یک سنسور گاز غلظت گازهای خاص را در هوا تشخیص داده و اندازه گیری می‌کند. برای تشخیص نشت گاز، نظارت بر کیفیت هوا و کاربردهای ایمنی استفاده میشود.
سنسور گاز وسیله‌ای است که برای تشخیص و اندازه گیری حضور یا غلظت گازهای مختلف در محیط اطراف استفاده میشود. این حسگرها بسته به کاربرد، برای تشخیص گازهای خاص یا طیف وسیعی از گازها، طراحی میشوند.
آنها معمولا برای شناسایی گازهای سمی یا قابل اشتعال و اندازه گیری غلظت گاز استفاده میشوند. سنسورهای گاز معمولاً در کارخانه‌ها و تأسیسات تولیدی و… برای شناسایی نشت گاز و تشخیص دود و مونوکسید کربن استفاده میشوند. این سنسورها انواع مختلفی دارند که از نظر اندازه (قابل حمل و ثابت بودن)، برد و توانایی سنجش بسیار متفاوت هستند. بسته به محیط‌ها و عملکردهای مورد نظر، آرایش فیزیکی و فرآیند سنجش می‌تواند به طور قابل توجهی بین حسگرها متفاوت باشد. آنها اغلب بخشی از یک سیستم بزرگتر مانند سیستم‌های امنیتی هستند و معمولاً به یک هشدار صوتی یا رابط متصل هستند. سنسورهای گاز به دلیل تعامل مداوم با هوا و گازهای مختلف، بیش از بسیاری از انواع دیگر سنسورها به کالیبراسیون نیاز دارند.
طبقه بندی سنسورهای گاز
حسگرهای گاز بر اساس اصل تبدیل اثرات جذب گاز بر روی سطح ماده فعال به سیگنال قابل تشخیص از نظر تغییر خواص الکتریکی، نوری، حرارتی، مکانیکی، مغناطیسی (مغناطیس و اسپین) و پیزوالکتریک آن کار می‌کنند.
سنسورهای گاز معمولاً بر اساس نوع گاز هدف، روش‌های استفاده، روش‌های نمونه‌برداری، عملکردهای مختلف و اصول تشخیص شان و.. به انواع مختلفی طبقه‌بندی میشوند.
در اینجا چند نمونه از انواع مختلف طبقه بندی حسگرهای گاز آورده شده است:
بر اساس انواع مختلف گاز هدف
سنسورهای گاز را میتوان باتوجه به نوع گاز قابل تشخیص‌شان به حسگرهای گاز اشتعال پذیر، سنسورهای گاز سمی، حسگرهای گاز مضر، اکسیژن و انواع دیگر دسته بندی کرد.
بر اساس نوع استفاده
سنسورهای گاز را میتوان بر اساس نحوه استفاده‌شان به دو دسته سنسورهای گاز قابل حمل و ثابت تقسیم کرد.
بر اساس عملکرد
سنسورهای گاز، در دو دسته سنسور تک گازی و سنسور گاز کامپوزیت (ترکیبی) موجود هستند. سنسورهای تک گازی می‌توانند تنها یک گاز را تشخیص دهند در حالی که سنسورهای گاز ترکیبی می‌توانند همزمان چندین گاز را تشخیص دهند.
انواع سنسور گاز بر اساس نحوه کار آنها
متداول ترین طبقه بندی سنسور گاز طبقه بندی بر اساس نحوه کار آنها است. در ادامه در مورد برخی از انواع رایج سنسورهای گاز و اصول کار آنها صحبت خواهیم کرد:
سنسورهای گاز الکتروشیمیایی
سنسورهای گاز الکتروشیمیایی نوعی سنسور گاز هستند که بر اساس اصول الکتروشیمیایی کار می‌کنند. آنها معمولاً برای تشخیص و اندازه گیری غلظت گازهای مختلف در محیط‌های مختلف استفاده میشوند. اجزای اصلی این سنسور عبارتند از: الکترود حسی، الکترود مرجع و الکترولیت.
هنگامی که گاز هدف با الکترود حسی سنسور تماس پیدا می‌کند، تحت یک سری واکنش‌های شیمیایی قرار می‌گیرد که منجر به تولید یا مصرف الکترون میشود. این جریان الکترونی یک جریان الکتریکی کوچک تولید می‌کند که می‌تواند اندازه‌گیری شود.
مقدار جریان مستقیماً با غلظت گاز شناسایی شده متناسب است. با کالیبره کردن سنسور با غلظت گاز شناخته شده، میتوان غلظت گاز را بر اساس جریان اندازه گیری شده تعیین کرد.
مزایا و معایب سنسورهای گاز الکتروشیمیایی:
سنسورهای گاز الکتروشیمیایی دارای مزایایی از جمله حساسیت بالا، درستی و گزینش پذیری نسبت به گازهای خاص، میباشند. آنها می‌توانند طیف وسیعی از گازها، از جمله گازهای سمی مانند مونوکسید کربن (CO)، سولفید هیدروژن (H2S) و کلر (Cl2)، و همچنین گازهای قابل اشتعال مانند متان (CH4) و پروپان (C3H8) را شناسایی کنند.
با این حال، در هنگام استفاده از سنسورهای گاز الکتروشیمیایی محدودیت‌هایی هم وجود دارد. ممکن است به دلیل تحلیل رفتن تدریجی اجزای فعال سنسور، این سنسورها عمر محدودی داشته‌باشند. علاوه بر این، تداخل حساسیت به گازهای دیگر یا عوامل محیطی می‌تواند بر دقت اندازه گیری‌ها تأثیر بگذارد. به منظور اطمینان از عملکرد مطلوب این سنسورها، باید به طور منظم کالیبره شده و به درستی از آنها مراقبت شود.
کاربردهای حسگرهای گاز الکتروشیمیایی:
حسگرهای گاز الکتروشیمیایی در زمینه‌های مختلفی مانند ایمنی صنعتی، نظارت بر کیفیت هوای داخل ساختمان، دستگاه‌های ایمنی شخصی و نظارت بر محیط زندگی کاربرد دارند. آنها به طور گسترده در صنایعی مانند تولید، معدن، نفت و گاز و آتش نشانی برای شناسایی و نظارت بر گازهای خطرناک و اطمینان از ایمنی کارگران و محیط استفاده میشوند.
آشکارسازهای فوتیونیزاسیون (PID)
سنسورهای فوتیونیزاسیون (PID) المان‌های تشخیص گاز هستند که از نور ماوراء بنفش (UV) برای یونیزه کردن مولکول‌ها و اندازه‌گیری غلظت گاز در هوا استفاده می‌کنند. آنها معمولا برای نظارت بر ترکیبات آلی فرار (VOCs) و گازهای خطرناک در محیط‌های صنعتی، و همچنین در ارزیابی کیفیت هوای محیطی و فضاهای سربسته استفاده میشوند.
سنسورهای فوتیونیزاسیون شامل یک محفظه یونیزاسیون برای ورود گاز هدف، یک لامپ ماوراء بنفش برای اعمال نور و الکترودهای مثبت و منفی برای تشخیص جریان‌های یونی میباشند.
هنگامی که گاز وارد محفظه یونیزاسیون میشود و در معرض نور ماوراء بنفش منبع نور (لامپ فرابنفش) قرار می‌گیرد، گاز الکترون آزاد می‌کند و کاتیون تولید می‌کند.
کاتیون‌ها و الکترون‌های تولید شده به سمت الکترودهای مثبت و منفی جذب میشوند، بنابراین جریانی ایجاد میشود. این جریان متناسب با غلظت گاز خواهد بود، بنابراین با اندازه گیری مقدار جریان، غلظت گاز مورد نظر مشخص خواهد شد.
برای یونیزه کردن یک گاز، انرژی فوتون باید بزرگتر از انرژی یونیزاسیون مخصوص آن گاز باشد. انرژی فوتون با واحد الکترون ولت (eV) بیان میشود. معمولاً در این نوع سنسورها از یک لامپ UV پرانرژی (معمولاً با طول موج 10.6 eV) استفاده میشود. هر چه انرژی فوتون بزرگتر باشد، حسگر می‌تواند مقدار بیشتری از گاز هدف را یونیزه کند.
PIDها بسیار حساس هستند و می‌توانند طیف وسیعی از VOCها و گازها از جمله بنزن، تولوئن، زایلن، فرمالدئید، اکسید اتیلن و بسیاری دیگر را شناسایی‌کنند.
مزایا و معایب آشکارسازهای فوتیونیزاسیون (PIDs):
یکی از مزایای PIDها پاسخگویی آنی آنهاست که سبب میشود بتوانند در لحظه فیدبکی از میزان گاز ارائه کنند. آنها همچنین قابل حمل و سبک وزن هستند و استفاده از آنها آسان است که این ویژگی‌ها آنها را برای کاربردهای میدانی مناسب می‌کند. PIDها اغلب دارای محدوده تشخیص گسترده‌ای هستند که امکان اندازه گیری از قسمت در میلیارد (ppb) تا هزاران قسمت در میلیون (ppm) را فراهم می کند.
با این حال، این سنسورها محدودیت‌هایی هم دارند. آنها مخصوص انواع گازهایی که برای شناسایی‌شان طراحی شده‌اند، هستند و ممکن است برای گازهای دیگر مناسب نباشند. پاسخ PIDها همچنین می‌تواند تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت، دما و تداخل سایر مواد قرار گیرد.
کاربردهای آشکارسازهای فوتویونیزاسیون (PID):
PIDها ابزارهای ارزشمندی برای شناسایی سریع و کمی سازی ترکیبات فرار و گازهای خطرناک موجود در هوا هستند. آنها در صنایع مختلف از جمله تولید مواد شیمیایی، نفت و گاز، نظارت بر محیط زندگی و ایمنی شغلی کاربرد دارند که به محافظت از کارگران و تضمین ایمنی محیط اطراف کمک می‌کند.
سنسورهای گاز نیمه هادی
سنسورهای گاز نیمه هادی سنسورهایی اند که از مواد نیمه هادی برای تشخیص و اندازه گیری حضور گازهای خاص در هوا استفاده می‌کنند. آنها معمولاً برای نظارت بر گازهای سمی مانند مونوکسید کربن (CO)، دی اکسید نیتروژن (NO2)، سولفید هیدروژن (H2S) و ترکیبات آلی فرار (VOCs)، در کاربردهای مختلف، از جمله ایمنی صنعتی، نظارت بر محیط زندگی و محیط‌های سر بسته استفاده میشوند.
اصل کاری سنسورهای گاز نیمه هادی بر اساس برهمکنش بین مولکول‌های گاز هدف و مواد نیمه هادی است. هنگامی که مولکول‌های گاز با سطح سنسور تماس پیدا می‌کنند، تحت واکنش‌های شیمیایی قرار میگیرند که باعث تغییر در خواص الکتریکی مواد نیمه هادی میشود.
معمولا، ماده نیمه هادی به کار رفته در این سنسورها یک اکسید فلزی مانند دی اکسید قلع (SnO2) است. در غیاب گاز هدف، سطح سنسور معمولاً در حالت اکسید شده است و مقاومت الکتریکی بالاست اما هنگامی که گاز هدف وجود دارد، با سطح سنسور واکنش نشان می‌دهد و منجر به کاهش اکسیداسیون سطح و کاهش مقاومت الکتریکی میشود.
با اندازه گیری تغییر مقاومت الکتریکی، سنسورهای گاز نیمه هادی می‌توانند غلظت گاز مورد نظر را تعیین کنند.
مزایا و معایب سنسورهای گاز نیمه هادی:
پاسخ این حسگرها به طور کلی سریع است یعنی زمان پاسخ کمتری دارند و امکان نظارت آنی بر میزان گاز را فراهم می‌کنند. آنها همچنین نسبتا مقرون به صرفه، جمع و جور بوده و توان مصرفی کمی دارند، که آنها را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مناسب می‌کند، اما همانند سایر سنسورهای گاز، این سنسورها نیز محدودیت‌هایی دارند. به عنوان مثال این سنسورها برای تشخیص یک نوع گاز خاص طراحی میشوند و ممکن است به گازهای دیگر یا ترکیبات فرار پاسخگو نباشند همچنین تداخل رطوبت، تغییرات دما و سایر گازها می‌تواند بر دقت آنها تأثیر بگذارد.
کاربرد سنسورهای گاز نیمه هادی:
حسگرهای گاز نیمه هادی ابزاری مناسب و موثر برای تشخیص و کنترل میزان گازهای مختلف در محیط‌های مختلف هستند. استفاده گسترده آنها در صنایع و کاربردها اهمیت آنها را در تضمین ایمنی، کنترل آلودگی و حفظ کیفیت خوب هوا برجسته می‌کند.
سنسورهای مهره کاتالیزوری ( Catalytic bead )
سنسورهای مهره کاتالیزوری سنسورهای تشخیص گازی هستند که از یک واکنش کاتالیزوری برای تشخیص و اندازه گیری وجود گازهای قابل اشتعال در هوا استفاده می‌کنند. آنها معمولاً برای نظارت بر گازهایی مانند متان (CH4)، پروپان (C3H8)، هیدروژن (H2) و سایر موارد در کاربردهای مختلف از جمله ایمنی صنعتی، تشخیص نشت و کنترل احتراق استفاده میشوند.
اساس کاری سنسورهای مهره کاتالیزوری بر مبنای احتراق است. این سنسورها از دو مهره کوچک با پوشش پلاتین تشکیل شده‌اند که اغلب از آلومینا یا سیلیس(سیلیکا) ساخته میشوند. یک مهره با یک کاتالیزور (معمولا پلاتین یا پالادیوم) پوشانده شده‌است که باعث اکسیداسیون گاز هدف میشود، و مهره دیگر به عنوان مرجع عمل می‌کند. هنگامی که گاز هدف با مهره کاتالیزوری تماس پیدا می‌کند، تحت یک واکنش احتراق گرمازا قرار می‌گیرد و گرما تولید می‌کند. کاتالیزور به کاهش انرژی فعال سازی مورد نیاز برای واکنش گاز کمک می‌کند. این واکنش احتراق منجر به افزایش دمای مهره کاتالیزوری میشود.
یک مقاومت داخلی، تغییر دمای ناشی از واکنش احتراق مهره کاتالیزوری را اندازه گیری می‌کند. با افزایش دما، مقاومت الکتریکی مهره به نسبت افزایش می‌یابد. با نظارت بر تغییر مقاومت مهره کاتالیزوری، سنسور می‌تواند غلظت گاز مورد نظر را تعیین کند. این مقاومت مقاومت با استفاده از مدار پل وتستون یا سایر روش‌های اندازه گیری مناسب اندازه گیری میشود.
مزایا و معایب سنسورهای مهره کاتالیستی:
از مزایای سنسورهای مهره کاتالیستی میتوان به زمان پاسخ سریع، حساسیت بالا و محدوده تشخیص گسترده آنها اشاره کرد. آنها برای تشخیص انواع گازهای قابل اشتعال مناسب هستند و واکنش آنها تحت تأثیر تغییرات رطوبت یا سطح اکسیژن قرار نمی‌گیرد. علاوه بر این، آنها نسبتاً ارزان و بادوام هستند و به تعمیر و مراقبت کمی نیاز دارند.
با این حال، این سنسورها مخصوص گازهای قابل اشتعال هستند و ممکن است برای تشخیص گازهای غیر قابل اشتعال یا سمی مناسب نباشند. آنها همچنین ممکن است در ارتباط با برخی مواد مانند بخارات سیلیکون و برخلی حلال‌ها هشدارهای کاذب و نادرست ایجاد کنند. علاوه بر این، سطوح کاتالیزوری آنها می‌تواند توسط ترکیبات خاصی خراب یا غیرفعال شود.
کاربردهای سنسورهای مهره کاتالیزوری:
سنسورهای مهره کاتالیزوری به دلیل قابلیت اطمینان، مقرون به صرفه بودن و کارایی به طور گسترده برای تشخیص گازهای قابل اشتعال استفاده میشوند. آنها نقش مهمی در تضمین ایمنی و حفاظت از پرسنل و تأسیسات در صنایع مختلف دارند.
سنسورهای گاز مادون قرمز
حسگرهای گاز مادون قرمز سنسورهایی اند که از اشعه مادون قرمز برای تشخیص و اندازه گیری حضور گازها در هوا استفاده می‌کنند. آنها معمولاً برای نظارت بر گازهای قابل اشتعال مانند متان (CH4)، پروپان (C3H8) و بوتان (C4H10) و همچنین دی اکسید کربن (CO2) و سایر گازها در کاربردهای مختلف از جمله ایمنی صنعتی، تشخیص نشت و نظارت بر محیط زیست، مورد استفاده قرار میگیرند.
اصل کار سنسورهای گاز مادون قرمز بر اساس جذب تابش مادون قرمز توسط گازها است. هر گاز یک طیف جذب منحصر به فرد در ناحیه مادون قرمز دارد، به این معنی که تابش مادون قرمز را در طول موج‌های خاص جذب می‌کند. این نوع سنسورها حاوی یک منبع مادون قرمز که تابش در طول موج‌های مختلف ساطع می‌کند و یک آشکارساز که میزان تابش منتقل شده یا جذب شده توسط نمونه گاز را اندازه گیری می‌کند.
حسگرهای گاز مادون قرمز ممکن است بسته به محدوده طول موج و حساسیت مورد نظر، از انواع مختلفی از منابع تابش مادون قرمز، مانند لامپ‌های رشته‌ای یا دیودهای ساطع کننده نور (LED) استفاده شود. آنها همچنین برای تشخیص از تکنیک‌های مختلف، از جمله مادون قرمز غیر پاشنده (NDIR) و طیف‌سنجی (اسپکتروسکوپی) جذب لیزری دیود قابل تنظیم (TDLAS) استفاده می‌کنند.
سنسورهای NDIR
در سنسورهای NDIR، اشعه مادون قرمز ساطع شده از نمونه گاز عبور می‌کند و آشکارساز(دیکتکتور) میزان تشعشعی را که به آن می رسد اندازه گیری می‌کند. وجود گاز هدف باعث جذب طول موج‌های خاص و در نتیجه کاهش شدت تشعشع شناسایی شده میشود. مقدار تابش جذب شده متناسب با غلظت گاز است و امکان اندازه گیری دقیق را فراهم می‌کند.
سنسورهای TDLAS
سنسورهای TDLAS (طیف‌سنجی جذب لیزری دیود قابل تنظیم) از اصل طیف‌سنجی جذبی استفاده می‌کنند، در این سنسورها به طور خاص از لیزر دیود قابل تنظیم به عنوان منبع نور استفاده میشود. آنها خطوط جذب مشخصه گاز مورد نظر را برای تعیین غلظت آن آنالیز می‌کنند.
در این سنسورها برای انتشار نور مادون قرمز در طول موج مشخصی مطابق با خط جذب گاز مورد نظر، از یک لیزر دیود قابل تنظیم استفاده میشود. طول موج لیزر را میتوان دقیقاً در یک محدوده تنظیم کرد تا با خط جذب مورد نظر مطابقت داشته باشد.
پرتو لیزر ساطع شده از نمونه گازِ حاوی گاز هدف، عبور می‌کند. اگر گاز مورد نظر وجود داشته باشد، مقداری از نور مادون قرمز را در طول موج خاصی که توسط خط جذب آن تعریف شده است جذب می‌کند.
سنسور شدت نور لیزر را قبل و بعد از عبور از نمونه گاز اندازه گیری کرده و با مقایسه دو شدت، مقدار نور جذب شده توسط گاز مورد نظر را تعیین می‌کند.
مزایا و معایب سنسورهای گاز مادون قرمز:
از مزایای سنسورهای گاز مادون قرمز میتوان به حساسیت بالا، انتخاب پذیری و پایداری خوب آنها اشاره کرد. آنها می‌توانند گازها را در محدوده غلظت وسیعی تشخیص دهند و در شرایط محیطی مختلف عمل کنند. اما ممکن است برای حفظ درستی و جبران هرگونه اثرات فرسودگی، نیاز به کالیبراسیون دوره ای داشته‌باشند.
کاربرد سنسورهای گاز مادون قرمز:
حسگرهای گاز مادون قرمز ابزار ارزشمندی برای تشخیص گاز و کاربردهای ایمنی هستند که تشخیص زودهنگام و پیشگیری از موقعیت‌های خطرناک را تضمین می‌کنند.