עקרון של מנתח תכולת חמצן, חיישן

סיווג חיישני גז

התקן הלאומי GB7665-87 מגדיר חיישנים כדלקמן: החיישן הוא מכשיר או מכשיר המסוגל לחוש מדידה שנקבעה ולהמיר אותה לאות פלט זמין בהתאם לכלל מסוים. חיישן גז משמש לגילוי הרכב ותכולת הגז. מקובל לחשוב שהגדרת חיישן גז מבוססת על סיווג מטרת הגילוי, כלומר, כל חיישן המשמש לגילוי הרכב וריכוז הגז נקרא חיישן גז, בין אם בשיטות פיזיקליות או כימיות. לדוגמה, חיישן זרימת גז אינו נחשב לחיישן גז, אך מנתח גז מוליכות תרמית הוא חיישן גז חשוב, אם כי לעיתים משתמשים בעקרונות גילוי עקביים בדרך כלל.

כבר בשנות ה-70, חיישני גז הפכו למחלקה גדולה בתחום החיישנים, השייכת לענף של חיישנים כימיים.

ישנם כמה סוגים של חיישני גז פופולריים בשוק:

1. חיישן גז מוליכים למחצה

הוא מיוצר באמצעות חומר מוליך למחצה מסוג תחמוצת מתכת, המוליכות משתנה עם שינוי הרכב הגז הסביבתי בטמפרטורה מסוימת. לדוגמה, חיישן אלכוהול מיוצר באמצעות העיקרון שכאשר דו-חמצני בדיל נתקל בגז אלכוהול בטמפרטורה גבוהה, ההתנגדות תפחת בחדות. חיישן גז מוליך למחצה יכול לשמש ביעילות בתחומים הבאים: מתאן, אתאן, פרופאן, בוטאן, אלכוהול, פורמלדהיד, פחמן חד-חמצני, פחמן דו-חמצני, אתילן, אצטילן, ויניל כלוריד, סטירן, חומצה אקרילית וגזים אחרים. בפרט, החיישן בעל עלות נמוכה והוא מתאים לצרכים של גילוי גז אזרחי. הסוגים הבאים של חיישני גז מוליך למחצה מוצלחים: מתאן (גז טבעי, מתאן), אלכוהול, פחמן חד-חמצני (גז עירוני), מימן גופרתי, אמוניה (כולל אמינים, הידרזין). חיישנים באיכות גבוהה יכולים לענות על הצרכים של גילוי תעשייתי.

חיסרון: היציבות ירודה, והיא מושפעת מהסביבה. בפרט, הסלקטיביות של כל חיישן אינה ייחודית ולא ניתן לקבוע את פרמטרי הפלט. לכן, הוא אינו מתאים לשימוש במקומות בהם נדרש דיוק מדידה. נכון לעכשיו, הספק העיקרי של חיישן מסוג זה הוא יפן (הממציא), ואחריה סין, שהצטרפה לאחרונה לדרום קוריאה, ומדינות אחרות כמו ארצות הברית עושות גם הן עבודה רבה בתחום זה, אך מעולם לא נכנסו למיינסטרים! סין השקיעה כוח אדם וזמן רבים כמו יפן בתחום זה, אך עקב הנחיות המדיניות הלאומיות וחסימת מידע חברתי וסיבות אחרות במשך שנים רבות, איכות הביצועים של חיישני גז מוליכים למחצה הפופולריים בסין נחותה בהרבה מזו של מוצרים יפניים. אני מאמין שעם התקדמות השוק והעלייה הנוספת של הון פרטי, הגיע הזמן שחיישני גז מוליכים למחצה מתוצרת סין יגיעו ויעברו את הרמה היפנית!

2. חיישן גז מסוג בעירה קטליטית

החיישן נועד להכין שכבת זרז עמידה בטמפרטורה גבוהה על פני ההתנגדות של הפלטינה, ובטמפרטורה מסוימת, הגז הדליק מזרז את הבעירה על פני ההתנגדות של הפלטינה, הבעירה היא עליית טמפרטורת ההתנגדות של הפלטינה, שינוי ההתנגדות, וערך השינוי הוא פונקציה של ריכוז הגז הדליק.

חיישני גז בעירה קטליטיים מזהים באופן סלקטיבי גזים דליקים: כל גז שניתן להישרף ניתן לזיהוי; החיישן אינו מגיב לשום דבר שאינו יכול להישרף. ישנם, כמובן, יוצאים מן הכלל רבים לביטוי "יכול לזהות כל דבר שיכול להישרף", אך בסך הכל, הסלקטיביות נכונה. לחיישן גז בעירה קטליטיים יתרונות של מדידה מדויקת, תגובה מהירה וחיי שירות ארוכים. תפוקת החיישן קשורה ישירות לסיכון הפיצוץ בסביבה, והוא סוג של חיישן דומיננטי בתחום גילוי הבטיחות.

חיסרון: בטווח הגזים הדליקים, אין סלקטיביות. האש פועלת, וקיימת סכנת שריפה. רוב האדים האורגניים היסודיים רעילים לחיישן. הספקים העיקריים של החיישנים נמצאים בסין, יפן ובריטניה (מדינת הממציא)! סין היא המשתמשת הגדולה ביותר (מכרה פחם) של חיישן זה, וגם בעלת טכנולוגיית ייצור החיישנים הטובה ביותר, למרות שיש מגוון גורמים בתעמולה שמפריעים להבנה הציבורית של חיישן זה, אבל אחרי הכל, חיישני גז בעירה קטליטיים הם יצרנים מרכזיים בבית.

3. חיישן גז מסוג בריכה המוליך חום

לכל גז יש מוליכות תרמית ספציפית משלו, וכאשר המוליכות התרמית של שני גזים או יותר שונה למדי, ניתן להבחין בתכולה של אחד הרכיבים על ידי אלמנט המוליכות התרמית. החיישן שימש לגילוי מימן, גילוי פחמן דו-חמצני וגילוי מתאן בריכוז גבוה.

לחיישן הגז טווח יישומים צר וגורמים מגבילים רבים. זהו מוצר מיושן והוא מיוצר בכל רחבי העולם. איכות המוצרים ברחבי העולם דומה.

4. חיישן גז אלקטרוכימי

חלק ניכר מגזים דליקים, רעילים ומזיקים הם בעלי פעילות אלקטרוכימית וניתנים לחמצון או לצמצום אלקטרוכימי. באמצעות תגובות אלו, ניתן להבחין בהרכב הגז ולזהות את ריכוז הגז. חיישני גז אלקטרוכימיים כוללים תת-קבוצות רבות:

(1) חיישני גז מבוססי סוללה ראשונית (הידועים גם בשם אלה הם הסוללות בהן אנו משתמשים עבור סוללות יבשות, אלא שאלקטרודות הפחמן והמנגן של הסוללות מוחלפות באלקטרודות הגז. במקרה של חיישן חמצן, החמצן מופחת בקתודה, אלקטרונים זורמים דרך הגלוונומטר לאנודה, שם מתכת העופרת מתחמצנת. גודל הזרם קשור ישירות לריכוז החמצן. החיישן יכול לזהות ביעילות חמצן, גופרית דו-חמצנית, כלור וכו'.

(2) חיישן גז תא אלקטרוליטי בעל פוטנציאל קבוע, יעיל מאוד לגילוי גז מחזר, העיקרון שלו שונה מחיישן התא המקורי, התגובה האלקטרוכימית שלו מתרחשת תחת כוח הזרם, והוא חיישן אנליזה קולומב אמיתי. חיישן זה שימש בהצלחה ל: גילוי פחמן חד-חמצני, מימן גופרתי, מימן, אמוניה, הידרזין וגזים אחרים והוא החיישן המרכזי לגילוי גזים רעילים ומזיקים.

(3) חיישן גז מסוג תא ריכוז, הגז בעל פעילות אלקטרוכימית משני צידי התא האלקטרוכימי, ייצור באופן ספונטני כוח אלקטרו-מניע ריכוזי, גודל הכוח האלקטרו-מניע קשור לריכוז הגז, דוגמה להצלחה של חיישן זה היא חיישן חמצן לרכב, חיישן פחמן דו-חמצני מסוג אלקטרוליט מוצק.

(4) ההמצאה מתייחסת לחיישן גז מסוג זרם גבול, שהוא חיישן למדידת ריכוז החמצן, ומשתמש בעיקרון לפיו זרם הגבול בתא האלקטרוכימי קשור לריכוז הנשא כדי להכין את חיישן ריכוז החמצן (גז), המשמש לגילוי חמצן ברכב ולגילוי ריכוז חמצן במי פלדה. הספקים העיקריים של חיישן זה נמצאים כיום בכל רחבי העולם, בעיקר בגרמניה, יפן, ארצות הברית, ולאחרונה הצטרפו למספר ספקים אירופאיים חדשים: בריטניה, שוויץ וכו'. סין החלה מוקדם בתחום זה, אך תהליך התיעוש לא היה יעיל.

5. חיישן גז אינפרא אדום

לרוב הגזים יש שיאי בליעה אופייניים באזור האינפרא אדום הבינוני, וניתן לקבוע את ריכוז הגז על ידי גילוי הבליעה של מיקום שיאי הבליעה האופייניים. חיישן זה שימש בעבר כמכשיר אנליטי גדול, אך בשנים האחרונות, עם התפתחות תעשיית החיישנים המבוססת על טכנולוגיית MEMS, נפח החיישן הופחת מ-10 ליטר, 45 ק"ג של ביג מק, לכ-2 מ"ל (גודל אגודל). השימוש בגלאי אינפרא אדום ללא מקור אור מווסת הופך את המכשיר לחף לחלוטין מחלקים נעים מכניים ותחזוקה. חיישן הגז האינפרא אדום יכול להבחין ביעילות בין סוגי הגז ולמדוד את ריכוז הגז במדויק.

חיישן זה שימש בהצלחה לגילוי: פחמן דו-חמצני ומתאן. הספק הנוכחי של "חיישן" זה נמצא באירופה! סין היא כעת "חצי ריק" בתחום זה!

6. חיישן חמצן מגנטי

זהו הליבה של מנתח החמצן המגנטי, אך הוא גם השיג את תהליך ה"חיישן".

הוא מוכן על פי העיקרון שחמצן באוויר יכול להימשך על ידי שדה מגנטי חזק.

החיישן יכול לשמש רק לגילוי חמצן ויש לו סלקטיביות מצוינת. רק NOx באטמוספרה יכול לייצר השפעה קטנה, אך מכיוון שתכולת גזי ההפרעה הללו היא לעתים קרובות קטנה מאוד, הסלקטיביות של טכנולוגיית ניתוח חמצן מגנטי היא כמעט ייחודית! מוצרים תעשייתיים מבוססים, עם יצרנים בכל רחבי העולם. (אני מדבר, כמובן, על מנתח חמצן כמדד יחיד, שניתן לראותו כחיישן בטווח מסוים.) ומוצר זה, המיוצר בצורה של חיישנים טהורים, הוא דבר חדש.

7. אחרים

בשנים האחרונות, עם הופעתן המתמשכת של טכנולוגיות חדשות, גם טכנולוגיית חיישני גז נמצאת במהפכה מקבילה. מגוון חיישני הגז מוסיף שכבות חדשות. עם זאת, האם יש לכלול חיישנים מסוימים תחת השם חיישני גז שנוי במחלוקת למדי. לדוגמה: גלאי PID, למרות שהוא משמש גם לגילוי גז, למרות גודלו הקטן, מכיוון שהוא אינו יכול להשיג תחזוקה מלאה, לכן, ציוד מסוג זה, לא משנה כמה קטן הוא, צריך להיכלל תחת השם "מכשיר גילוי".

בנוסף, חיישנים אופטיים המבוססים על סיבים אופטיים מתפתחים במהירות, ולמרות שאינם מהווים "איום" מוחלט על חיישנים אלקטרוניים, יתרונותיהם הייחודיים עשויים להיות מבריקים ביום מן הימים. לבסוף, למטרותיהם המסחריות, אנשי עסקים העוסקים במכירת חיישני גז מגזימים לעיתים ביכולתו של חיישן ספציפי ומבלבלים את סיווג החיישנים, דבר שאינו תורם ליישום נכון של חיישני גז על ידי משתמשים. למעשה, יישום החיישנים הוא נושא לא פחות מאשר ייצור החיישנים.