أنواع أجهزة استشعار الغاز وتطبيقاتها في أجهزة الكشف عن الغاز ومراقبته
مع تطور صناعة البتروكيماويات، زادت أنواع ونطاقات استخدام الغازات القابلة للاشتعال والمتفجرة والسامة. بمجرد تسرب هذه الغازات أثناء الإنتاج والنقل والاستخدام، فإنها سوف تسبب التسمم والحرائق وحتى حوادث الانفجار، مما يعرض حياة الناس وسلامة الممتلكات للخطر الشديد. نظرًا لانتشار الغاز نفسه، بعد حدوث تسرب، سينتشر الغاز على طول سطح الأرض تحت تأثير قوة الرياح الخارجية وتدرج التركيز الداخلي، مما يشكل انفجار احتراق أو منطقة خطر سامة في موقع الحادث، ويوسع نطاق منطقة خطيرة.
بمجرد وقوع حادث تسرب الغاز، يجب اتخاذ التدابير المقابلة في أقرب وقت ممكن لتقليل خسائر الحادث. إن الكشف في الوقت المناسب وبشكل موثوق عن محتوى بعض الغازات في الهواء، واتخاذ التدابير العلاجية الفعالة في الوقت المناسب، وطرق التخلص الصحيحة للحد من الحوادث الناجمة عن التسرب هي شروط ضرورية لتجنب الممتلكات والإصابات الكبيرة. وهذا يضع متطلبات أعلى لمعدات الكشف عن الغاز ومراقبته. باعتباره كاشفًا مهمًا للغاز، فقد تم تطوير مستشعر الغاز بشكل كبير في السنوات الأخيرة. إن تطوير مستشعر الغاز يجعل تطبيقه أكثر شمولاً.
نظرة عامة على مستشعر الغاز
بدأت الدول الأجنبية في البحث وتطوير أجهزة استشعار الغاز في ثلاثينيات القرن العشرين. في الماضي، كانت أجهزة استشعار الغاز تستخدم بشكل أساسي للكشف والإنذار بغاز الفحم وغاز البترول المسال والغاز الطبيعي والغاز في المناجم. في الوقت الحاضر، توسعت أنواع الغازات التي يجب الكشف عنها من الغازات المختزلة الأصلية (H2، C4H10، CH4) إلى الغازات السامة (CO، NO2، H2S، NO، NH3، PH3).
هناك أنواع عديدة من أجهزة استشعار الغاز. وفقًا لمواد استشعار الغاز المختلفة وخصائص استشعار الغاز المستخدمة، يمكن تقسيمها إلى نوع أشباه الموصلات، ونوع المنحل بالكهرباء الصلب، والنوع الكهروكيميائي، ونوع الاحتراق التلامسي، ونوع البوليمر، وما إلى ذلك.
مستشعر غاز أشباه الموصلات
يستخدم هذا المستشعر بشكل أساسي مواد حساسة للغاز من أشباه الموصلات. منذ ظهور مستشعر غاز أكسيد معدن أشباه الموصلات في عام 1962، تم استخدامه على نطاق واسع نظرًا لمميزاته المتمثلة في الحساسية العالية والاستجابة السريعة، وأصبح أحد أكبر أجهزة الاستشعار وأكثرها استخدامًا في العالم. وبحسب الطرق المختلفة للكشف عن الكمية المميزة لحساسية الغاز، فإنها تنقسم إلى نوعين: النوع المقاوم والنوع غير المقاوم.
يعمل مستشعر غاز أشباه الموصلات المقاوم عن طريق اكتشاف تغير مستشعر الغاز مع محتوى الغاز. يتم استخدام المواد الحساسة لغاز أكسيد السيراميك المعدني بشكل أساسي. مع البحث والتطوير لمواد جديدة مثل أكاسيد المعادن المركبة وأكاسيد المعادن المختلطة في السنوات الأخيرة، تم تحسين خصائص ونطاق تطبيق مستشعر الغاز هذا بشكل كبير. على سبيل المثال: يمكن لمستشعر الغاز WO3 اكتشاف نطاق تركيز NH3 من 5 جزء في المليون إلى 50 جزء في المليون، ويكون مستشعر الغاز ZnO-CuO حساسًا جدًا لـ 200 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون.
تعمل مستشعرات غاز أشباه الموصلات غير المقاومة على مبدأ أن التيار أو الجهد الكهربي لمستشعر الغاز يتغير مع محتوى الغاز. هناك بشكل رئيسي نوع الصمام الثنائي MOS ونوع الصمام الثنائي الوصلي، ومستشعر الغاز من نوع أنبوب التأثير الميداني. معظم غازات الكشف هي غازات قابلة للاحتراق مثل الهيدروجين والسيلان.
مستشعر الغاز بالكهرباء الصلبة
تستخدم أجهزة استشعار الغاز بالكهرباء الصلبة مواد استشعار الغاز بالكهرباء الصلبة كعناصر استشعار للغاز. المبدأ هو أن المادة الحساسة للغاز تولد أيونات عند مرورها عبر الغاز، وبالتالي تشكل قوة دافعة كهربائية، وقياس القوة الدافعة الكهربائية لقياس تركيز الغاز. نظرًا للتوصيل العالي والحساسية الجيدة والانتقائية لهذا المستشعر، فقد تم استخدامه على نطاق واسع، ودخل تقريبًا في جميع مجالات البتروكيماويات وحماية البيئة والتعدين وما إلى ذلك، في المرتبة الثانية بعد مستشعرات غاز أشباه الموصلات المصنوعة من أكسيد المعدن. على سبيل المثال، YST-Au-WO3 لقياس H2S، NH بالإضافة إلى 4CaCO3 لقياس NH3، إلخ.
الاتصال بمستشعر غاز الاحتراق
ويمكن تقسيمها إلى نوع الاحتراق بالتلامس المباشر ونوع الاحتراق بالتلامس الحفاز. مبدأ عملها هو: عندما يتم تنشيط المادة الحساسة للغاز، يتأكسد الغاز القابل للاشتعال ويحترق تحت تأثير المحفز، وتقوم الحرارة المتولدة بتسخين سلك التسخين، وبالتالي تغيير قيمة مقاومته، وقياس تغير المقاومة لقياس تركيز الغاز. يمكن لهذا المستشعر قياس الغازات القابلة للاحتراق فقط وهو غير حساس للغازات غير القابلة للاحتراق. على سبيل المثال، تتمتع المستشعرات المصنوعة عن طريق طلاء المحفزات النشطة Rh وPd على سلك Pt بخصائص واسعة النطاق، أي أنها يمكنها اكتشاف الغازات القابلة للاحتراق المختلفة. مستشعر غاز الاحتراق التلامسي مستقر جدًا عند درجة الحرارة المحيطة ويمكنه اكتشاف معظم الغازات القابلة للاشتعال مع الحد الأدنى من الانفجار. يستخدم على نطاق واسع في مراقبة وإنذار الغازات القابلة للاشتعال في مصانع البتروكيماويات وأحواض بناء السفن وأنفاق المناجم والحمامات والمطابخ وما إلى ذلك.
مستشعر غاز البوليمر
لقد تم تطوير أجهزة استشعار الغاز التي تستخدم مواد استشعار الغاز البوليمرية بشكل كبير في السنوات الأخيرة. عندما تواجه مادة استشعار الغاز البوليمر غازًا معينًا، فإن خواصها الفيزيائية مثل المقاومة وثابت العزل الكهربائي وسرعة انتشار الموجة الصوتية لسطح المادة وترددها ووزن المادة ستتغير. يوجد بشكل أساسي بوليمرات الفثالوسيانين، وفيلم LB، وأسيتيلين فينيلسيانين، وحمض البولي فينيل الكحولي الفوسفوريك، والبولي أيزوبيوتيلين، وأمينونديسيل سيلاني، وما إلى ذلك. تلعب مواد استشعار الغاز البوليمرية دورًا مهمًا في الكشف عن الغازات السامة ونضارة الطعام نظرًا لسهولة تشغيلها، عملية بسيطة، وانتقائية جيدة في درجة حرارة الغرفة، وسعر منخفض، ودمج سهل مع أجهزة استشعار البنية الدقيقة وأجهزة الموجات الصوتية السطحية. وفقاً للخصائص التحسسية للغاز للمواد المستخدمة، يمكن تقسيم هذا النوع من الحساسات إلى: حساسات الغاز المقاومة البوليمرية والتي تقيس تركيز الغاز عن طريق قياس مقاومة المواد الحساسة للغاز؛ أجهزة استشعار الغاز من نوع بطارية التركيز التي تقيس القوة الدافعة الكهربائية لتحديد تركيز الغاز عن طريق تكوين خلية تركيز عندما تمتص مادة استشعار الغاز الغاز؛ أجهزة استشعار غاز الموجات الصوتية السطحية التي يتم تصنيعها بناءً على مبدأ أن سرعة انتشار أو تردد الموجات الصوتية على سطح المادة يتغير بعد أن يمتص البوليمر المستشعر للغاز الغاز؛ يتمتع مستشعر غاز البوليمر بحساسية عالية لجزيئات غاز معينة، وانتقائية جيدة، وبنية بسيطة، ويمكن استخدامه في درجة الحرارة العادية، ويمكن أن يكمل أوجه القصور في أجهزة استشعار الغاز الأخرى.
