شرح مبدأ الكشف عن أجهزة كشف الغاز بالتفصيل
كاشف الغاز هو أداة مصممة خصيصًا للكشف عن التركيز الآمن للغازات. مبدأ عمله يتضمن بشكل رئيسي تحويل الإشارات الفيزيائية أو الكيميائية غير الكهربائية المجمعة بواسطة أجهزة استشعار الغاز إلى إشارات كهربائية، ومن ثم تصحيح وتصفية الإشارات الكهربائية المذكورة أعلاه من خلال الدوائر الخارجية. يتم بعد ذلك التحكم في الإشارات المعالجة بواسطة الوحدات المقابلة لتحقيق اكتشاف الغاز. ومع ذلك، فإن جوهر كاشف الغاز هو مكون مستشعر مدمج، وهو ما يميز مبادئ تقنية الكشف بناءً على الغازات المختلفة المكتشفة. وتنقسم مبادئها بشكل رئيسي إلى الفئات الست التالية:
1) مبدأ الاحتراق الحفاز:
يستخدم مستشعر الاحتراق الحفاز مبدأ التأثير الحراري للاحتراق الحفاز، والذي يتكون من جسر قياس يتكون من اقتران عناصر الكشف وعناصر التعويض. في ظل ظروف درجات حرارة معينة، يخضع الغاز القابل للاحتراق لاحتراق عديم اللهب على سطح حامل عنصر الكشف وتحت تأثير المحفز. تزداد درجة حرارة الناقل، كما تزداد مقاومة سلك البلاتين بداخله تبعاً لذلك، مما يؤدي إلى فقدان جسر التوازن توازنه وإخراج إشارة كهربائية تتناسب مع تركيز الغاز القابل للاشتعال، وذلك عن طريق قياس حجم التغير في مقاومة سلك البلاتين، يمكن تحديد تركيز الغازات القابلة للاحتراق.
يستخدم بشكل رئيسي للكشف عن الغازات القابلة للاحتراق، مع خطية جيدة لإشارة الإخراج، ومؤشر موثوق، وسعر في المتناول، وعدم وجود عدوى متقاطعة مع الغازات الأخرى غير القابلة للاحتراق.
2) مبدأ الأشعة تحت الحمراء:
يقوم مستشعر الأشعة تحت الحمراء بتمرير الغاز المراد قياسه بشكل مستمر عبر حاوية ذات طول وحجم معين، ويصدر شعاعًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء من أحد الوجهين النهائيين الشفافين للحاوية. عندما يتزامن الطول الموجي لمستشعر الأشعة تحت الحمراء مع طيف الامتصاص للغاز المقاس، يتم امتصاص طاقة الأشعة تحت الحمراء، ويتوافق توهين شدة ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي يمر عبر الغاز المقاس مع قانون لامبرت بير. كلما زاد تركيز الغاز، زاد توهين الضوء. عند هذه النقطة، يتناسب امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء بشكل مباشر مع تركيز المادة الممتصة، وبالتالي يمكن قياس تركيز الغاز عن طريق قياس توهين ضوء الأشعة تحت الحمراء بواسطة الغاز.
عمر خدمة طويل (من 3 إلى 5 سنوات من عمر الخدمة)، وحساسية عالية، وثبات جيد، وعدم وجود سمية، وتدخل أقل من البيئة، وعدم الاعتماد على الأكسجين. تتمتع مستشعرات الغاز بالأشعة تحت الحمراء بحساسية مراقبة عالية، ويمكنها التمييز بدقة حتى بين الكميات الضئيلة من PPB أو التركيزات المنخفضة من غازات درجة PPM. نطاق القياس واسع، ويمكنه بشكل عام تحليل غاز VOL عالي التركيز بنسبة 100 بالمائة، بالإضافة إلى تحليل تحليل التركيز المنخفض لمستوى 1 جزء في المليون.
3) المبادئ الكهروكيميائية:
تتكون المستشعرات الكهروكيميائية عادةً من ثلاثة أجزاء: الأقطاب الكهربائية، والإلكتروليتات، وأقطاب أشباه الموصلات، وهي المكونات الأساسية للمستشعر. وهي مصنوعة من مواد معدنية أو شبه موصلة ويمكن أن تتفاعل كيميائيا مع جزيئات الغاز. الإلكتروليت هو سائل موصل يمكنه توصيل الأقطاب الكهربائية بأشباه الموصلات لتشكيل دائرة كاملة. أشباه الموصلات عبارة عن مادة خاصة يمكنها تحويل الإشارة الحالية بين القطب الكهربائي والكهارل إلى إشارة رقمية، وبالتالي تحقيق اكتشاف تركيز الغاز.
يعتمد مبدأ عمل أجهزة استشعار الغاز الكهروكيميائية على تفاعلات الأكسدة والاختزال. عندما تتلامس جزيئات الغاز مع سطح القطب، فإنها تخضع لتفاعل أكسدة واختزال، مما يولد إشارة تيار. يمكن نقل هذه الإشارة الحالية إلى أشباه الموصلات من خلال المنحل بالكهرباء ومن ثم تحويلها إلى إشارة رقمية. يتناسب حجم الإشارة الرقمية بشكل مباشر مع تركيز الغاز، لذلك يمكن تحديد تركيز الغاز عن طريق قياس حجم الإشارة الرقمية.
يستخدم بشكل أساسي للكشف عن الغازات السامة، مع حساسية عالية، وسرعة استجابة سريعة، وموثوقية جيدة، وعمر خدمة طويل. يمكنه اكتشاف الغازات المختلفة، مثل أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والأكسجين، والنيتروجين، وما إلى ذلك. وله تطبيقات واسعة النطاق في الصناعات، والرعاية الصحية، وحماية البيئة، وغيرها من المجالات.
4) مبدأ التأين الضوئي PID:
مبدأ PID هو أن الغازات العضوية سوف تتأين تحت إثارة مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية. يستخدم PID مصباح الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية)، وتتأين المادة العضوية تحت إثارة مصباح الأشعة فوق البنفسجية. وتحمل "الشظايا" المتأينة شحنات موجبة وسالبة، مما يؤدي إلى توليد تيار كهربائي بين القطبين. يقوم الكاشف بتضخيم التيار ويعرض تركيز غاز المركبات العضوية المتطايرة من خلال الأدوات والمعدات.
يستخدم بشكل أساسي لمراقبة صناعة التكرير، والتعامل في حالات الطوارئ مع التسريبات الكيميائية الخطرة، وتحديد المناطق الخطرة للتسربات، ومراقبة سلامة محطات خزانات النفط، ومراقبة كفاءة تنقية تفريغ المواد العضوية.
5) مبدأ التوصيل الحراري:
يتم تحليل تركيز الغاز المقاس بشكل أساسي عن طريق قياس التغير في التوصيل الحراري للغاز المختلط. عادة، يتم تحويل الفرق في التوصيل الحراري لمستشعر الغاز إلى تغير في المقاومة من خلال الدائرة. تتمثل طريقة الكشف التقليدية في إرسال الغاز ليتم اختباره إلى غرفة الغاز، حيث يكون مركز غرفة الغاز عنصرًا حساسًا للحرارة، مثل المقاوم الحساس للحرارة، أو سلك البلاتين، أو سلك التنغستن. عند تسخينه إلى درجة حرارة معينة، يتحول التغير في التوصيل الحراري للغاز المختلط إلى تغير في مقاومة العنصر الحساس للحرارة. من السهل نسبيا قياس التغير في قيمة المقاومة بدقة.
6) مبادئ أشباه الموصلات:
يتم تصنيع أجهزة استشعار غاز أشباه الموصلات عن طريق استخدام تفاعل الأكسدة والاختزال للغاز على سطح أشباه الموصلات لإحداث تغييرات في قيمة مقاومة المكونات الحساسة. عندما يتم تسخين جهاز شبه موصل إلى حالة مستقرة ويتم امتزازه عند ملامسة الغاز لسطح شبه الموصل، فإن الجزيئات الممتزة تنتشر أولاً بحرية على سطح الجسم، وتفقد طاقتها الحركية. يتم تبخر بعض الجزيئات، بينما تخضع الجزيئات المتبقية للتحلل الحراري والامتزاز على سطح الجسم. عندما تكون وظيفة عمل شبه الموصل أقل من ألفة الجزيء الممتز، فإن الجزيء الممتز سوف يأخذ الإلكترونات من الجهاز ويصبح امتصاص أيون سالب، مما يقدم طبقة شحن على سطح أشباه الموصلات.
