- گاز چیست؟
2-1. ترکیب هوا
هوا تقریباً از 78٪ نیتروژن، 21٪ اکسیژن و 1٪ گازهای دیگر (مانند آرگون و دیاکسید کربن) تشکیل شده است. نیتروژن، که بزرگترین جزء هواست، پایهی پروتئینهای ساختهشده از اسیدهای آمینه را تشکیل میدهد و در بسیاری از موجودات زنده یافت میشود. نیتروژن برای تقریباً تمام حیات روی این سیاره ضروری است. با این حال، نیتروژن مستقیماً از هوا به بدن جذب نمیشود. نیتروژنی که ما استنشاق میکنیم، صرفاً هنگام بازدم خارج میشود. اکسیژن، که برای حیات ضروری است و مستقیماً به بدن ما جذب میشود، 21٪ از هوا را تشکیل میدهد. دیاکسید کربن، که برای فتوسنتز گیاهان حیاتی است، کمتر از 1٪ است. جانوران اکسیژن جذب میکنند و دیاکسید کربن دفع میکنند و گیاهان دیاکسید کربن جذب میکنند و اکسیژن دفع میکنند، که این امر تعادل ثابتی در ترکیب کلی هوا و فرآیندهای حیاتی روی این سیاره حفظ میکند.
2-2. خطرات گاز
به طور کلی، خطرات گاز به سه دسته زیر تقسیم میشوند:
گازهای قابل اشتعال
گازهایی که در صورت ترکیب با هوا، محدوده انفجاری (محدوده اشتعال) دارند.
بر اساس سیستم جهانی هماهنگ طبقهبندی و برچسبگذاری مواد شیمیایی (GHS*)، این مواد در حالت گازی در فشار استاندارد اتمسفر (101.3 کیلوپاسکال) و دمای 20 درجه سانتیگراد تعریف میشوند.
* GHS: سیستم جهانی هماهنگ طبقهبندی و برچسبگذاری مواد شیمیایی
گازهای سمی
گازهایی که عملکرد بیولوژیکی انسان را مختل میکنند.
گازهای سمی بر اساس مقادیر آستانهای تنظیم میشوند که برای محافظت از اثرات مضر سلامتی کارگرانی که در محل کار روزانه 8 ساعت و هفتهای 40 ساعت در معرض این مواد قرار میگیرند، تعیین شدهاند.
کمبود اکسیژن
بدن انسان میتواند در غلظت اکسیژن جو حدود 21% به طور طبیعی عمل کند.
اگر اکسیژن مصرف شود و غلظت آن کاهش یابد (مثلاً در اثر اکسیداسیون فلزات یا فعالیت میکروارگانیسمها) یا اگر اکسیژن توسط گازهای دیگر (مانند N₂ و Ar) جایگزین شود، اثرات آن بر بدن انسان زمانی آشکار میشود که غلظت اکسیژن به زیر حدود 18% برسد. در غلظتهای 6% تا 8% خطر مرگ وجود دارد.
- خطرات گازهای قابل اشتعال
3-1. سه عنصر لازم برای احتراق
احتراق به طور کلی به واکنش اکسیداسیونی گفته میشود (که در آن مواد با اکسیژن ترکیب میشوند) که همراه با تولید گرما و نور است.
ماده سوختنی
گاز حامی احتراق
منبع اشتعال
در صورت نبود هر یک از این عناصر، احتراق امکانپذیر نیست. برای جلوگیری از احتراق گاز، ضروری است که غلظت گاز را زیر حدی که بتواند مشتعل شود تنظیم و حفظ کرد (با فرض وجود گاز حامی احتراق و منبع اشتعال).
3-2. محدوده انفجاری
اگر یک گاز قابل اشتعال یا بخار ناشی از یک مایع قابل اشتعال با هوا یا اکسیژن مخلوط شود، در صورت وجود منبع احتراق و قرار گرفتن غلظت در محدوده خاصی، منفجر خواهد شد. این محدوده غلظت، محدوده انفجاری نامیده میشود. حد پایینی غلظت، حد انفجاری پایین (LEL) و حد بالایی غلظت، حد انفجاری بالا (UEL) نام دارد.
مثال: هیدروژن
حد انفجاری پایین مقداری است که به صورت تجربی تعیین میشود، اما نتایج بهدستآمده ممکن است بسته به شرایط و روشهای آزمایش متفاوت باشد. بنابراین احتیاط لازم است و مقادیر ذکرشده ممکن است بسته به منبع مرجع متغیر باشند.
رایج است که آشکارسازهای گاز، غلظت گاز را بر اساس حد انفجاری پایین پایش میکنند. دلیل این امر آن است که حتی اگر غلظت گاز از حد انفجاری بالا بیشتر باشد، در صورت نشت گاز به اتمسفر، گاز بلافاصله رقیق شده و پخش میشود و غلظت آن به محدوده انفجاری میرسد. واحد %LEL معمولاً برای بیان غلظت نسبت به حد انفجاری پایین استفاده میشود (100%LEL).
3-3. بخار قابل اشتعال
اگرچه هر دو در حالت گازی هستند، اما گاز و بخار به طور کلی به دو چیز متفاوت اشاره دارند. بخار به مادهای گفته میشود که در دمای معمولی به حالت مایع (یا جامد) وجود دارد، اما تحت شرایط خاصی از فاز مایع به فاز گازی تبخیر میشود. ویژگیهای فیزیکی زیر، که بر اساس تغییرات دما تعیین میشوند، مشخص میکنند که آیا بخار قابل اشتعال میتواند به یک خطر تبدیل شود یا خیر.
- فشار بخار اشباع
این فشار به فشاری اشاره دارد که در آن یک ماده در دمای خاصی از مایع به گاز تبخیر میشود. فشار بخار معمولاً با افزایش دما بالا میرود. دمایی که در آن فشار برابر با فشار اتمسفر (101.3 کیلوپاسکال ≈ 760 میلیمتر جیوه) میشود، نقطه جوش نامیده میشود. غلظت (غلظت حجمی) گازی که در دمای خاصی تبخیر میشود را میتوان با محاسبه درصد فشار بخار نسبت به فشار اتمسفر تعیین کرد.
شکل بالا، منحنیهای فشار بخار اشباع برای اتانول و آب را نشان میدهد. از آنجا که نقطه جوش آب ۱۰۰ درجه سانتیگراد است، مشاهده میشود که منحنی فشار بخار در فشار ۱۰۱.۳ کیلوپاسکال، دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد را نشان میدهد. به عبارت دیگر، غلظت بخار آب اشباع در این نقطه ۱۰۰ درصد حجمی است.
از طرف دیگر، اتانول مایعی فرّارتر از آب است (یعنی فشار بخار بالاتری دارد)، همانطور که هر کسی که قبل از تزریق در بیمارستان با اتانول ضدعفونی شده باشد، به راحتی درک میکند. در عمل، نقطه جوش اتانول ۷۸ درجه سانتیگراد است. این داده نیز نشان میدهد که اتانول فرّارتر از آب است.
میتوانیم غلظت گاز اتانول را در دمای خاصی بر اساس فشار بخار آن دما محاسبه کنیم. به عنوان مثال، از منحنی فشار بخار اشباع میتوان دریافت که فشار بخار اتانول در ۲۰ درجه سانتیگراد تقریباً ۵.۸ کیلوپاسکال است. این مقدار را میتوان در معادله زیر قرار داد تا غلظت گاز محاسبه شود:
=غلظت گاز (درصد حجمی) = (فشار بخار در دمای مشخص) ÷ (فشار اتمسفر) × ۱۰۰
= ۵.۸ (kPa) ÷ ۱۰۱.۳ (kPa) × ۱۰۰
= ۵.۷ درصد حجمی
این محاسبه ارزش به خاطر سپردن دارد. حتی اگر منحنی فشار بخار مانند شکل بالا در دسترس نباشد، معمولاً برگه اطلاعات ایمنی (SDS) ارائهشده توسط تولیدکننده مواد شیمیایی، دادههای فشار بخار را برای دماهای معمولی (۲۰ تا ۳۰ درجه سانتیگراد) شامل میشود که میتوان از آنها برای محاسبه غلظت گاز استفاده کرد.
۲. نقطه اشتعال (Flash Point)
نقطه اشتعال به کمترین دمایی اشاره دارد که در آن، غلظت بخار یک ماده در هوا به حدی میرسد که در صورت وجود منبع احتراق، قابلیت اشتعال پیدا میکند. این دما را میتوان به عنوان دمایی تفسیر کرد که در آن، غلظت بخار قابل اشتعال به حد انفجاری پایین (LEL) میرسد. اگر نقطه اشتعال مایعی که بخار قابل اشتعال تولید میکند، پایینتر از دمای محیطی باشد که مایع در آن استفاده میشود، به دلیل خطر بالای آتشسوزی و انفجار، احتیاط زیادی در ارزیابی خطر اشتعال لازم است.
۳. نقطه خودسوزی (Ignition Point)
این دما به کمترین دمایی اشاره دارد که یک ماده قابل اشتعال در هوا، به دلیل افزایش دمای خود ماده (و نه تماس موضعی با یک جسم داغ مانند جرقه الکتریکی، شعله یا سیم فلزی گداخته) به صورت خودبهخود مشتعل میشود. تولیدکنندگان تجهیزات الکتریکی ضد انفجار باید دستگاهها را به گونهای طراحی و تولید کنند که دمای سطحی تجهیزات که احتمال تماس با گاز یا بخار قابل اشتعال را دارد، از نقطه خودسوزی گاز یا بخار مربوطه تجاوز نکند.
۴-۱. خطرات گازهای سمی
گازهای مورد استفاده یا تولیدشده به عنوان گازهای فرآیندی در صنایع مختلف، شامل گازهای سمی هستند که حتی در غلظتهای بسیار کم میتوانند آسیبهای جدی به سلامت انسان وارد کنند یا حتی منجر به مرگ شوند.
برخی گازها مانند **سولفید هیدروژن (H₂S)** و **آمونیاک (NH₃)** بوی مشخصی دارند که انسان میتواند حضور آنها را تشخیص دهد. با این حال، حس بویایی انسان قادر نیست تعیین کند که آیا غلظت این گازها به سطوح خطرناک رسیده است یا خیر (به عنوان مثال، حد آستانه مجاز مواجهه شغلی برای H₂S موسوم به **TLV-TWA: 1 ppm** طبق استاندارد ACGIH 2018).
**۱ ppm** معادل غلظتی است که با اضافه کردن تنها **یک قطره (۱ میلیلیتر = ۱ گرم یا ۱ سیسی)** از یک مایع سمی به یک مخزن بزرگ **۱۰۰۰ لیتری (۱ تن یا ۱ مترمکعب)** آب و مخلوط کردن کامل آن به دست میآید. فرض کنید این یک قطره (۱ ppm) سس سویا باشد. نه تنها تشخیص آن پس از مخلوط شدن به صورت بصری غیرممکن است، بلکه حتی با چشیدن نیز قابل تشخیص نخواهد بود. هرچند گازها با مایعات متفاوت هستند، بسیاری از گازهای سمی هم **بیرنگ** و هم **بیبو** هستند.
یک نمونه از چنین گاز سمی، **مونوکسید کربن (CO)** است که گازی بالقوه کشنده بوده و میتواند در اثر احتراق ناقص بخاریهای گازی در منازل تولید شود. این گاز گاهی اوقات به عنوان **قاتل خاموش** شناخته میشود، زیرا میتواند بدون آنکه تشخیص داده شود، باعث مسمومیت یا مرگ شود.
### **۵-۱. خطرات کمبود اکسیژن**
اکسیژن مادهای ضروری برای حفظ عملکرد بیولوژیکی انسان است. **کمبود اکسیژن (هیپوکسی)** تأثیرات جدی بر بدن، بهویژه مغز، میگذارد و وضعیتی بسیار خطرناک با نرخ مرگومیر بالا در محیطهای کاری محسوب میشود.
بررسی حوادث صنعتی مرتبط با کمبود اکسیژن در ژاپن نشان میدهد که بیشتر این موارد در بخشهای **تولیدی و ساختمانی** رخ داده و سالانه منجر به تلفات متعددی میشود.
**طبق آییننامه پیشگیری از کمبود اکسیژن در قانون ایمنی و بهداشت صنعتی ژاپن:**
– **شرایط کمبود اکسیژن** زمانی است که غلظت اکسیژن در هوا کمتر از ۱۸٪ باشد.
– از دتکتورهای گاز برای اطمینان از حفظ غلظت اکسیژن بالاتر از ۱۸٪ استفاده میشود.
### **علائم کمبود اکسیژن:**
– **۱۸٪ – ۱۶٪ اکسیژن:** افزایش تنفس، ضربان قلب سریعتر، اختلال در قضاوت و هماهنگی حرکتی.
– **۱۶٪ – ۱۲٪ اکسیژن:** تنفس سنگین، گیجی، سردرد، خوابآلودگی، کاهش قدرت تفکر و حرکت.
– **۱۲٪ – ۱۰٪ اکسیژن:** حالت تهوع، استفراغ، بیهوشی جزئی، کبودی لبها و پوست.
– **زیر ۱۰٪ اکسیژن:** بیهوشی، تشنج، آسیب مغزی، ایست تنفسی و مرگ در مدتزمان کوتاه.
**هشدار:** در محیطهای بسته یا فضاهای محدود (مانند مخازن، تونلها، چاهها) احتمال کاهش اکسیژن بهدلیل واکنشهای شیمیایی، جابجایی با گازهای دیگر یا مصرف اکسیژن وجود دارد. نظارت مستمر با دستگاههای سنجش اکسیژن و استفاده از تجهیزات تنفسی مناسب الزامی است.**
البته، در ادامه ترجمهی دقیق و روان متن موردنظر بدون هیچگونه افزودنی ارائه شده است:
5-2. سه علت اصلی کمبود اکسیژن
- مصرف اکسیژن موجود در هوا
علل اصلی مصرف اکسیژن:
اکسیداسیون آهن و فلزات دیگر (ماسه آهن، لولههای فلزی، مخازن فلزی)،
اکسیداسیون رنگ، مصرف زیستی اکسیژن (تنفس انسانها و میکروارگانیسمها)
- تخلیه یا ورود هوای کماکسیژن
هوای کماکسیژن که به دلایل مختلفی ایجاد میشود، در صورتی که بهدلیل شرایط کاری، روشهای ساختوساز یا شرایط آبوهوایی، تخلیه یا وارد مکانهایی با کمبود اکسیژن شود، میتواند موجب بیاکسیژنی گردد.
- تولید متان یا ورود گاز بیاثر
کمبود اکسیژن میتواند ناشی از انتشار متان (که در طبیعت وجود دارد) یا نشت گازهای بیاثر (مانند نیتروژن، دیاکسید کربن، آرگون) از مخازن یا لولهها در صنایع تولیدی باشد.
5-3. اکسیژن بیشازحد
اگرچه اکسیژن برای عملکرد زیستی انسان ضروری است، اما قرارگیری مداوم در معرض غلظتها یا فشارهای جزئی بالای اکسیژن میتواند منجر به مسمومیت با اکسیژن شود.
مسمومیت با اکسیژن باعث تشنج عمومی و از دست دادن هوشیاری میشود و در بدترین حالت، منجر به مرگ میگردد.
در محیطهایی که امکان بروز اکسیژن بیشازحد وجود دارد، باید غلظت گازها نهفقط برای کمبود اکسیژن (کمتر از ۱۸٪)، بلکه برای جلوگیری از غلظتهای بیشازحد نیز پایش شود.
البته، در ادامه ترجمهی دقیق و روان متن خواستهشده بدون هیچگونه افزودنی آورده شده است:
مناطق معمولی که نیاز به تشخیص گاز دارند
6-1. بازار دستگاههای گازسنج
بازار دستگاههای گازسنج شامل تمامی بازارهایی است که در آنها از گاز استفاده میشود.
- آزمایشگاهها، دانشگاهها، بیمارستانها
مراکز تحقیقاتی که از طیف گستردهای از گازها، از جمله گازهای قابل اشتعال و سمی استفاده میکنند، تدابیری برای ایمنی کارکنان تحقیقاتی اتخاذ میکنند؛ مانند تشخیص سریع نشت گاز از طریق پایش محیط با استفاده از گازسنجهای ثابت شرکت Riken Keiki.
علاوه بر گازسنجها، سیستمهای تحلیلی که قادر به انجام همزمان تحلیل پراش اشعه ایکس (XRD) و فلورسانس اشعه ایکس (XRF) در محل هستند نیز برای کاربردهایی مانند تحقیقات روی آثار فرهنگی غیرقابلانتقال مورد استفاده قرار میگیرند.
- صنعت الکترونیک
کارخانههای تولید نیمهرساناها و پنلهای LCD از گازهایی موسوم به گازهای مواد ویژه (گازهای بسیار سمی و قابل اشتعال) مانند سیلان، آرسین و فسفین استفاده میکنند.
در مورد این گازها، نشت در غلظتهای بسیار پایین (چند ppm تا چند ده ppm) نیز غیرقابلقبول است.
کارخانههای تولید نیمهرساناها و پنلهای LCD ممکن است صدها تا هزاران دستگاه گازسنج Riken Keiki برای محافظت از کارکنان در برابر نشت گاز نصب کرده باشند.
این دستگاهها مجهز به حسگرهای روش الکترولیز پتانسیواستاتیکی هستند که قادر به تشخیص نشت گاز در حد چند ppm میباشند.
- صنعت فولاد
گازهایی که بهعنوان محصولات جانبی در فرآیندهای تولید فولاد (گاز کک، گاز کوره بلند، گاز مبدل) تولید میشوند، دارای مقادیر زیادی هیدروژن و مونوکسید کربن هستند.
این گازها بهعنوان سوخت برای تولید برق در کارخانههای فولاد مجدداً مورد استفاده قرار میگیرند.
گازسنجهای قابلحمل Riken Keiki کارکنان داخل کارخانههای فولاد را در برابر خطرات انفجار و مسمومیت محافظت میکنند.
- صنعت پالایش نفت و پتروشیمی
صنعت پالایش نفت و پتروشیمی در فرآیندهای تولید خود با طیف گستردهای از گازهای قابل اشتعال و سمی سروکار دارد.
گازسنجهای ثابت و قابلحمل Riken Keiki در کاربردهایی مانند تشخیص نشت گازهای سمی و قابل اشتعال از تجهیزات و لولهها، مدیریت فرآیند و اندازهگیری محیط کار مورد استفاده قرار میگیرند.
پایشگرهای ثابت گازهای سمی برای مدیریت گازهای سمی در مرزهای کارخانه نیز بهطور فزایندهای مورد استفاده قرار میگیرند
- مناطق آتشفشانی و چشمههای آب گرم
گازهای آتشفشانی در نزدیکی دهانههای آتشفشان و در مناطقی که چشمههای آب گرم تخلیه میشوند، تولید میگردند.
این گازهای آتشفشانی حاوی گازهای سمی مانند دیاکسید گوگرد و سولفید هیدروژن هستند که در صورت استنشاق برای انسان مضرند.
غلظت این گازها بهطور مداوم بهدلیل فعالیتهای آتشفشانی و عوامل دیگر تغییر میکند.
دستگاههای گازسنج تخصصی برای پایش شبانهروزی غلظت دیاکسید گوگرد و سولفید هیدروژن به کار میروند تا از کارکنان و گردشگران محافظت شود.
- صنعت مواد غذایی
در صنعت مواد غذایی، نیتروژن و دیاکسید کربن در فرآیند بستهبندی برای جلوگیری از اکسید شدن غذا مورد استفاده قرار میگیرند.
از آنجا که این گازها خفهکننده هستند، گازسنجهای اکسیژن تخصصی در کارخانههای مواد غذایی نصب میشوند تا از کارکنان در برابر بیاکسیژنی محافظت کنند.
- صنعت ساختوساز
کار در حفاریهای زیرزمینی برای ساخت تونلها و همچنین کار درون منهولها میتواند کارکنان را در معرض تولید سولفید هیدروژن و شرایط کمبود اکسیژن قرار دهد؛ این وضعیت ناشی از باکتریهای مصرفکننده اکسیژن موجود در لایههای زیرزمینی است.
گازسنجهای قابلحمل اکسیژن و سولفید هیدروژن از کارکنان در برابر خطرات ناشی از کمبود اکسیژن و مسمومیت با سولفید هیدروژن محافظت میکنند.
- آتشنشانی و امداد و نجات
صحنههای آتشسوزی و حوادث، کارکنان را در معرض خطرات مختلفی قرار میدهند؛ از جمله انفجار ناشی از گازهای قابل اشتعال، کمبود اکسیژن، مسمومیت با مونوکسید کربن در اثر احتراق ناقص، و گازهای سمی مانند سولفید هیدروژن.
گازسنجهای شخصی چهارگازه برای پایش همزمان چهار گاز مختلف استفاده میشوند. این دستگاهها برای موقعیتهایی که نوع دقیق گازهای خطرناک ناشناخته است، بسیار مناسب هستند.
- حملونقل دریایی و کشتیسازی
کشتیهایی که مقادیر زیادی نفت خام، LNG یا LPG حمل میکنند، با خطر نشت گازهای قابل اشتعال از مخازن بار مواجه هستند.
گازسنجهای ثابت تخصصی برای پایش نشت گاز در این کشتیها بهکار میروند. این دستگاهها امکان شناسایی سریع نشتها را فراهم کرده و از وقوع انفجار و آلودگی دریایی جلوگیری میکنند.
همچنین، گازسنجهای قابلحمل توسط کارکنان در حین انجام عملیات ساختوساز پوشیده میشوند تا آنها را در برابر کمبود خطرناک اکسیژن و مسمومیت با گازهای سمی محافظت کنند.
- هوافضا
سوخت موشکها حاوی هیدروژن (گاز قابل اشتعال و بسیار انفجاری) و هیدرازین (گاز سمی برای انسان) است.
پایش این گازها برای ایمنی کاملاً ضروری است.
گازسنجهای ضدانفجار در مکانهایی که خطر انفجار بالا وجود دارد، مانند مناطقی که سوخت موشک با آنها سروکار دارد، برای اطمینان از ایمنی استفاده میشوند.
فناوریهای تشخیص گاز
7-1. فناوریهای حسگر گاز
برای مواجهه با محیطها و انواع گازهای متنوع در طیف گستردهای از صنایع، فناوریهای مختلف حسگر گاز توسعه یافتهاند.
در این بخش، ۱۳ نوع از رایجترین فناوریهایی که معمولاً در صنعت استفاده میشوند معرفی میگردند:
- روش احتراق کاتالیستی
- روش جدید کاتالیستی سرامیکی
- روش نیمهرسانا
- روش نیمهرسانای سیم داغ
- روش رسانش گرمایی
- روش الکترولیز پتانسیواستاتیکی
- روش الکترود با غشای جداکننده
- روش سلول گالوانیکی با غشای نفوذپذیر
- روش مادون قرمز غیرپراکنشی (NDIR)
- روش تداخلسنجی
- روش نوار شیمیایی
- آشکارساز یونش نوری (PID)
- روش آشکارسازی ذرات ناشی از پیرولیز
7-2. روش احتراق کاتالیستی
- توضیح مختصر
این حسگر بر پایه گرمای تولیدشده از سوزاندن گاز قابل اشتعال روی کاتالیست اکسیداسیون، گاز را شناسایی میکند. این حسگر رایجترین حسگر گاز است که بهطور خاص برای گازهای قابل اشتعال طراحی شده است.
- ساختار و اصول عملکرد
[ساختار]
این حسگر از یک المان آشکارساز و یک المان جبرانی تشکیل شده است.
المان آشکارساز شامل سیم پیچ فلز گرانبها (مانند پلاتین) و کاتالیست اکسیدکننده – مادهای فعال در برابر گاز قابل اشتعال – است که همراه با یک پایه آلومینا روی سیم پخته (سینتر) شدهاند. این المان در واکنش با هر گاز قابل شناسایی میسوزد.
المان جبرانی شامل سیم پیچ فلز گرانبها و شیشه – مادهای غیرفعال در برابر گاز قابل اشتعال – است که همراه با پایه آلومینا روی سیم پخته شدهاند. این المان اثرات محیط را تصحیح میکند.
[اصول عملکرد]
سیم پیچ فلز گرانبها، المان آشکارساز را تا دمای ۳۰۰ تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد گرم میکند. سپس گاز قابل اشتعال روی سطح المان آشکارساز میسوزد و دمای آن افزایش مییابد.
با تغییر دما، مقاومت سیم پیچ فلز گرانبها – که بخشی از المان است – تغییر میکند. این تغییر مقاومت تقریباً متناسب با غلظت گاز است.
مدار پل نشاندادهشده در شکل سمت راست به حسگر اجازه میدهد تغییر مقاومت را به ولتاژ تبدیل کرده و از آن برای تعیین غلظت گاز استفاده کند.
حسگر ثابت –
دسته: حالت جامد
گاز قابل شناسایی: گازهای قابل اشتعال
ویژگیها
O ویژگیهای خروجی:
سیم پیچ فلز گرانبها که منبع حرارت است، ضریب مقاومت وابسته به دما را بهصورت خطی تغییر میدهد.
در محدوده غلظت کمتر از حد انفجار (LEL)، واکنش احتراقی متناسب با غلظت گاز است.
در این محدوده، خروجی حسگر بهآرامی متناسب با تغییرات غلظت گاز تغییر میکند.
پاسخدهی:
گرمای احتراق تولیدشده روی سطح المان آشکارساز به سیم پیچ فلز گرانبها منتقل شده و مقاومت مدار پل را تغییر میدهد و سپس به سیگنال تبدیل میگردد.
با نرخ واکنش بالا، این حسگر در پاسخدهی، دقت و قابلیت تکرار عملکرد بسیار خوبی دارد.
O ویژگیهای دما و رطوبت:
مواد بهکاررفته در اجزای حسگر دارای مقاومت الکتریکی بالا هستند و کمتر تحت تأثیر دما و رطوبت محیط استفاده قرار میگیرند، بنابراین قرائتها تقریباً ثابت باقی میمانند.
توسعه کاتالیست:
المان آشکارساز از کاتالیستی استفاده میکند که واکنش احتراقی را تسهیل میکند.
این کاتالیست بهطور اختصاصی برای حسگرهای گاز توسعه یافته و با بهرهگیری از دانش فنی خاص طراحی شده است، که پایداری بلندمدت را فراهم میکند.
۷–۴. تشخیص گاز با دتکتورهای گاز نیمهرسانا
حسگر ثابت
**۱. شرح مختصر دتکتورهای گاز نیمهرسانا
این حسگر از یک نیمهرسانای اکسید فلزی استفاده میکند که مقاومت آن در تماس با گاز قابل تشخیص تغییر میکند. حسگر این تغییر مقاومت را بهعنوان غلظت گاز تشخیص میدهد. این یک حسگر همهکاره است که انواع گازها از گازهای سمی تا گازهای قابل اشتعال را شناسایی میکند.
**۲. ساختار و اصول کار دتکتورهای گاز نیمهرسانا
حسگر شامل یک سیم گرمکن و یک نیمهرسانای اکسید فلزی تشکیلشده روی یک لوله آلومینا است. دو الکترود طلا در دو انتهای لوله برای اندازهگیری مقاومت نیمهرسانا تعبیه شدهاند
**[ساختار دتکتورهای گاز نیمهرسانا
حسگر شامل یک سیم گرمکن و یک نیمهرسانای اکسید فلزی (SnO₂) تشکیلشده روی یک لوله آلومینا است. دو الکترود طلا (Au) در دو انتهای لوله برای اندازهگیری مقاومت نیمهرسانا تعبیه شدهاند.
**[اصول کار دتکتورهای گاز نیمهرسانا
سیم گرمکن، سطح نیمهرسانای اکسید فلزی را تا ۴۰۰–۳۵۰°C گرم میکند. با جذب اکسیژن هوا روی این سطح بهصورت O و O₂، نیمهرسانا مقاومت ثابتی حفظ میکند. سپس، گاز متان یا مشابه آن با سطح تماس یافته و جذب شیمیایی میشود. این گاز توسط یونهای O اکسید شده و تجزیه میشود. واکنش روی سطح حسگر بهصورت زیر است:
CH₄ + ۴O⁻ → CO₂ + ۲H₂O + ۸e⁻
بهطور خلاصه، گاز متان روی سطح حسگر جذب شده و اکسیژن جذبشده را جدا میکند. این امر الکترونهای آزاد درون حسگر را افزایش داده و مقاومت را کاهش میدهد. حسگر با اندازهگیری تغییر مقاومت، غلظت گاز را تعیین میکند.
**۳. ویژگیهای دتکتورهای گاز نیمهرسانا
**ویژگیهای خروجی دتکتورهای گاز نیمهرسانا
حسگر تغییرات مقاومت نیمهرسانا را تشخیص میدهد، یعنی حتی غلظتهای کم (در سطح ppm) که توسط حسگرهای سرامیکی جدید قابل تشخیص نیستند را نیز شناسایی میکند. این حسگر برای غلظتهای کم بسیار حساس بوده و سطح خروجی بالایی دارد.
**تشخیص گازهای سمی در دتکتورهای گاز نیمهرسانا
از آنجا که در اصل، مقاومت با تغییر تعداد الکترونها و تحرک آنها تغییر میکند، این حسگر طیف وسیعی از گازها از جمله گازهای سمی که گرمای احتراق کمتری تولید میکنند را تشخیص میدهد.
**ویژگیهای پیری دتکتورهای گاز نیمهرسانا
حسگر در بلندمدت پایداری خود را حفظ کرده و عمر طولانی دارد. در مقایسه با حسگرهای مبتنی بر احتراق کاتالیستی، این نوع حسگر مقاومت بالایی در برابر سمیت و شرایط سخت جوی دارد.
**انتخابپذیری گاز در دتکتورهای گاز نیمهرسانا
با افزودن ناخالصی به ماده نیمهرسانا، اثر تداخل تغییر میکند. این ویژگی به حسگر اجازه میدهد تا برخی گازها را بهصورت انتخابی تشخیص دهد.
۷-۵.تشخیص گاز از طریق روش نیمههادی نوع سیم داغ
سنسور ثابت
سنسور قابل حمل نیمههادی نوع سیم داغ
۱. شرح مختصر از دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
این سنسور از یک نیمههادی اکسید فلزی استفاده میکند که مقاومت آن در تماس با گاز قابل تشخیص تغییر میکند. سنسور این تغییر مقاومت را به عنوان غلظت گاز تشخیص میدهد. این یک سنسور گاز با حساسیت بالا برای غلظتهای کم است.
۲. ساختار و اصول دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
[ساختار]
سنسور از یک المان تشخیصی تشکیل شده است که شامل یک سیم پیچ از جنس فلز گرانبها (مثلاً پلاتین) و یک نیمههادی اکسید فلزی پخته شده روی سیم پیچ است، و یک المان جبرانی که مادهای غیرفعال در برابر گازهای قابل تشخیص روی آن پخته شده است.
[اصول عملکرد دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
مقاومت (R) المان تشخیصی، ترکیبی از مقاومت (RS) نیمههادی و مقاومت (RH) سیم پیچ فلز گرانبها است. المان تشخیصی توسط سیم پیچ فلز گرانبها تا ۳۰۰°C تا ۴۰۰°C گرم میشود و مقاومت ثابتی را حفظ میکند. سپس، گاز متان یا مشابه با المان تشخیصی تماس پیدا میکند و اکسیژن جذب شده روی سطح نیمههادی اکسید فلزی را جدا میکند. این امر تعداد الکترونهای آزاد در داخل نیمههادی را افزایش داده و مقاومت نیمههادی را کاهش میدهد. در نتیجه مقاومت کل المان تشخیصی کاهش مییابد. با تشخیص تغییر مقاومت توسط مدار پل، سنسور غلظت گاز را تعیین میکند.
رده جامد
گاز قابل تشخیص
۳. ویژگیهای دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
سنسور تغییرات مقاومت نیمههادی را تشخیص میدهد، یعنی حتی غلظتهای کم (سطح ppm) که توسط سنسورهای سرامیکی جدید قابل تشخیص نیستند را نیز تشخیص میدهد.
کوچکسازی و صرفهجویی در انرژی در دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
سیم پیچ فلز گرانبها برای گرمکن را میتوان کوچکتر کرد تا سنسوری کوچکتر با مصرف انرژی کمتر فراهم شود.
ویژگیهای پیری در دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
سنسور در بلندمدت پایداری خود را حفظ میکند و عمر طولانی دارد. در مقایسه با سنسورهای مبتنی بر احتراق کاتالیستی، این نوع سنسور مقاومت بالایی در برابر سمیت و جو شدید دارد.
انتخابپذیری گاز در دتکتور گاز نیمههادی نوع سیم داغ
با افزودن یک ناخالصی به نیمههادی اکسید فلزی، اثر تداخل تغییر میکند. این ویژگی به سنسور اجازه میدهد تا برخی گازها را به صورت انتخابی تشخیص دهد.
دتکتور گاز رسانائی گرمائی
- توضیح مختصر دتکتور گاز رسانائی گرمائی
این دتکتور با تشخیص تفاوت در رسانایی گرمایی، غلظت گاز را تعیین میکند. این یک دتکتور اثباتشده برای گازهای قابل اشتعال است که بهطور مؤثر گازهای با غلظت بالا را تشخیص میدهد.
- ساختار و اصول دتکتور گاز رسانائی گرمائی
[ساختار دتکتور گاز رسانائی گرمائی
این دتکتور از یک المان تشخیص و یک المان جبران تشکیل شده است. المانهای تشخیص و جبران در دو نوع موجود هستند: یکی شامل یک سیمپیچ پلاتین و مخلوطی از شیشه (یک ماده غیرفعال در برابر گاز قابل اشتعال) و یک پایه آلومینا است که روی سیمپیچ پخته شده است، و دیگری شامل یک سیمپیچ و یک فلز غیرفعال یا مشابه است که روی سیمپیچ پوشش داده شده است. المان تشخیص به گونهای طراحی شده است که گازهای قابل تشخیص با آن تماس پیدا کنند. المان جبران محصور شده است تا هیچ گاز قابل تشخیصی با آن تماس نداشته باشد.
[اصول دتکتور گاز رسانائی گرمائی
سیمپیچ پلاتین، المان تشخیص را تا 200 تا 500 درجه سانتیگراد گرم میکند. سپس، یک گاز قابل تشخیص با المان تشخیص تماس پیدا میکند و به دلیل رسانایی گرمایی خاص گاز، شرایط اتلاف گرما را تغییر میدهد و دمای المان تشخیص را افزایش میدهد. با این تغییر دما، مقاومت سیمپیچ پلاتین، که بخشی از المان است، تغییر میکند. تغییر مقاومت تقریباً متناسب با غلظت گاز است.
با تشخیص تغییر مقاومت توسط مدار پل، دتکتور غلظت گاز را تعیین میکند.
- ویژگیهای دتکتور گاز رسانائی گرمائی
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز رسانائی گرمائی
از آنجا که دتکتور تغییرات مقاومت سیمپیچ پلاتین را تشخیص میدهد، خروجی تا رسیدن به صد درصد حجمی تقریباً متناسب با غلظت است. این دتکتور برای تشخیص گازهای با غلظت بالا مناسب است.
تشخیص در شرایط بیاکسیژن دتکتور گاز رسانائی گرمائی
از آنجا که دتکتور تغییرات رسانایی گرمایی را تشخیص میدهد، میتواند گازها را حتی در جو بیاکسیژن نیز تشخیص دهد. اما گازهایی با تفاوت کوچک در رسانایی گرمایی با گاز مرجع را تشخیص نمیدهد.
دتکتور بهصورت فیزیکی تغییرات رسانایی گرمایی گاز را تشخیص میدهد و شامل واکنش شیمیایی مانند واکنش احتراق نیست. این بدان معناست که با تخریب یا مسمومیت کاتالیزور ارتباطی ندارد و پایداری بلندمدت را فراهم میکند.
تشخیص گازهای غیرقابل اشتعال دتکتور گاز رسانائی گرمائی
از آنجا که دتکتور از رسانایی گرمایی خاص گاز استفاده میکند، حتی گازهای غیرقابل اشتعال با تفاوت زیاد در رسانایی گرمایی، مانند آرگون، نیتروژن و دیاکسید کربن با غلظت بالا را نیز تشخیص میدهد.
۷-۷. روش الکترولیز پتانسیواستاتیک
۱. شرح مختصر دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
این دتکتور گاز قابل تشخیص را با استفاده از یک الکترود در پتانسیل ثابت الکترولیز میکند تا جریان ایجاد شود و سپس با اندازهگیری جریان، غلظت گاز را تعیین مینماید. این دتکتور گاز برای تشخیص گازهای سمی بسیار مناسب است. میتوان پتانسیل خاصی را برای تشخیص گاز خاصی تنظیم کرد.
۲. ساختار و اصول دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
[ساختار دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
دتکتور از یک الکترود (الکترود عمل) همراه با یک غشاء نفوذپذیر گاز و کاتالیزور (مثل طلا یا پلاتین)، الکترود مرجع و الکترود مقابل تشکیل شده که درون محفظهای پلاستیکی پر از محلول الکترولیت قرار گرفتهاند.
[اصول عملکرد دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
دتکتور از یک مدار پتانسیواستاتیک برای ثابت نگه داشتن پتانسیل بین الکترود عمل و الکترود مرجع استفاده میکند. الکترود عمل گاز قابل تشخیص را مستقیماً الکترولیز میکند. اگر گاز قابل تشخیص H2S باشد، واکنشهای زیر رخ میدهد:
الکترود عمل: H2S + 4H2O → H2SO4 + 8H+ + 8e
الکترود مقابل: 2O2 + 8H+ + 8e → 4H2O
جریان تولیدشده متناسب با غلظت گاز است. با اندازهگیری جریان بین الکترود عمل و الکترود مقابل، دتکتور غلظت گاز را تعیین میکند.
۳. ویژگیهای دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
غلظت گاز متناسب با مقدار جریان است. دتکتور مقدار جریان را بدون تغییر خروجی میدهد و بنابراین غلظت گاز متناسب با خروجی دتکتور است.
واکنشدهی دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
منحنی پاسخ همانطور که در شکل سمت راست نشان داده شده است. دتکتور با استفاده از واکنش کاتالیزوری گاز را به جریان تبدیل میکند. از آنجا که H2S کاتالیزور الکترود را تغییر نمیدهد، دتکتور از دقت و تکرارپذیری بالایی برخوردار است.
ویژگیهای پیری دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
تقریباً تا دو سال، حساسیت دتکتور در سطح حدود ۸۰٪ حساسیت اولیه باقی میماند. از آنجا که رطوبت تأثیر جزئی بر حساسیت دارد، ممکن است خوانش بسته به فصل تغییر کند.
ویژگیهای دمای دتکتور گاز الکترولیز پتانسیواستاتیک
با خوانش تقریباً پایدار در دماهای بالا، حساسیت دتکتور با کاهش دما ممکن است کاهش یابد. حتی در ۰°C، حساسیت دتکتور کمتر از ۸۰٪ نخواهد شد. با انجام تصحیح دما، نوسانات خوانش به حداقل میرسد.
۷-۸. روش تشخیص گاز با دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
۱. شرح مختصر دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
بر اساس اصول دتکتور پایهگذاری شده بر الکترولیز پتانسیواستاتیک، این دتکتور با یک فیلم نفوذپذیر گاز (غشای جداکننده) و یک الکترود عمل کاملاً جدا از هم ساختار یافته است. این یک دتکتور گاز سمی با انتخابپذیری عالی است.
. ساختار و اصول دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
[ساختار دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
دتکتور با یک الکترود عمل – یک الکترود فلزی با یک فیلم نفوذپذیر گاز که روی آن قرار گرفته – همراه با الکترودهای مرجع و مقابل ساختار یافته است. این الکترودها در یک محفظه پلاستیکی پر از محلول الکترولیت قرار دارند. بین الکترود عمل و فیلم، یک لایه بسیار نازک از محلول الکترولیت وجود دارد.
[اصول دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
یک گاز قابل تشخیص از طریق فیلم نفوذپذیر گاز عبور کرده و با یونهای موجود در محلول الکترولیت واکنش میدهد که هالوژن تولید میکند. اگر گاز قابل تشخیص Cl باشد، واکنش زیر رخ میدهد:
Cl2 + 2I- → 2Cl- + I2
I2 تولید شده توسط این واکنش در الکترود عمل کاهش مییابد، باعث میشود جریانی از مدار عبور کند. از آنجا که این جریان متناسب با غلظت گاز است، دتکتور مقدار جریان را برای تعیین غلظت گاز اندازه میگیرد. گاز قابل تشخیص قبل از واکنش با الکترود عمل با محلول الکترولیت واکنش میدهد و بنابراین هیچ تداخلی با گازهایی که با محلول الکترولیت واکنش نمیدهند رخ نمیدهد. این ویژگی به دتکتور انتخابپذیری عالی میبخشد.
۳. ویژگیها ی دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
غلظت گاز متناسب با مقدار جریان است. دتکتور مقدار جریان را بدون هیچ تغییری خروجی میدهد و بنابراین غلظت گاز متناسب با خروجی دتکتور است.
پاسخدهی دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
دتکتور به سرعت پاسخ میدهد. از آنجا که الکترودها یا محلول الکترولیت به ندرت توسط گاز کلر خورده میشوند، دتکتور از دقت و تکرارپذیری عالی برخوردار است.
ویژگیهای پیری دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
عملکرد دتکتور با گذشت زمان کاهش نمییابد و تقریباً هیچ تغییری در خروجی مشاهده نمیشود. با این حال، اگر فیلم نفوذپذیر گاز به دلیل چسبیدن ذرات خارجی، نفوذپذیری گاز را از دست بدهد، این ممکن است منجر به کاهش خروجی شود.
ویژگیهای دما و رطوبت دتکتور گاز با الکترود با غشای جداکننده
دماهای بالا تقریباً هیچ تأثیری بر خروجی ندارند در حالی که دماهای پایین احتمالاً خروجی را کاهش میدهند. حتی در دمای ۰ درجه سانتیگراد، دتکتور حساسیت خود را در سطحی نه کمتر از ۸۰٪ حفظ میکند. با انجام تصحیحات دما، نوسانات قرائت به حداقل میرسد. خروجی تحت تأثیر رطوبت قرار نمیگیرد.
۷-۹. روش تشخیص گاز با دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
۱. شرح مختصر دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
این دتکتور ساده و سنتی بر اساس اصول سلولها عمل میکند. این دتکتور بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی، پایداری بلندمدت دارد.
۲. ساختار و اصول دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
[ساختار دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
دتکتور از یک کاتد (فلز گرانبها) و آند (سرب) قرارگرفته در یک محلول الکترولیتی تشکیل شده است. یک غشای جداساز به سطح خارجی کاتد چسبیده است. با اتصال کاتد و آند از طریق یک مقاومت ثابت، مقدار ولتاژ خروجی تولید میشود.
[اصول دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
اکسیژن از غشای جداساز عبور کرده و در کاتد کاهش مییابد. همزمان در آند، سرب در محلول الکترولیتی حل میشود (اکسید میشود). واکنشهای زیر در الکترودها رخ میدهد:
کاتد: O2 + 2H2O + 4e → 4OH
آند: 2Pb → 2Pb2+ + 4e
جریان ناشی از واکنش کاهش، توسط مقاومت به ولتاژ تبدیل شده و از ترمینال خروجی خارج میشود. خروجی دتکتور متناسب با غلظت اکسیژن (فشار جزئی) است.
۳. ویژگیهای دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
غلظت اکسیژن با مقدار جریان متناسب است. دتکتور مقدار جریان را به ولتاژ تبدیل کرده و سپس آن را خروجی میدهد. بنابراین، خروجی دتکتور در محدوده ۰ تا ۱۰۰٪ با غلظت اکسیژن متناسب است.
سرعت پاسخ دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
با سرعت پاسخ بالا، این دتکتور از دقت و تکرارپذیری بالایی برخوردار است.
ویژگیهای پیری
با عمر طولانی، این دتکتور میتواند به مدت دو تا سه سال مورد استفاده قرار گیرد.
ویژگیهای دما و رطوبت دتکتور گاز با سلول گالوانیک غشایی
دتکتور از یک ترمیستور داخلی برای جبران دمایی استفاده میکند، بنابراین خوانش تقریباً به دما وابسته نیست.
۷-۱۰.تشخیص گاز به روش مادون قرمز غیرپاشنده
۱. شرح مختصر دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
بر اساس این واقعیت که بسیاری از گازها اشعه مادون قرمز را جذب میکنند، این دتکتور نور مادون قرمز را به سلول اندازهگیری اعمال میکند تا تغییرات نور مادون قرمز ناشی از جذب گاز قابل تشخیص را شناسایی کند. این روش تمام نور مادون قرمز در محدوده طولموج خاصی را بدون تفکیک (پاشش) نور مادون قرمز بر اساس طولموج، بهصورت یکپارچه تشخیص میدهد. 
. ساختار و اصول دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
[ساختار دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
این دتکتور از یک منبع نور مادون قرمز و یک سنسور مادون قرمز تشکیل شده است که بین آنها یک سلول اندازهگیری و یک فیلتر نوری قرار گرفته است. منبع نور مادون قرمز، نور را ساطع میکند که از طریق سلول اندازهگیری و فیلتر نوری عبور کرده و توسط سنسور مادون قرمز تشخیص داده میشود. فیلتر نوری به طولموجهای مادون قرمز که توسط گاز قابل تشخیص جذب میشوند، اجازه عبور انتخابی میدهد.
[اصول عملکرد دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
یک گاز قابل تشخیص وارد سلول اندازهگیری شده و نور مادون قرمز را جذب میکند. این امر باعث کاهش مقدار نور مادون قرمز تشخیصداده شده توسط سنسور مادون قرمز میشود. برخی از گازهای قابل تشخیص با غلظتهای شناخته شده وارد میشوند تا رابطه (منحنی کالیبراسیون) بین کاهش مقدار نور مادون قرمز و غلظت هر گاز قابل تشخیص تعیین شود. هنگامی که یک گاز قابل تشخیص با غلظت ناشناخته وارد میشود، دتکتور از منحنی کالیبراسیون بر اساس کاهش اندازهگیریشده مقدار نور مادون قرمز برای تعیین غلظت گاز استفاده میکند.
. ویژگیهای دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
ویژگیهای خروجی دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
غلظت گاز و خروجی دتکتور رابطه متناسب ندارند، بلکه رابطه آنها مطابق منحنی نشانداده شده در شکل پائین است. (i-C4H10: ایزوبوتان)
ویژگیهای پاسخدهی دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
هنگامی که گاز با دبی ثابت به دتکتور گاز تغذیه میشود، دتکتور پاسخهای قابل تکرار و دقیقی ارائه میدهد. 
ویژگیهای پیری در دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
در محیطی با تغییرات دمایی کم، دتکتور پایدار باقی میماند و بدون کاهش دقت خوانش در طول زمان عمل میکند. بسته به محیط، ممکن است دتکتور با گذشت زمان بهطور قابل توجهی تخریب شود. در این صورت، میتوان با انجام کالیبراسیون گاز هر شش ماه یکبار، تخریب را به حداقل رساند.
ویژگیهای دما و رطوبت در دتکتور مادون قرمز غیرپاشنده
با انجام تصحیحات دمایی، میتوان وابستگی خوانشها به دما را در محدوده دمایی مشخصشده به حداقل رساند.
در صورت عدم تشکیل میعان (%LEL) در داخل سلول گاز، دتکتور تقریباً تحت تأثیر رطوبت قرار نمیگیرد.
. روش تشخیص گاز با تداخل سنجی
۱. شرح کلی دتکتور گاز تداخل سنجی
این دتکتور گاز، که یکی از قدیمیترین حسگرهای گاز ماست، تغییرات در ضریب شکست گاز را تشخیص میدهد. با دقت بالا، پایداری بلندمدت را حفظ میکند. در گذشته، داخل معادن زغالسنگ برای اندازهگیری غلظت متان استفاده میشد و در سالهای اخیر، بهطور گسترده برای اندازهگیری غلظت حلالها یا مقادیر حرارتی گازهای سوختی مانند گاز طبیعی کاربرد دارد.
۲. ساختار و اصول دتکتور گاز تداخل سنجی
[ساختار دتکتور گاز تداخل سنجی
منبع نور، نور را ساطع میکند که توسط آینه تخت موازی به دو پرتو نور (A و B) تقسیم و توسط منشور بازتاب میشود. پرتو A یک سفر رفت و برگشت در محفظه گاز D، که گاز قابل تشخیص جریان دارد، انجام میدهد و پرتو B یک سفر رفت و برگشت در محفظه گاز E، که گاز مرجع جریان دارد، انجام میدهد. دو پرتو نور A و B در نقطه C آینه تخت موازی به هم میرسند و یک الگوی تداخلی روی سنسور تصویر از طریق آینه و لنز تشکیل میدهند.
[اصول عملکرد دتکتور گاز تداخل سنجی
یک الگوی تداخلی به نسبت تفاوت در ضریب شکست بین گاز قابل تشخیص و گاز مرجع حرکت میکند. حسگر مبتنی بر تداخلسنج نوری، مسافت حرکت الگوی تداخلی را اندازهگیری میکند تا ضریب شکست گاز قابل تشخیص را تعیین و آن را به غلظت گاز یا مقدار حرارتی تبدیل کند.
۳. ویژگی های دتکتور گاز تداخل سنجی
مسافت حرکت الگوی تداخلی AB که توسط این حسگر اندازهگیری میشود، با معادله زیر نشان داده میشود:
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز تداخل سنجی
الگوی تداخلی
از آنجا که تغییر در ضریب شکست متناسب با تغییر در غلظت گاز است، حسگر خطیبودن بسیار بالایی ارائه میدهد.
پاسخدهی دتکتور گاز تداخل سنجی
حسگر اندازهگیری را با تکمیل جایگزینی در محفظه گاز با حجم ۰.۵ تا ۵ میلیلیتر به پایان میرساند. برخی مدلها اندازهگیری را در ۵ تا ۱۰ ثانیه با پاسخ ۹۰٪ تکمیل میکنند.
ویژگیهای پیری دتکتور گاز تداخل سنجی
بارزترین ویژگی این حسگر این است که حساسیت آن کاهش نمییابد. حساسیت حسگر فقط به طول محفظه گاز L و طول موج منبع نور λ بستگی دارد. از آنجا که هر دو این پارامترها ثابت هستند، حسگر حساسیت پایدار بلندمدت ارائه میدهد. حتی اگر عنصر نوری کثیف شود، تأثیری بر مسافت حرکت الگوی تداخلی ندارد؛ بنابراین، حسگر تا زمانی که بتواند الگو را تشخیص دهد، حساسیت آن کاهش نمییابد.
ویژگیهای فشار و دما در دتکتور گاز تداخل سنجی
اگرچه ضریب شکست گاز بسته به دما T و فشار P تغییر میکند، حسگر دما و فشار را اندازهگیری میکند تا آنها را تصحیح کند و بنابراین تحت تأثیر آنها قرار نمیگیرد.
7-12.تشخیص گاز به روش نوار شیمیایی
- شرح کلی دتکتور گاز با نوار شیمیائی
این حسگر از نوار سلولزی آغشته به ماده رنگزا استفاده میکند. با عبور یا نفوذ گاز قابل تشخیص به داخل این نوار، واکنشی شیمیایی رخ داده و رنگ نوار تغییر میکند. حسگر با اندازهگیری نور بازتابشده از رنگ ایجادشده بر اثر واکنش بین ماده رنگزا و گاز، غلظت بسیار کم گازهای سمی را به صورت کمی تشخیص میدهد.
- ساختار و اصول دتکتور گاز با نوار شیمیائی
[ساختار دتکتور گاز با نوار شیمیائی
حسگر دارای محفظهای است که گاز قابل تشخیص وارد آن میشود. این محفظه یک ظرف ضد نور است که داخل آن منبع نور و بخش گیرنده نور برای تشخیص رنگ نوار قرار گرفتهاند. حسگر شامل این محفظه گاز و اجزای دیگری مانند مکانیسم قرقره برای جمعآوری نوار پس از هر اندازهگیری است.
[اصول دتکتور گاز با نوار شیمیائی
وقتی گاز قابل تشخیص با نوار آغشته به ماده رنگزا تماس پیدا میکند، واکنش شیمیایی رخ داده و نوار رنگ میگیرد. به عنوان مثال، اگر فسفین (PH3) با نوار تماس پیدا کند، کلوئید نقره طبق فرمول زیر تولید میشود و یک لکه رنگی روی نوار سفید ظاهر میشود:
PH3 + AgCIO → Ag + H3PO4 + 1/2 Cl2
حسگر نور را به نقطه رنگیشده نوار تابانده و تغییر شدت نور بازتابشده قبل و بعد از ورود گاز را اندازهگیری میکند؛ بنابراین غلظت گاز را به دقت محاسبه میکند.
- ویژگیها ی دتکتور گاز با نوار شیمیائی
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز با نوار شیمیائی
وقتی گاز قابل تشخیص وارد بخش تشخیص میشود، نوار شروع به رنگگرفتن میکند و خروجی به تدریج افزایش مییابد. از آنجا که حسگر تغییرات رنگ را اندازهگیری میکند، خروجی به صورت منحنی نمایش داده میشود.
ویژگیهای دما و رطوبت در دتکتور گاز با نوار شیمیائی
برای فسفین (PH3)، حسگرهای نوارای وابسته به دما نیستند. همچنین بدون وابستگی زیاد به رطوبت، این حسگر در محدوده دمایی و رطوبتی عملیاتی، قرائت دقیقی ارائه میدهد.
ویژگیهای پیری در دتکتور گاز با نوار شیمیائی
آزمایشهای مداوم روی حسگر نشان میدهد که بدون کاهش حساسیت به گاز، اندازهگیری پایدار انجام میدهد.
ویژگیهای دتکتور گاز با نوار شیمیائی
– حساسیت بسیار بالا با انتخابپذیری عالی
– استفاده از نوار کاست که تعویض آن آسان است
– تغذیه نوار برای هر اندازهگیری، که هیچ هیسترزیسی ایجاد نمیکند
– رنگگرفتن نوار بر اثر گاز قابل تشخیص تجمع مییابد، که امکان تشخیص غلظتهای بسیار کم گاز را فراهم میکند.
7-13. دتکتور یونیزاسیون نوری
- شرح کلی دتکتور یونیزاسیون نوری
این حسگر گاز با اعمال نور فرابنفش به گاز قابل تشخیص، باعث یونیزه شدن آن میشود. این عمل جریان یونی ایجاد میکند. حسگر این جریان را اندازهگیری کرده و غلظت گاز را تعیین مینماید. این حسگر محدوده وسیعی از گازها را بدون توجه به آلی یا معدنی بودن آنها تشخیص میدهد. معمولاً برای اندازهگیری غلظت ترکیبات آلی فرار (VOCs) در محدوده ppb تا ppm استفاده میشود.
- ساختار و اصول دتکتور یونیزاسیون نوری
[ساختار دتکتور یونیزاسیون نوری
حسگر از یک محفظه یونیزاسیون برای ورود گاز قابل تشخیص، یک لامپ فرابنفش برای تابش نور و الکترودهای مثبت و منفی برای تشخیص جریان یونی تشکیل شده است.
[اصول عملکرد دتکتور یونیزاسیون نوری
گاز قابل تشخیص وارد محفظه یونیزاسیون شده و در معرض نور فرابنفش از منبع نور (لامپ فرابنفش) قرار میگیرد. این عمل باعث آزاد شدن الکترونها و تولید کاتیون میشود. کاتیونها و الکترونهای تولید شده توسط الکترودهای مثبت و منفی جذب شده و جریان الکتریکی ایجاد میکنند. از آنجا که این جریان متناسب با غلظت گاز است، حسگر با اندازهگیری مقدار جریان، غلظت گاز قابل تشخیص را تعیین میکند.
برای یونیزه کردن یک گاز، نیاز به اعمال انرژی فوتونی بیشتر از انرژی یونیزاسیون خاص آن گاز است. انرژی فوتون با واحد الکترون ولت (eV) بیان میشود. این حسگر از لامپهایی با انرژی فوتونی 10.6 eV و 11.7 eV استفاده میکند. هرچه انرژی فوتون بیشتر باشد، مقدار بیشتری از گاز قابل تشخیص یونیزه میشود.
- ویژگیهای دتکتور یونیزاسیون نوری
ویژگیهای خروجی دتکتور یونیزاسیون نوری
برای گازهایی با غلظت پایین (چند صد ppm)، خروجی حسگر تقریباً متناسب با غلظت گاز بوده و به صورت خطی با افزایش غلظت گاز، افزایش مییابد.
برای گازهایی با غلظت پایین خروجی حسگر تقریباً متناسب با غلظت گاز بوده و به صورت خطی با افزایش غلظت گاز، افزایش مییابد
لامپ فرابنفش:
انرژی فوتونی (eV) لامپ فرابنفش توسط ترکیب گاز موجود در لامپ و جنس پنجره لامپ تعیین میشود.
انرژی یونیزاسیون مواد معمول:
با اعمال انرژی فوتونی بیشتر از انرژی یونیزاسیون خاص هر گاز، حسگر گاز را یونیزه کرده و غلظت آن را تعیین میکند. این حسگر معمولاً از لامپهای 10.6 eV یا 11.7 eV استفاده میکند.
جدول انرژی فوتونی:
گاز داخل لامپ | جنس پنجره | انرژی فوتونی (eV)
زنون | یاقوت کبود | 8.4
کریپتون | فلورید منیزیم | 10.6
آرگون | فلورید لیتیم | 11.7
7-14. روش تشخیص گاز با ذرات پیرولیز شده
- شرح کلی دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
این حسگر گاز، گاز قابل تشخیص را حرارت داده تا اکسید تولید کند و سپس ذرات اکسید را با استفاده از یک حسگر ذره سنجی میکند. این حسگر پایداری بلندمدت داشته و مقاومت عالی در برابر تداخل و پاسخگویی سریع دارد. حسگر ذره بر اساس اصول مشابه حسگرهای دود یونیزاسیونی که از پرتوها استفاده میکنند، کار میکند.
- ساختار و اصول دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
[ساختار دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
این حسگر معمولاً ترکیبی از یک تجزیهگر حرارتی و حسگر ذره است. در مرکز تجزیهگر حرارتی یک لوله کوارتزی پیچیده شده با عنصر گرمایشی قرار دارد.
حسگر ذره شامل یک محفظه اندازهگیری (که به طور مداوم با استفاده از پرتوهای آلفا جریان یون تولید میکند) و یک محفظه جبران است. گاز قابل تشخیص فقط وارد محفظه اندازهگیری میشود، در حالی که محفظه جبران به اتمسفر باز است.
[اصول دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
بسیاری از گازهای آلی فلزی مانند TEOS در اثر حرارت، اکسید ذرهای تولید میکنند. گاز قابل تشخیص از طریق تجزیهگر حرارتی اکسید شده و وارد حسگر ذره میشود.
در محفظه اندازهگیری حسگر ذره، از یک منبع پرتو آلفا برای یونیزه کردن هوا استفاده میشود که باعث جریان یونی میشود. ذرات وارد محفظه اندازهگیری شده و یونها را جذب میکنند؛ این امر جریان یونی را کاهش داده و در نتیجه خروجی حسگر کم میشود. بر اساس میزان کاهش خروجی، غلظت گاز تعیین میشود. محفظه جبران، نوسانات خروجی حسگر ناشی از دما، رطوبت و/یا فشار را جبران میکند.
- ویژگیهای دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
ویژگیهای خروجی دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
خروجی حسگر به غلظت ذرات تولید شده از طریق تجزیه حرارتی بستگی دارد. حسگر از یک منحنی کالیبراسیون استفاده میکند تا غلظت گاز نسبت به قرائت خطی باشد.
پاسخگویی دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
از آنجا که گاز وارد شده به بخش تشخیص بلافاصله در تجزیهگر حرارتی اکسید میشود، حسگر از سرعت پاسخ بالا و تکرارپذیری عالی برخوردار است.
ویژگیهای پیری در دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
حسگر از Am-241 به عنوان منبع پرتو استفاده میکند که نیمه عمر بسیار طولانی (حدود 400 سال) دارد و در نتیجه عملکرد حسگر به مرور زمان به سختی کاهش مییابد.
ویژگیهای دمایی در دتکتور گاز با ذرات پیرولیز شده
حسگر از محفظه جبران برای جبران اثرات دما استفاده میکند و بنابراین ویژگیهای دمایی عالی از خود نشان میدهد.
