित ऑप्टिकल सेंसर तेजी से विकसित हो रहे हैं, और हालांकि वे इलेक्ट्रॉनिक सेंसर के लिए पूर्णतः "खतरा" नहीं हैं, लेकिन उनके अद्वितीय लाभ भविष्य में बहुत महत्वपूर्ण साबित हो सकते हैं। अंततः, अपने व्यावसायिक उद्देश्यों के लिए, गैस सेंसर बेचने वाले व्यापारी कभी-कभी किसी विशिष्ट सेंसर की क्षमता को बढ़ा-चढ़ाकर बताते हैं और सेंसर के वर्गीकरण में भ्रम पैदा करते हैं, जिससे उपयोगकर्ताओं द्वारा गैस सेंसर का सही उपयोग करना मुश्किल हो जाता है। वास्तव में, सेंसर का उपयोग उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि सेंसर का निर्माण।
