دتکتورهای گاز نیمه‌هادی یکی از انواع حسگرهای تشخیص گاز هستند که از مواد نیمه‌هادی، معمولاً اکسید فلز (Metal Oxide Semiconductor – MOS)، برای شناسایی گازهای مختلف استفاده می‌کنند. این نوع حسگرها به دلیل حساسیت بالا، پاسخ سریع و دوام طولانی در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ساختار دتکتور گاز نیمه‌هادی

یک دتکتور گاز نیمه‌هادی شامل بخش‌های زیر است:

الف) ماده حسگر (Sensing Material)

ب) المنت گرمایشی (Heating Element)

ج) الکترودهای اندازه‌گیری (Electrodes)

د) مدار پردازش سیگنال

2. عملکرد دتکتور گاز نیمه‌هادی

مرحله ۱: جذب گاز توسط ماده نیمه‌هادی

مرحله ۲: تغییر در هدایت الکتریکی

مرحله ۳: اندازه‌گیری و پردازش سیگنال

3. انواع دتکتورهای گاز نیمه‌هادی بر اساس عملکرد

الف) دتکتورهای گاز کاهش‌دهنده (Reducing Gas Detectors)

ب) دتکتورهای گاز اکسیدکننده (Oxidizing Gas Detectors)

4. مزایا و معایب دتکتورهای گاز نیمه‌هادی

✅ مزایا:

❌ معایب:

5. کاربردهای دتکتور گاز نیمه‌هادی

نتیجه‌گیری

دتکتورهای گاز نیمه‌هادی به دلیل سادگی، هزینه مناسب و حساسیت بالا، یکی از پرکاربردترین حسگرهای گازی هستند. با این حال، برای افزایش دقت و کاهش تأثیرات محیطی، اغلب در ترکیب با حسگرهای دیگر یا الگوریتم‌های پردازش داده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

A.17.8.2 اصول عملکرد دتکتورهای شعله

(1) حسگرهای شعله. حسگرهای شعله فرابنفش معمولاً از یک لوله گایگر-مولر فوتودیود خلاء برای تشخیص شعله استفاده می‌کنند.

این حسگرها همچنین تابش فرابنفش تولید شده توسط شعله را تشخیص می‌دهند. فوتودیود اجازه می‌دهد تا یک جریان ناگهانی برای هر فوتون فرابنفشی که به ناحیه فعال لوله برخورد می‌کند، جاری شود. هنگامی که تعداد جریان‌های ناگهانی در واحد زمان به سطح از پیش تعیین‌شده‌ای برسد، حسگر هشدار را فعال می‌کند. یک حسگر شعله مادون‌قرمز با طول‌موج واحد از یکی از چندین نوع فوتوسل برای تشخیص تابش مادون‌قرمز در یک باند طول‌موج واحد که توسط شعله تولید می‌شود، استفاده می‌کند. این حسگرها معمولاً شامل تمهیداتی برای کاهش هشدارهای ناشی از منابع رایج مادون‌قرمز مانند نور لامپ‌های رشته‌ای یا نور خورشید هستند. یک حسگر شعله فرابنفش/مادون‌قرمز (UV/IR) تابش فرابنفش را با استفاده از یک لوله فوتودیود خلاء و یک طول‌موج انتخابی از تابش مادون‌قرمز را با استفاده از یک فوتوسل تشخیص می‌دهد.

یک سیگنال هشدار می‌تواند فعال شود. یک حسگر شعله مادون‌قرمز با چند طول‌موج (IR/IR) تابش را در دو یا چند باند باریک از طول‌موج‌ها در طیف مادون‌قرمز تشخیص می‌دهد. این حسگرها به صورت الکترونیکی تابش‌ها را بین باندها مقایسه کرده و در صورتی که رابطه بین دو باند نشان‌دهنده آتش باشد، یک سیگنال فعال می‌کنند.

(2) حسگرهای جرقه/ذغال. یک حسگر جرقه/ذغال معمولاً از یک فوتودیود حالت جامد یا فوتوترانزیستور برای تشخیص انرژی تابشی ساطع شده از ذغال‌ها استفاده می‌کند که معمولاً بین ۰.۵میکرون تا ۲.۰ میکرون در محیط‌های معمولاً تاریک است. این حسگرها می‌توانند بسیار حساس (در حد میکرووات) ساخته شوند و زمان پاسخ‌دهی آنها می‌تواند بسیار کوتاه (در حد میکروثانیه) باشد.

A.17.8.2.1 انرژی تابشی ساطع شده از یک شعله یا جرقه/ذغال شامل تابش‌هایی در باندهای مختلف طیف فرابنفش، مرئی و مادون‌قرمز است. مقدار نسبی تابش ساطع شده در هر بخش از طیف توسط شیمی سوخت، دما و سرعت احتراق تعیین می‌شود. حسگر باید با ویژگی‌های آتش تطبیق داده شود.

تقریباً تمام موادی که در احتراق شعله‌ور شرکت می‌کنند، تا حدی در طول احتراق شعله‌ور تابش فرابنفش ساطع می‌کنند، در حالی که فقط سوخت‌های حاوی کربن تابش قابل توجهی در باند ۴.۳۵میکرون (دی‌اکسید کربن) که توسط بسیاری از انواع حسگرها برای تشخیص شعله استفاده می‌شود، ساطع می‌کنند.به شکلA.17.8.2.1 مراجعه کنید.

انرژی تابشی ساطع شده از یک ذغال عمدتاً توسط دمای سوخت (تابش بر اساس قانون پلانک) و گسیل‌پذیری سوخت تعیین می‌شود. انرژی تابشی ساطع شده از یک ذغال عمدتاً در محدوده مادون‌قرمز و به میزان کم‌تری در محدوده مرئی است. به طور کلی، ذغال‌ها تا زمانی که به دمای ۳۲۴۰ درجه فارنهایت (۱۷۲۷ درجه سانتی‌گراد یا ۲۰۰۰ کلوین) برسند، انرژی فرابنفش را به مقدار قابل توجهی (۰.۱ درصد از کل تابش) ساطع نمی‌کنند. در بیشتر موارد، تابش‌ها در محدوده ۰.۸ میکرون تا ۲.۰ میکرون قرار می‌گیرند که مربوط به دماهای تقریبی ۷۵۰ درجه فارنهایت تا ۱۸۳۰ درجه فارنهایت (۳۹۸ درجه سانتی‌گراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) است.

بیشتر حسگرهای انرژی تابشی دارای نوعی مدار تأیید درون خود هستند که از زمان برای کمک به تشخیص بین سیگنال‌های گذرا و نادرست و هشدارهای واقعی آتش استفاده می‌کنند. این مدارها در مواردی که سناریوی آتش مورد انتظار و توانایی حسگر برای پاسخ به آن آتش مورد انتظار در نظر گرفته می‌شود، بسیار مهم می‌شوند. به عنوان مثال، یک حسگر که از یک مدار انتگرال‌گیر یا زمان‌بندی برای پاسخ به نور سوسو‌زننده یک آتش استفاده می‌کند، ممکن است به خوبی به یک انفجار ناشی از اشتعال بخارات و گازهای قابل اشتعال تجمع‌یافته یا در مواردی که آتش یک جرقه است که با سرعت تا ۳۲۸ فوت بر ثانیه (۱۰۰ متر بر ثانیه) از مقابل حسگر عبور می‌کند، پاسخ ندهد. در این شرایط، یک حسگر با قابلیت پاسخ‌دهی سریع بسیار مناسب است. از طرف دیگر، در کاربردهایی که توسعه آتش کندتر است، یک حسگر که از زمان برای تأیید سیگنال‌های تکراری استفاده می‌کند، مناسب است. در نتیجه، نرخ رشد آتش باید در انتخاب حسگر در نظر گرفته شود. عملکرد حسگر باید به گونه‌ای انتخاب شود که به آتش مورد انتظار پاسخ دهد.

تابش‌های انرژی تنها معیار مورد توجه نیستند. محیط بین آتش مورد انتظار و حسگر نیز بسیار مهم است. طول‌موج‌های مختلف انرژی تابشی با درجات مختلفی از کارایی توسط موادی که در هوا معلق هستند یا روی سطوح نوری حسگر تجمع می‌کنند، جذب می‌شوند. به طور کلی، آئروسل‌ها و رسوبات سطحی حساسیت حسگر را کاهش می‌دهند. تشخیص فناوری مورد استفاده باید آئروسل‌ها و رسوبات سطحی که به طور معمول اتفاق می‌افتند را در نظر بگیرد تا کاهش پاسخ سیستم بین فواصل تعمیر و نگهداری به حداقل برسد. لازم به ذکر است که دود ناشی از احتراق تقطیرات نفتی با فراکسیون‌های متوسط و سنگین، به شدت در انتهای طیف فرابنفش جذب‌کننده است. اگر از این نوع تشخیص استفاده می‌شود، سیستم باید به گونه‌ای طراحی شود که اثر تداخلی دود بر پاسخ سیستم تشخیص را به حداقل برساند.

محیط و شرایط محیطی پیش‌بینی‌شده در منطقه تحت حفاظت، بر انتخاب حسگر تأثیر می‌گذارد. همه حسگرها محدودیت‌هایی در محدوده دمای محیطی دارند که در آن محدوده، مطابق با حساسیت‌های آزمایش‌شده یا تأیید‌شده خود پاسخ می‌دهند. طراح باید اطمینان حاصل کند که حسگر با محدوده دمای محیطی پیش‌بینی‌شده در منطقه‌ای که نصب می‌شود، سازگار است. علاوه بر این، باران، برف و یخ هر دو تابش فرابنفش و مادون‌قرمز را به درجات مختلف تضعیف می‌کنند. در مواردی که این شرایط پیش‌بینی می‌شود، باید تمهیداتی برای محافظت از حسگر در برابر تجمع این مواد روی سطوح نوری آن در نظر گرفته شود.

A.17.8.2.2 تابش‌های انرژی طبیعی که از آتش ناشی نمی‌شوند، ممکن است در منطقه خطر وجود داشته باشند. هنگام انتخاب حسگر برای یک منطقه، سایر منابع احتمالی تابش انرژی باید ارزیابی شوند. برای اطلاعات بیشتر به A.17.8.2.1 مراجعه کنید.

A.17.8.3.1.1 همه حسگرهای نوری بر اساس معادله نظری زیر پاسخ می‌دهند:

که در آن:

حساسیت (S) معمولاً بر حسب نانووات اندازه‌گیری می‌شود. این معادله منحنی‌هایی مشابه منحنی نشان‌داده‌شده در شکلA.17.8.3.1.1 را تولید می‌کند.
این منحنی حداکثر فاصله‌ای را تعریف می‌کند که در آن حسگر به طور مداوم آتش با اندازه و سوخت مشخصی را تشخیص می‌دهد. حسگرها باید فقط در ناحیه سایه‌دار بالای منحنی استفاده شوند.

بیشتر بخوانید: رفع خطای سیستم اعلام حریق

در بهترین شرایط و بدون جذب جوی، توان تابشی که به حسگر می‌رسد، اگر فاصله بین حسگر و آتش دو برابر شود، به میزان یک چهارم کاهش می‌یابد. برای محاسبه تضعیف جوی، عبارت نمایی زتا (ζ) به معادله اضافه می‌شود. زتا معیاری از شفافیت هوا در طول‌موج مورد نظر است. زتا تحت تأثیر رطوبت، گرد و غبار و هرگونه آلاینده دیگر در هوا قرار می‌گیرد که در طول‌موج مورد نظر جذب‌کننده هستند. زتا معمولاً مقادیری بین ۰.۰۰۱- و ۰.۱- برای هوای محیطی معمولی دارد.

1) حسگرهای شعله. حسگرهای شعله فرابنفش معمولاً از یک لوله گایگر-مولر فوتودیود خلاء برای تشخیص شعله استفاده می‌کنند.

این حسگرها همچنین تابش فرابنفش تولید شده توسط شعله را تشخیص می‌دهند. فوتودیود اجازه می‌دهد تا یک جریان ناگهانی برای هر فوتون فرابنفشی که به ناحیه فعال لوله برخورد می‌کند، جاری شود. هنگامی که تعداد جریان‌های ناگهانی در واحد زمان به سطح از پیش تعیین‌شده‌ای برسد، حسگر هشدار را فعال می‌کند. یک حسگر شعله مادون‌قرمز با طول‌موج واحد از یکی از چندین نوع فوتوسل برای تشخیص تابش مادون‌قرمز در یک باند طول‌موج واحد که توسط شعله تولید می‌شود، استفاده می‌کند. این حسگرها معمولاً شامل تمهیداتی برای کاهش هشدارهای ناشی از منابع رایج مادون‌قرمز مانند نور لامپ‌های رشته‌ای یا نور خورشید هستند. یک حسگر شعله فرابنفش/مادون‌قرمز (UV/IR) تابش فرابنفش را با استفاده از یک لوله فوتودیود خلاء و یک طول‌موج انتخابی از تابش مادون‌قرمز را با استفاده از یک فوتوسل تشخیص می‌دهد.

یک سیگنال هشدار می‌تواند فعال شود. یک حسگر شعله مادون‌قرمز با چند طول‌موج (IR/IR) تابش را در دو یا چند باند باریک از طول‌موج‌ها در طیف مادون‌قرمز تشخیص می‌دهد. این حسگرها به صورت الکترونیکی تابش‌ها را بین باندها مقایسه کرده و در صورتی که رابطه بین دو باند نشان‌دهنده آتش باشد، یک سیگنال فعال می‌کنند.

(2) حسگرهای جرقه/ذغال. یک حسگر جرقه/ذغال معمولاً از یک فوتودیود حالت جامد یا فوتوترانزیستور برای تشخیص انرژی تابشی ساطع شده از ذغال‌ها استفاده می‌کند که معمولاً بین ۰.۵میکرون تا ۲.۰ میکرون در محیط‌های معمولاً تاریک است. این حسگرها می‌توانند بسیار حساس (در حد میکرووات) ساخته شوند و زمان پاسخ‌دهی آنها می‌تواند بسیار کوتاه (در حد میکروثانیه) باشد.

A.17.8.2.1 انرژی تابشی ساطع شده از یک شعله یا جرقه/ذغال شامل تابش‌هایی در باندهای مختلف طیف فرابنفش، مرئی و مادون‌قرمز است. مقدار نسبی تابش ساطع شده در هر بخش از طیف توسط شیمی سوخت، دما و سرعت احتراق تعیین می‌شود. حسگر باید با ویژگی‌های آتش تطبیق داده شود.

تقریباً تمام موادی که در احتراق شعله‌ور شرکت می‌کنند، تا حدی در طول احتراق شعله‌ور تابش فرابنفش ساطع می‌کنند، در حالی که فقط سوخت‌های حاوی کربن تابش قابل توجهی در باند ۴.۳۵میکرون (دی‌اکسید کربن) که توسط بسیاری از انواع حسگرها برای تشخیص شعله استفاده می‌شود، ساطع می‌کنند.به شکلA.17.8.2.1 مراجعه کنید.

انرژی تابشی ساطع شده از یک ذغال عمدتاً توسط دمای سوخت (تابش بر اساس قانون پلانک) و گسیل‌پذیری سوخت تعیین می‌شود. انرژی تابشی ساطع شده از یک ذغال عمدتاً در محدوده مادون‌قرمز و به میزان کم‌تری در محدوده مرئی است. به طور کلی، ذغال‌ها تا زمانی که به دمای ۳۲۴۰ درجه فارنهایت (۱۷۲۷ درجه سانتی‌گراد یا ۲۰۰۰ کلوین) برسند، انرژی فرابنفش را به مقدار قابل توجهی (۰.۱ درصد از کل تابش) ساطع نمی‌کنند. در بیشتر موارد، تابش‌ها در محدوده ۰.۸ میکرون تا ۲.۰ میکرون قرار می‌گیرند که مربوط به دماهای تقریبی ۷۵۰ درجه فارنهایت تا ۱۸۳۰ درجه فارنهایت (۳۹۸ درجه سانتی‌گراد تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) است.

بیشتر حسگرهای انرژی تابشی دارای نوعی مدار تأیید درون خود هستند که از زمان برای کمک به تشخیص بین سیگنال‌های گذرا و نادرست و هشدارهای واقعی آتش استفاده می‌کنند. این مدارها در مواردی که سناریوی آتش مورد انتظار و توانایی حسگر برای پاسخ به آن آتش مورد انتظار در نظر گرفته می‌شود، بسیار مهم می‌شوند. به عنوان مثال، یک حسگر که از یک مدار انتگرال‌گیر یا زمان‌بندی برای پاسخ به نور سوسو‌زننده یک آتش استفاده می‌کند، ممکن است به خوبی به یک انفجار ناشی از اشتعال بخارات و گازهای قابل اشتعال تجمع‌یافته یا در مواردی که آتش یک جرقه است که با سرعت تا ۳۲۸ فوت بر ثانیه (۱۰۰ متر بر ثانیه) از مقابل حسگر عبور می‌کند، پاسخ ندهد. در این شرایط، یک حسگر با قابلیت پاسخ‌دهی سریع بسیار مناسب است. از طرف دیگر، در کاربردهایی که توسعه آتش کندتر است، یک حسگر که از زمان برای تأیید سیگنال‌های تکراری استفاده می‌کند، مناسب است. در نتیجه، نرخ رشد آتش باید در انتخاب حسگر در نظر گرفته شود. عملکرد حسگر باید به گونه‌ای انتخاب شود که به آتش مورد انتظار پاسخ دهد.

تابش‌های انرژی تنها معیار مورد توجه نیستند. محیط بین آتش مورد انتظار و حسگر نیز بسیار مهم است. طول‌موج‌های مختلف انرژی تابشی با درجات مختلفی از کارایی توسط موادی که در هوا معلق هستند یا روی سطوح نوری حسگر تجمع می‌کنند، جذب می‌شوند. به طور کلی، آئروسل‌ها و رسوبات سطحی حساسیت حسگر را کاهش می‌دهند. تشخیص فناوری مورد استفاده باید آئروسل‌ها و رسوبات سطحی که به طور معمول اتفاق می‌افتند را در نظر بگیرد تا کاهش پاسخ سیستم بین فواصل تعمیر و نگهداری به حداقل برسد. لازم به ذکر است که دود ناشی از احتراق تقطیرات نفتی با فراکسیون‌های متوسط و سنگین، به شدت در انتهای طیف فرابنفش جذب‌کننده است. اگر از این نوع تشخیص استفاده می‌شود، سیستم باید به گونه‌ای طراحی شود که اثر تداخلی دود بر پاسخ سیستم تشخیص را به حداقل برساند.

محیط و شرایط محیطی پیش‌بینی‌شده در منطقه تحت حفاظت، بر انتخاب حسگر تأثیر می‌گذارد. همه حسگرها محدودیت‌هایی در محدوده دمای محیطی دارند که در آن محدوده، مطابق با حساسیت‌های آزمایش‌شده یا تأیید‌شده خود پاسخ می‌دهند. طراح باید اطمینان حاصل کند که حسگر با محدوده دمای محیطی پیش‌بینی‌شده در منطقه‌ای که نصب می‌شود، سازگار است. علاوه بر این، باران، برف و یخ هر دو تابش فرابنفش و مادون‌قرمز را به درجات مختلف تضعیف می‌کنند. در مواردی که این شرایط پیش‌بینی می‌شود، باید تمهیداتی برای محافظت از حسگر در برابر تجمع این مواد روی سطوح نوری آن در نظر گرفته شود.

A.17.8.2.2 تابش‌های انرژی طبیعی که از آتش ناشی نمی‌شوند، ممکن است در منطقه خطر وجود داشته باشند. هنگام انتخاب حسگر برای یک منطقه، سایر منابع احتمالی تابش انرژی باید ارزیابی شوند. برای اطلاعات بیشتر به A.17.8.2.1 مراجعه کنید.

A.17.8.3.1.1 همه حسگرهای نوری بر اساس معادله نظری زیر پاسخ می‌دهند:

که در آن:

حساسیت (S) معمولاً بر حسب نانووات اندازه‌گیری می‌شود. این معادله منحنی‌هایی مشابه منحنی نشان‌داده‌شده در شکلA.17.8.3.1.1 را تولید می‌کند.
این منحنی حداکثر فاصله‌ای را تعریف می‌کند که در آن حسگر به طور مداوم آتش با اندازه و سوخت مشخصی را تشخیص می‌دهد. حسگرها باید فقط در ناحیه سایه‌دار بالای منحنی استفاده شوند.

بیشتر بخوانید: رفع خطای سیستم اعلام حریق

در بهترین شرایط و بدون جذب جوی، توان تابشی که به حسگر می‌رسد، اگر فاصله بین حسگر و آتش دو برابر شود، به میزان یک چهارم کاهش می‌یابد. برای محاسبه تضعیف جوی، عبارت نمایی زتا (ζ) به معادله اضافه می‌شود. زتا معیاری از شفافیت هوا در طول‌موج مورد نظر است. زتا تحت تأثیر رطوبت، گرد و غبار و هرگونه آلاینده دیگر در هوا قرار می‌گیرد که در طول‌موج مورد نظر جذب‌کننده هستند. زتا معمولاً مقادیری بین ۰.۰۰۱- و ۰.۱- برای هوای محیطی معمولی دارد.

سازمان بین‌المللی استانداردسازی (ISO) یک نهاد مستقل و غیردولتی است که استانداردهای بین‌المللی را برای تضمین کیفیت، ایمنی و کارایی در صنایع مختلف تدوین می‌کند. استانداردهایISO در سطح جهانی پذیرفته شده و به بهبود عملکرد سیستم‌های مختلف، از جمله سیستم‌های اعلام حریق، کمک می‌کنند. یکی از مهم‌ترین استانداردهای مرتبط با اعلام حریق، ISO 7240-12است که به بیم دتکتورهای دودی اختصاص دارد. این استاندارد دستورالعمل‌های دقیقی را برای طراحی، عملکرد، نصب و آزمون این تجهیزات ارائه می‌دهد تا عملکرد صحیح و دقت بالای آن‌ها تضمین شود.

بیم دتکتور تجهیزاتی است که با استفاده از پرتو نوری مادون قرمز یا لیزری کاهش شفافیت هوا ناشی از دود را تشخیص می‌دهند. این دتکتورها به‌طور کلی در دو نوع اصلی طبقه‌بندی می‌شوند: