در 2024/05/28 451

آشنایی با سنسورهای گاز: ساخت ، انواع و کار

سنسورهای گاز بهترین دستگاه در فناوری مدرن ، در نظارت و تشخیص گازهای مختلف در بسیاری از محیط ها هستند.توانایی آنها در تبدیل سطح گاز به سیگنال های الکتریکی از طریق واکنشهای فیزیکی یا شیمیایی ، آنها را برای برنامه های مختلف از امنیت صنعتی تا امنیت خانوار ارزشمند می کند.

در این مقاله در مورد انواع مختلف سنسورهای گاز ، بررسی اصول کار ، مزایا و محدودیت های آنها بحث شده است.با بررسی مؤلفه ها و ویژگی های این سنسورها ، به ویژه سنسورهای گاز اکسید فلزی که به طور گسترده استفاده می شود ، می توانیم از اهمیت آنها در اطمینان از ایمنی ، حفظ کیفیت هوا و حمایت از فرآیندهای مختلف صنعتی قدردانی کنیم.دانستن استفاده عملی ، کالیبراسیون و نگهداری از این سنسورها باعث افزایش قابلیت اطمینان و دقت آنها می شود و آنها را در هر دو تنظیم حرفه ای و داخلی به آنها تبدیل می کند.

کاتالوگ

شکل 1: سنسور گاز

سنسور گاز چیست؟

سنسورهای گاز دستگاهی است که برای تشخیص حضور یا غلظت گازها در یک محیط طراحی شده است.این کار با اندازه گیری تغییرات در مقاومت مواد داخلی آن ، که باعث ایجاد اختلاف ولتاژ می شود ، عمل می کند.این اختلاف ولتاژ به شناسایی و تخمین نوع و میزان گاز موجود کمک می کند.گازهای خاص که یک سنسور می تواند تشخیص دهد به ماده ای که از آن ساخته شده است بستگی دارد.

سنسورهای گاز سطح گاز را از طریق واکنشهای فیزیکی یا شیمیایی به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند.این سیگنال ها برای ارائه داده های قابل خواندن پردازش می شوند.آنها به ویژه برای تشخیص گازهای سمی و مضر و همچنین نشت گاز طبیعی مفید هستند.سنسورهای گاز گازهای قابل احتراق ، قابل اشتعال و سمی و حتی سطح اکسیژن را اندازه گیری می کنند و آنها را برای ایمنی و نظارت بر کیفیت هوا مناسب می کنند.

استاندارد برای عملکرد سنسور گاز

هنگام انتخاب سنسورهای گاز ، لازم است چندین مشخصات اندازه گیری کلیدی را با دقت ارزیابی کنید تا از اثربخشی و صحت آنها در کاربردهای تشخیص گاز اطمینان حاصل شود.این مشخصات معیارهایی برای عملکرد سنسور است ، به خصوص در تنظیماتی که ایمنی از اولویت اصلی و در سیستم های کنترل فرآیند است.

زمان پاسخ

زمان پاسخ ، فاصله بین تماس اولیه گاز با سنسور و پردازش سیگنال بعدی سنسور است.این پارامتر که برای جلوگیری از حوادث خطرناک یا حفظ یکپارچگی فرآیند نیاز به تشخیص فوری گاز دارد.زمان پاسخ کوتاه تر در محیط هایی که تشخیص سریع می تواند خطرات را کاهش دهد ، مانند گیاهان شیمیایی یا فضاهای محدود با نشت احتمالی گاز ترجیح داده می شود.در عملیات عملی ، یک سنسور گاز با زمان پاسخ کمتر از 10 ثانیه برای تشخیص نشت ناگهانی ایده آل است.این امر باعث می شود اقدامات پاسخ سریع مانند تخلیه یا خاموش کردن سیستم انجام شود.

شکل 2: پاسخ و زمان بازیابی سنسور گاز

فاصله تشخیص

فاصله تشخیص حداکثر دامنه ای است که در آن سنسور می تواند به طور موثری گاز را از منبع یا نشت آن تشخیص دهد.این مشخصات در جایی که سنسورها باید برای اطمینان از نظارت جامع قرار بگیرند ، دیکته می کند.در مجموعه های بزرگ صنعتی ، سنسورها باید از لحاظ استراتژیک برای پوشاندن کل تسهیلات قرار بگیرند ، و اطمینان حاصل کنند که حتی انتشار گازهای گازدار جزئی قبل از افزایش در سطح خطرناک تشخیص داده می شود.به عنوان مثال ، سنسورهای با فاصله تشخیص 1-2 متر اغلب در نزدیکی نقاط نشت بالقوه قرار می گیرند ، در حالی که کسانی که دارای محدوده بیشتری هستند (تا 10 متر) می توانند مناطق وسیع تری را از مکان های مرکزی کنترل کنند.

میزان جریان

شکل 3: تصویر شماتیک سنسور جریان گاز

سرعت جریان نشان دهنده حجم هوا یا گاز است که باید در طول سنسور جریان یابد تا سیگنال قابل تشخیص تولید شود.برای تضمین خوانش دقیق غلظت گاز ، این میزان باید به درستی تعیین شود.نرخ جریان ناکافی می تواند منجر به تأخیر در تشخیص یا مثبت کاذب ، به خطر انداختن ایمنی و کارآیی عملیاتی شود.اپراتورها ممکن است سیستم های تهویه را تنظیم کرده یا از فن های کمکی برای حفظ سرعت بهینه جریان در سنسورها استفاده کنند.اطمینان از سرعت جریان 0.5 تا 2 لیتر در دقیقه در طول سنسور می تواند به طور قابل توجهی دقت تشخیص را در محیط هایی با شرایط جریان هوا متغیر افزایش دهد.

پارامتر خروجی سنسور

سنسورهای گاز گازهای شناسایی شده را در قالب های مختلف اندازه گیری و گزارش می دهند تا نیازهای مختلف مانیتورینگ را برآورده سازد.

درصد LEL (حد انفجاری پایین)

کوچکترین غلظت یک گاز قابل احتراق را اندازه گیری می کند که می تواند شعله ای را در هنگام مخلوط شدن با هوا و مشتعل حفظ کند.برای ایمنی در محیط هایی با گازهای انفجاری مورد نیاز است.خواندن 0 ٪ LEL حاکی از وجود گاز وجود ندارد ، در حالی که 100 ٪ LEL به معنای غلظت گاز به حد قابل اشتعال خود رسیده است و خطر انفجار قابل توجهی را ایجاد می کند.اپراتورها برای اطمینان از ماندن سطح گاز در زیر آستانه های خطرناک ، LEL را کنترل می کنند.چک های منظم و اقدامات فوری در مورد خوانش های زیاد برای جلوگیری از تصادفات.

حجم درصد

حجم املاح تقسیم شده بر حجم کل کلیه مؤلفه ها را محاسبه می کند ، که 100 ٪ ضرب می شود.کمتر برای تشخیص گاز متداول است اما برای کاربردهای مربوط به تعامل با مایع گاز مفید است.اندازه گیری دقیق غلظت گاز در مخلوط های مایع به کنترل کیفیت و بهینه سازی فرآیند کمک می کند.

قطعات در هر میلیون (ppm)

غلظت گاز را در PPM اندازه گیری می کند و امکان نظارت دقیق سطح گاز بسیار کم را فراهم می کند.برای تشخیص گازهای ردیابی در نظارت بر محیط زیست و کنترل کیفیت مورد نیاز است.نظارت مداوم از رعایت مقررات ایمنی و محیط زیست اطمینان می دهد.نوسانات کوچک برای شناسایی زودهنگام مسائل بالقوه ردیابی می شود.

اندازه گیری نشت (میلی لیتر در دقیقه)

میزان فرار گاز از یک سیستم را نشان می دهد.این به شناسایی و تعیین نشت کمک می کند.با استفاده از این اطلاعات ، اپراتورها می توانند از یکپارچگی سیستم اطمینان حاصل کنند ، از خسارات زیادی جلوگیری کنند و به موقع نگهداری و تعمیر را انجام دهند.

اندازه گیری مصرف (ml/l/hr.)

نرخ مصرف گاز در یک فرآیند را منعکس می کند.به عنوان مثال برای استفاده در فرآیندهای صنعتی و تحقیقات بیولوژیکی بسیار عالی است.با توجه به توجه به میزان مصرف گاز ، می توان ناکارآمدی ها و بهینه سازی فرایندها را شناسایی کرد.

اندازه گیری چگالی (mg/m³)

بینش در مورد خصوصیات بدنی گاز در یک حجم معین ارائه می دهد.در کنترل آلودگی و ارزیابی کیفیت هوا مفید است.پیروی از استانداردهای زیست محیطی و ایدز در طراحی استراتژی های مؤثر کنترل آلودگی را تضمین می کند.

اندازه گیری امضای یا طیف

امضای طیفی از گازهای موجود را ارائه می دهد ، که اغلب به عنوان کروماتوگرام نمایش داده می شود.در تکنیک های تحلیلی پیشرفته مانند کروماتوگرافی گازی استفاده می شود.تجزیه و تحلیل دقیق ترکیب گاز و غلظت به شناسایی آلاینده ها و اطمینان از خلوص محصول کمک می کند.

این سیگنال ها برای ارائه داده های در زمان واقعی در مورد غلظت گاز ، با کمک به سیستم های کنترل خودکار ، پردازش می شوند.

مشترک سیگنال های خروجی از سنسورهای گاز	توابع
ولتاژ قیاسی	یک سیگنال الکتریکی مداوم نمایندگی اطلاعات متغیر
سیگنال های نبض	انفجارهای کوتاه انرژی مورد استفاده برای زمان بندی و هماهنگ سازی
جریان های قیاسی	جریانهای الکتریکی از نظر بزرگی متفاوت هستند برای انتقال اطلاعات
خروجی های سوئیچ یا رله	مکانیسم هایی که مدارها را باز یا بسته می کنند کنترل جریان الکتریکی

نمودار 1: سیگنال خروجی سنسور گاز و توابع

انواع سنسور گاز بر اساس اصول کار

سنسورهای گاز با اصول عملیاتی آنها طبقه بندی می شوند.هر نوع از خصوصیات ، مزایا و اشکالات متمایز برخوردار است و آنها را برای برنامه ها و محیط های مختلف مناسب می کند.

سنسور گاز مبتنی بر اکسید نیمه هادی / فلزی

شکل 4: قطعات حسگر گاز نیمه هادی / فلزی مبتنی بر اکسید فلزی

شکل 5: سنسور گاز نیمه هادی واقعی است

این سنسورها با ردیابی تغییرات در مقاومت یک نیمه هادی هنگام تماس با گازها ، گازها را شناسایی می کنند.معمولاً ، آنها یک مؤلفه سنجش اکسید فلزی ، مانند دی اکسید قلع (SNO2) را شامل می شوند که روی یک بستر مجهز به الکترودها و یک عنصر گرمایش قرار می گیرند.ماهیت متخلخل لایه اکسید فلزی سطح سطح موجود برای فعل و انفعالات گاز را افزایش می دهد.از آنجا که گازها بر روی این لایه جذب می شوند ، تغییراتی در هدایت الکتریکی سنسور رخ می دهد ، که به نوبه خود مقاومت آن را تغییر می دهد.این سنسورها به ویژه نسبت به آرایه های متنوعی از گازها حساس هستند و برای تولید مقرون به صرفه هستند.با این وجود ، آنها به کالیبراسیون روتین نیاز دارند و عملکرد آنها تحت تأثیر دما و رطوبت است.

مزایای:

• ساختار ساده

• کم هزینه

• حساسیت تشخیص بالا

• سرعت واکنش سریع

مضرات:

• دامنه اندازه گیری کوچک

• تحت تأثیر سایر گازها و دما

سنسور گاز الکتروشیمیایی

شکل 6: قطعات حسگر الکتروشیمیایی شماتیک

شکل 7: نمونه ای از سنسور الکتروشیمیایی برای تشخیص گاز سمی و قابل اشتعال

سنسورهای الکتروشیمیایی غلظت گازها را با اکسیداسیون یا کاهش گاز هدف در الکترود و ضبط جریان این فرآیند تعیین می کنند.این دستگاه ها از الکترودهای کار ، پیشخوان و مرجع در یک الکترولیت غوطه ور هستند ، همه موجود در یک محفظه کوچک که شامل یک غشای قابل نفوذ گاز است.گازها از این غشای عبور می کنند و در یک واکنش ردوکس در الکترود کار شرکت می کنند و جریان را تولید می کنند که به طور مستقیم متناسب با غلظت گاز باشد.این سنسورها که به دلیل ویژگی و دقت استثنایی آنها شناخته شده اند ، می توانند با حضور سایر گازها به خطر بیفتند و به دلیل کاهش تدریجی مواد فعال خود ، زندگی عملیاتی محدود دارند.

مزایای:

• زمان پاسخ سریع

• خروجی خطی خوب

• دقت بالا

مضرات:

• به محیط غنی از اکسیژن نیاز دارید

• الکترولیت مایع مصرف کنید

• مستعد تغییر دما ، رطوبت و فشار

سنسور گاز مادون قرمز غیر پراکنده (NDIR)

شکل 8: قطعات حسگر شماتیک NDIR

شکل 9: سنسور واقعی NDIR

سنسورهای NDIR از نور مادون قرمز استفاده می کنند منبع و ردیاب برای تعیین غلظت گاز از طریق مادون قرمز جذبآنها مجهز به منبع نور مادون قرمز ، یک محفظه برای گاز هستند نمونه ها ، یک فیلتر طول موج و یک ردیاب مادون قرمز.با جذب گازها طول موج خاص نور مادون قرمز ، ردیاب سنسور را کمیت می کند میزان این جذب برای ارزیابی غلظت گاز.این سنسورها می بالند دقت و طول عمر بالا ، و مستعد ابتلا به مسمومیت سنسور نیست. با این حال ، آنها تمایل به پرهزینه دارند و محدود به تشخیص گازهایی هستند که جذب می شوند نور مادون قرمز

مزایای:

• گازهایی مانند CO2 را اندازه گیری می کند

• به اکسیژن احتیاج ندارد

• قابلیت اندازه گیری بالا

• ثبات خوب و هزینه های کم نگهداری

مضرات:

• مصرف انرژی بالا

• گران

• ساختار پیچیده و نیازهای نرم افزاری/سخت افزار

سنسور گاز کاتالیزوری

شکل 10: قطعات حسگر کاتالیزوری شماتیک

شکل 11: مثال سنسور کاتالیزوری

سنسورهای کاتالیزوری گازهای قابل اشتعال را شناسایی می کنند از طریق یک مهره کاتالیزوری که مقاومت آن را در هنگام اکسیداسیون گاز تغییر می دهد.اینها سنسورها یک مهره سنجش با روکش کاتالیزور را در کنار یک مرجع درج می کنند عنصر ، در یک پیکربندی پل Wheatstone در محافظ تنظیم شده است کشتاکسیداسیون گازهای قابل احتراق در سطح کاتالیزور تولید می کند گرما ، منجر به تغییر مقاومت تشخیص داده شده توسط مدار.در این سنسورها که به سرعت در حال تشخیص غلظت های پایین گاز ، نیاز به وجود اکسیژن و ممکن است توسط مواد شیمیایی خاص به خطر بیفتد.

مزایای:

• مقاومت شدید در برابر آب و هوای شدید و گازهای سمی

• طول عمر طولانی

• هزینه های کم نگهداری

مضرات:

• خطر انفجار یا آتش سوزی در محیط های تاریک

• مستعد مسمومیت توسط ترکیبات سولفید و هالوژن

• خطاهای بزرگتر در محیط های کم اکسیژن

آشکارساز عکسبرداری (PID)

شکل 12: قطعات PID شماتیک

شکل 13: مثال PID

آشکارسازهای فوتونیزاسیون (PID) استفاده می کنند نور ماوراء بنفش به گازهای یونیزه شده و اندازه گیری جریان الکتریکی تولید شده توسط این یونها برای ارزیابی غلظت گاز.سیستم شامل یک لامپ UV ، A محفظه یونیزاسیون و الکترودها.یونیزاسیون مولکول های گاز باعث می شود جریان الکتریکی در سراسر الکترودها ، که به طور مستقیم با غلظت ترکیبات آلی فرار (VOC).PID ها حساسیت بالایی دارند به VOC و قابلیت های تشخیص سریع ، اگرچه آنها گران هستند و عملکرد آنها می تواند تحت تأثیر متغیرهای محیطی مانند رطوبت و دما باشد.

مزایای:

• حساسیت بالا

• بدون مشکل مسمومیت

• می تواند بیش از 400 نوع گاز ارگانیک فرار را تشخیص دهد

مضرات:

• هزینه بالای تعویض لامپ

• نمی توان هوا ، گازهای سمی یا گاز طبیعی را اندازه گیری کرد

سنسور گاز هدایت حرارتی

شکل 14: قطعات حسگر هدایت حرارتی شماتیک

شکل 15: مثال سنسور هدایت حرارتی

سنسورهای هدایت حرارتی ارزیابی می کنند تغییرات در هدایت حرارتی به دلیل گازهای مختلف.این سنسورها معمولاً دو عنصر حرارتی مانند ترمیستورها یا حرارتی را در بر می گیرد هادی ها ، در پیکربندی مدار پل تنظیم شده اند.یک عنصر در معرض دید است به گاز هدف در حالی که دیگر با گاز مرجع رابط می کنند.تغییر در ترکیب گاز هدایت حرارتی را در اطراف سنسور تغییر می دهد و تأثیر می گذارد درجه حرارت و مقاومت آن.این تغییر سپس توسط مدار اندازه گیری می شود. این دستگاه ها ساده ، قوی و قادر به تشخیص بسیاری از گازها هستند ، اگرچه آنها حساسیت کمتری دارند و مستعد تغییر در محیط هستند دما

مزایای:

• دامنه تشخیص گسترده

• ثبات خوب کار

• طول عمر طولانی

• بدون مشکل پیری کاتالیزور

مضرات:

• دقت تشخیص ضعیف

• حساسیت کم

• مستعد رانش دما

آنالایزر کروماتوگرافی گازی

شکل 16: قطعات آنالایزر کروماتوگرافی گاز شماتیک

شکل 17: آنالایزر کروماتوگرافی گازی واقعی است

آنالایزرهای کروماتوگرافی گازی متمایز هستند و اجزای مخلوط گاز را با استفاده از آشکارسازهای متنوع تعیین کنید.آنها متشکل از یک انژکتور ، یک ستون کروماتوگرافی ، یک سیستم گاز حامل و الف ردیاب ، همه در یک محیط کنترل شده قرار دارند.نمونه های گاز معرفی می شوند از طریق انژکتور به ستون ، جایی که آنها با توجه به چگونه از هم جدا می شوند آنها با مواد ستون تعامل دارند.اجزای جدا شده پس از آن هستند توسط ردیاب شناسایی و اندازه گیری شد.این آنالایزرها دقت بالایی دارند و می تواند مخلوط های پیچیده را تجزیه و تحلیل کند ، اما آنها پرهزینه هستند ، تقاضای کارشناس را تقاضا می کنند ، و در مقایسه با سایر سنسورهای گاز دست و پا گیر تر هستند.

مزایای:

• حساسیت بالا

• مناسب برای تجزیه و تحلیل میکرو و ردیابی

• می تواند گازهای جداگانه چند فاز را تجزیه و تحلیل کند

مضرات:

• نمی توان به نمونه گیری و تجزیه و تحلیل مداوم دست یافت

• برای تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی مناسب تر از نظارت بر گاز در زمینه صنعتی است

سنسور گاز مبتنی بر ظرفیت

شکل 18: قطعات سنسور مبتنی بر خازن شماتیک

شکل 19: سنسور مبتنی بر ظرفیت واقعی

سنسورهای خازن تغییر در خازن به دلیل تغییرات در ثابت دی الکتریک یک گاز جذب شده روی سطح سنسور.این سنسورها از یک خازن تشکیل شده اند که شامل یک ماده دی الکتریک واکنشی به گاز هدف ، که به طور معمول طراحی شده است در یک سکوی MEMS برای تقویت فشردگی.جذب مولکول های گاز ثابت دی الکتریک را تغییر می دهد ، در نتیجه تغییر در ظرفیت سپس اندازه گیری شد.در حالی که این سنسورها فوق العاده حساس و ایده آل هستند تشخیص رطوبت ، آنها مستعد تأثیرات زیست محیطی مانند هستند دما

مزایای:

• حساسیت بالا

• زمان پاسخ سریع ، مناسب برای نظارت در زمان واقعی

• مصرف کم مصرف

مضرات:

• مسائل پایداری بلند مدت

• حساسیت متقابل به سایر گازها

• محدوده تشخیص محدود

سنسورهای گاز مبتنی بر صوتی

شکل 20: قطعات حسگر گاز مبتنی بر آکوستیک شماتیک

شکل 21: سنسورهای گاز مبتنی بر آکوستیک واقعی است

سنسورهای صوتی بر اساس مفهومی که در ترکیب گاز تغییر می کند ، بر سرعت صدا در داخل تأثیر می گذارد مخلوطآنها مجهز به فرستنده و گیرنده موج صدا هستند ، در یک محفظه یا در امتداد مسیری که مخلوط گاز می تواند با آن تعامل داشته باشد امواج صوتیتغییرات در خصوصیات آکوستیک به دلیل این تعامل ضبط و تجزیه و تحلیل می شوند.این سنسورها نظارت غیر تهاجمی را ارائه می دهند و تشخیص سریع تغییرات ، اما ممکن است با دقت و با دقت روبرو شوند اغلب به کالیبراسیون منظم نیاز دارند.

مزایای:

• عوامل عصبی و تاول را تشخیص دهید

• کمتر باتری ، مناسب برای برنامه های بی سیم

• در قسمت های خشن و چرخان قابل استفاده است

مضرات:

• رسیدگی به کار در هنگام ساخت به دلیل اندازه کوچک دشوار است

سنسور گاز کالری سنج

رقم 22: (الف) تصویر شماتیک ساختار دستگاه و اصل کار ، و (ب) عکس از یک دستگاه کالری-TGS.(ج) شماتیک و عکس از سیستم اندازه گیری دستگاه های کالری سنجی TGS.

سنسورهای کالری سنجی تغییرات گرما را تشخیص می دهند ناشی از واکنشهای شیمیایی بین گاز هدف و خاص معرفاین دستگاه ها مجهز به یک محفظه واکنش حاوی a هستند کاتالیزور یا معرفی که پس از واکنش با گاز ، گرما ایجاد می کند.این افزایش یا کاهش دما توسط یکپارچه اندازه گیری می شود سنسور دمادر حالی که این سنسورها مخصوصاً برای آن مؤثر هستند با تشخیص گازهای خاص ، آنها تمایل به نشان دادن زمان واکنش کندتر و کمتر دارند حساسیت نسبت به سایر انواع سنسور.

مزایای:

• زمان پاسخ سریع برای نظارت در زمان واقعی

• طراحی ساده

• ثبات و قابلیت اطمینان طولانی مدت

• مصرف کم مصرف

مضرات:

• کاتالیزورها طول عمر محدودی دارند و می توانند تخریب شوند

• زمان پاسخ آهسته تر برای غلظت گاز بسیار کم

سنسور گاز مغناطیسی

رقم 23: اثرات مغناطیسی مورد استفاده برای ساخت دستگاه سنجش گاز.(الف) اثر سالن ، (ب) اثر کر.(ج) اثر رزونانس فرومغناطیسی (FMR). (د) اثر مگنتو-پلاسمونیک.(ه) لحظه مغناطیسی یا اثر چرخش.(f) اثر چرخش مگنتوستاتیک (MSW) اثر.

شکل 24: سنسور مغناطیسی واقعی است

سنسورهای مغناطیسی از مغناطیسی استفاده می کنند ویژگی های گازهای خاص مانند اکسیژن برای تعیین آنها غلظتاین دستگاه ها دارای مواد مغناطیسی هستند که آنها را تغییر می دهد خواص مغناطیسی در هنگام قرار گرفتن در معرض گازهای خاص.این تغییرات شناسایی می شوند توسط یک سنسور میدان مغناطیسی که در واحد یکپارچه شده است.اصلاح در خصوصیات مغناطیسی ناشی از حضور گاز هدف اندازه گیری می شود و تجزیه و تحلیلسنسورهای مغناطیسی ثبات بالایی را ارائه می دهند و تا حد زیادی از آن نفوذ نمی کنند تداخل در گازهای دیگر.با این حال ، آنها فقط می توانند گازهای پارامغناطیسی را تشخیص دهند و تمایل به پیشرفته تر و گران تر دارند.

مزایای:

• عملکرد غیر تهاجمی

• تشخیص سریع و نظارت در زمان واقعی

• برخی از انواع به قدرت خارجی احتیاج ندارند

مضرات:

• پیچیده و گران قیمت

• به کالیبراسیون مکرر نیاز دارید

• فقط می تواند گازها را با خاصیت مغناطیسی خاص اندازه گیری کند

• ناتوان از میدان های مغناطیسی خارجی و تغییر دما

اجزای سنسور گاز اکسید فلزی

شکل 25: اجزای شماتیک یک سنسور گاز اکسید فلزی

لایه سنجش گاز: لایه سنجش گاز هسته سنسور است و باعث تغییر غلظت گاز می شود.این ماده به عنوان یک شیمی درمانی عمل می کند و مقاومت را در هنگام قرار گرفتن در معرض گازهای خاص تغییر می دهد.معمولاً از دی اکسید قلع (SNO₂) ساخته شده است ، که دارای الکترون های اضافی (عناصر اهدا کننده) است ، مقاومت را در حضور گازهای سمی تغییر می دهد.این تغییر مقاومت در جریان جریان ، در ارتباط با غلظت گاز و ایجاد لایه سنجش گاز ، برای تشخیص دقیق گاز تأثیر می گذارد.

سیم پیچ بخاری: سیم پیچ بخاری با نگه داشتن آن در دمای بالا حساسیت و کارایی لایه سنجش گاز را تقویت می کند.ساخته شده از نیکل کروم ، که به دلیل ذوب بالای آن مشهور است ، تحت گرمای ثابت پایدار است.این گرمایش لایه سنجش گاز را فعال می کند و این امکان را برای پاسخ بهتر به گازها فراهم می کند.سیم پیچ بخاری با تأمین انرژی حرارتی به طور مداوم ، عملکرد سنسور بهینه را تضمین می کند.

خط الکترود: خط الکترود به طور مؤثر جریان های کوچک را از لایه سنجش گاز منتقل می کند.ساخته شده از پلاتین ، که برای هدایت آن با ارزش است ، انتقال و اندازه گیری دقیق جریان را تضمین می کند.این حرکت الکترون کارآمد برای دقت سنسور در تشخیص گاز مفید است.

الکترود: الکترود خروجی لایه سنجش گاز را به خط الکترود متصل می کند.ساخته شده از طلا (Au - Aurum) ، یک هادی برتر ، حداقل مقاومت و انتقال جریان کارآمد را تضمین می کند.این اتصال برای اندازه گیری دقیق غلظت گاز مهم است و امکان انتقال سیگنال الکتریکی یکپارچه از عنصر سنجش به پایانه های خروجی را فراهم می کند.

سرامیک توبولار: سرامیک لوله ای ، که معمولاً از اکسید آلومینیوم (Al₂o₃) ساخته شده است ، بین سیم پیچ بخاری و لایه سنجش گاز قرار دارد.نقطه ذوب بالای آن از فرآیند سوختگی لایه سنجش پشتیبانی می کند و دارای حساسیت بالا و جریان خروجی کارآمد است.سرامیک توبولار ثبات ساختاری و عایق حرارتی را ارائه می دهد ، از قطعات داخلی سنسور محافظت می کند و باعث افزایش دوام و عملکرد می شود.

مش بر روی عنصر سنجش: یک مش فلزی عنصر سنجش را پوشانده و اجزای حساس را از گرد و غبار و ذرات خورنده محافظت می کند.این مش از سنسور در برابر آلاینده های خارجی محافظت می کند و یکپارچگی و طول عمر لایه سنجش گاز را حفظ می کند.با فیلتر کردن ذرات مضر ، مش تضمین می کند که سنسور در مدت طولانی با دقت و قابل اعتماد عمل می کند.

سنسورهای گاز چگونه کار می کنند؟

فناوری اساسی

سنسورهای گاز از یک شیمی درمانی استفاده می کنند ، که به طور معمول از دی اکسید قلع (SNO2) ساخته می شود.SNO2 یک نیمه هادی از نوع N است که دارای الکترونهای رایگان زیادی است که برای انجام برق مفید است.

عملکرد در هوای تمیز

در هوای تمیز ، مولکول های اکسیژن از جو به سطح SNO2 متصل می شوند.این مولکول های اکسیژن الکترون های رایگان را از SNO2 ضبط می کنند و مانعی را ایجاد می کنند که جریان جریان را متوقف می کند.بنابراین ، خروجی سنسور صفر یا در یک پایه است.

واکنش به گازهای سمی یا قابل احتراق

این گازها هنگام قرار گرفتن در معرض گازهای سمی یا قابل احتراق ، با اکسیژن موجود در سطح SNO2 واکنش نشان می دهند و الکترون های به دام افتاده را آزاد می کنند.این افزایش در الکترون های آزاد باعث افزایش هدایت SNO2 می شود.سطح این تغییر رسانایی با غلظت گاز مطابقت دارد.

چگونه از سنسور گاز استفاده کنیم؟

شکل 26: ماژول سنسور گاز و 4 پایانه

یک سنسور گاز اصلی دارای شش پایانه است: چهار برای ورودی/خروجی (برچسب A ، A ، B ، B) و دو برای گرم کردن سیم پیچ (برچسب H ، H).پایانه های ورودی/خروجی را می توان به صورت متقابل استفاده کرد.سنسورهای بنزین اغلب به عنوان ماژول هایی که شامل خود سنسور و یک مقایسه کننده IC هستند ، می آیند.این ماژول ها به طور معمول دارای چهار پایانه هستند: VCC (منبع تغذیه) ، GND (زمین) ، خروجی دیجیتال (سیگنال نشانگر وجود گاز) و خروجی آنالوگ (ولتاژ مداوم که حاکی از غلظت گاز است).

افزایش خروجی سنسور

از آنجا که سنسور گاز به تنهایی یک خروجی کوچک (در میلی ولت) تولید می کند ، برای تبدیل این خروجی به یک سیگنال دیجیتال ، یک مدار خارجی لازم است.این تبدیل از یک مقایسه کننده (معمولاً LM393) ، پتانسیلومتر قابل تنظیم و مقاومت های اضافی و خازن استفاده می کند.مقایسه کننده LM393 خروجی سنسور را می گیرد ، آن را با ولتاژ مرجع مقایسه می کند و خروجی دیجیتالی را ارائه می دهد.پتانسیلومتر سطح غلظت گاز را که باعث بازده بالایی می شود ، تعیین می کند.

نمودار مدار اساسی یک ماژول سنسور گاز

شکل 27: نمودار مدار اصلی یک سنسور گاز در یک ماژول سنسور گاز

مدار سنسور گاز شامل پایانه های ورودی/خروجی (A و B) و پایانه های بخاری (H) است.سیم پیچ بخاری برای فعال کردن سنسور باید ولتاژ کافی دریافت کند.بدون این ولتاژ ورودی ، جریان خروجی ناچیز است.پس از تغذیه ، لایه سنجش می تواند گازها را تشخیص دهد.

بدون حضور گاز:

مقاومت لایه سنجش بدون تغییر باقی می ماند و در نتیجه جریان حداقل خروجی ایجاد می شود.

گاز موجود:

سیم پیچ از قبل گرم شده با تغییر مقاومت مواد ، تشخیص جریان جریان در مقاومت بار (RL) را تسهیل می کند.

مقدار RL ، به طور معمول بین 10kΩ تا 47kΩ ، بر اساس حساسیت مورد نظر به غلظت گاز کالیبره می شود.مقادیر مقاومت پایین تر باعث کاهش حساسیت می شوند ، در حالی که مقادیر مقاومت بالاتر باعث افزایش حساسیت می شوند.این مدار همچنین شامل یک OP-AMP LM393 است که سیگنال آنالوگ را به یک دیجیتال تبدیل می کند.پتانسیلومتر 10K پردازنده امکان تنظیم حساسیت ماژول سنسور را فراهم می کند.دو LED شاخص های بصری را ارائه می دهند: یکی برای قدرت (نشان می دهد که تخته مجهز است) و دیگری برای تحریک (که نشان دهنده آستانه تنظیم شده است).خازن های جداشده باعث کاهش سر و صدا می شوند و از خوانش سنسور پایدار و دقیق اطمینان حاصل می کنند.

محبوب ترین سنسورهای گاز

سری MQ سنسورهای گاز نیمه هادی ، از جمله مدل هایی مانند MQ-2 ، MQ-3 ، MQ-4 ، MQ-5 ، MQ-6 ، MQ-7 ، MQ-8 ، MQ-9 ، MQ-131 ، MQ-135 ، MQ-136 ، MQ-137 ، MQ-138 ، MQ-214 ، MQ-303A ، MQ-306A و MQ-309A ، به دلیل قابلیت اطمینان و صحت آنها در کاربردهای مختلف مورد توجه قرار می گیرند.این سنسورها طیف گسترده ای از نیازهای زیست محیطی و صنعتی را برآورده می کنند.

شکل 28: جدول انواع مختلف سنسور گاز

MQ-2: گازهای قابل احتراق و دود را تشخیص می دهد.

سنسور را به مدت 24 ساعت گرم کنید.کالیبراسیون با غلظت شناخته شده گاز هدف ، مانند 1000 ppm متان.مقاومت بار را بر اساس ولتاژ خروجی تنظیم کنید.

با تثبیت بخاری داخلی ، افزایش آهسته مقاومت را مشاهده کنید.اطمینان حاصل کنید که سنسور قبل از خواندن کاملاً گرم شده است تا از عدم دقت جلوگیری شود.

MQ-3: تشخیص بخار الکل ، که اغلب در نفس گیر استفاده می شود.

سنسور را حداقل 48 ساعت قبل از استفاده اولیه گرم کنید.با الکل 0.4 میلی گرم در لیتر در هوا کالیبراسیون کنید.مقاومت بار را تنظیم کنید تا با نیازهای خاص برنامه مطابقت داشته باشد.

کنترل حساسیت را در طول کالیبراسیون کنترل کرده و فواصل را بر اساس ثبات تنظیم کنید.درجه حرارت و رطوبت محیط را ضبط کنید زیرا بر دقت تأثیر می گذارد.

MQ-4: تشخیص متان و گاز طبیعی.

24 ساعت گرم کنید.کالیبراسیون در یک محیط کنترل شده با 5000 ppm متان.مقاومت بار را بر این اساس تنظیم کنید.

زمان پاسخ را از نزدیک کنترل کنید.پاسخ آهسته ممکن است نشانگر مشکلات مربوط به بخاری یا ثبات دما در محیط باشد.

MQ-5: LPG ، گاز طبیعی و تشخیص گاز زغال سنگ.

مشابه MQ-4 اما برای چندین گاز با استفاده از غلظت های خاص کالیبراسیون کنید.

در طول کالیبراسیون یک محیط پایدار را حفظ کنید.نوسانات دما می تواند تغییرات قابل توجهی در خوانش ایجاد کند.

MQ-6: LPG ، بوتان ، ایزوبوتان و پروپان را تشخیص می دهد.

مانند MQ-5 از قبل گرم کنید و کالیبراسیون کنید.از تهویه مناسب برای جلوگیری از غلظت گاز خطرناک در طول کالیبراسیون اطمینان حاصل کنید.

پس از قرار گرفتن در معرض غلظت گاز بالا ، به زمان بهبودی سنسور توجه کنید.قرار گرفتن در معرض طولانی مدت می تواند سنسور را اشباع کند و به یک دوره بهبودی طولانی تر نیاز دارد.

MQ-7: تشخیص مونوکسید کربن.

48 ساعت گرم کنید.کالیبراسیون در یک محیط 100 ppm.مقاومت بار را تنظیم کنید تا با حساسیت مورد نظر مطابقت داشته باشد.

رفتار را در دمای نوسان مشاهده کنید زیرا سنسورهای Coen نسبت به تغییرات دما حساس هستند.در صورت لزوم یک الگوریتم جبران خسارت را پیاده سازی کنید.

MQ-8: تشخیص گاز هیدروژن.

24 ساعت گرم کنید.کالیبراسیون در یک محیط هیدروژن 1000 ppm.مقاومت بار را برای عملکرد بهینه تنظیم کنید.

اطمینان حاصل کنید که محیط کالیبراسیون عاری از سایر گازها و آلاینده ها است ، زیرا سنسورهای هیدروژن نسبت به آلودگی بسیار حساس هستند.

MQ-9: مونوکسید کربن و گازهای قابل اشتعال را تشخیص می دهد.

48 ساعت گرم کنید.با استفاده از غلظت های شناخته شده ، به طور جداگانه برای CO و گازهای قابل اشتعال کالیبراسیون کنید.مقاومت های بار را برای هر تشخیص گاز تنظیم کنید.

اطمینان حاصل کنید که کالیبراسیون برای یک گاز با حساسیت به دیگری تداخل ندارد.روی قابلیت تشخیص گاز دوگانه تمرکز کنید.

MQ-131: تشخیص ازن

24 ساعت گرم کنید.کالیبراسیون در یک محیط ازن 0.1 ppm.مقاومت بار را بر این اساس تنظیم کنید.

به طور مرتب حساسیت سنسور را بررسی کرده و دوباره ارزیابی کنید زیرا سنسورهای ازن می توانند با گذشت زمان با قرار گرفتن در معرض غلظت های بالا ، با گذشت زمان تخریب شوند.

MQ-135: سنسور کیفیت هوا تشخیص NH3 ، NOX ، الکل ، بنزن ، دود و CO2.

24 ساعت گرم کنید.برای کالیبراسیون برای هر گاز خاص از محیط های مختلف گاز کنترل شده استفاده کنید.

سوابق مفصلی از تنظیمات کالیبراسیون را برای هر نوع گاز حفظ کنید.ارزیابی مجدد منظم به دلیل طیف گسترده ای از گازهای قابل تشخیص ، برای حفظ دقت مناسب است.

MQ-136 به MQ-309A: هر سنسور گازهای خاص را هدف قرار می دهد و کالیبراسیون مشابهی دارد که به عنوان MQ-135 شرح داده شده است.

به مدت 24 ساعت از قبل گرم کنید و از محیط های مختلف گاز کنترل شده برای کالیبراسیون برای هر گاز خاص استفاده کنید.

حساسیت های خاص و حساسیت های متقابل هر سنسور را درک کنید.نگهداری منظم ، کالیبراسیون و کنترل محیط زیست برای عملکرد بهینه مهم است.

کاربرد سنسور گاز

ایمنی صنعتی: در محیط های صنعتی ، سنسورهای گاز گازهای سمی مانند مونوکسید کربن ، متان و سولفید هیدروژن را کنترل می کنند.این سنسورها در مناطقی که مستعد نشت هستند ، مانند گیاهان شیمیایی ، واحدهای تولیدی و امکانات ذخیره سازی نصب شده اند.آنها به طور مداوم کار می کنند و داده های زمان واقعی را به یک سیستم کنترل مرکزی ارسال می کنند.هنگامی که سطح گاز از آستانه های تنظیم شده فراتر رود ، سیستم برای جلوگیری از خطرات ، هشدار و خاموش شدن خودکار را ایجاد می کند.اپراتورها به طور معمول این سنسورها را کالیبراسیون می کنند و برای اطمینان از صحت ، بررسی های میدانی و کالیبراسیون های صفر را انجام می دهند.

ایمنی خانگی: در خانه ، سنسورهای گاز نشت گاز طبیعی یا پروپان را تشخیص می دهند و از انفجار یا مسمومیت جلوگیری می کنند.این سنسورها غالباً بخشی از سیستم های خانه هوشمند هستند و به صاحبان خانه از طریق تلفن های هوشمند هشدار می دهند یا با خدمات اضطراری تماس می گیرند.آنها معمولاً در آشپزخانه ها ، زیرزمین ها یا لوازم خانگی نزدیک نصب می شوند.صاحبان خانه باید به طور مرتب این دستگاه ها را آزمایش کرده و باتری ها را در صورت لزوم جایگزین کنند تا آنها را عملیاتی کنند.

صنعت نفت و گاز: بر روی سکوهای نفتی ، سنسورهای گاز ترکیبات آلی فرار (VOC) و سایر گازهای خطرناک را کنترل می کنند.این سنسورها برای مقاومت در برابر شرایط سخت دریایی مانند دمای شدید و رطوبت ساخته شده اند.آنها بخشی از یک سیستم ایمنی بزرگتر هستند که شامل کنترل های تهویه و مکانیسم های خاموش کننده اضطراری است.بازرسی های روزانه اطمینان می دهد که سنسورها عاری از آلاینده ها و عملکرد صحیح هستند ، و تنظیمات در محل با استفاده از دستگاه های کالیبراسیون قابل حمل انجام می شود.

صنعت مهمان نوازی: در هتل ها ، سنسورهای گاز با تشخیص دود سیگار و تحریک سیستم های تهویه یا آلارم ، سیاست های بدون سیگار را اجرا می کنند.این سنسورها با احتیاط نصب شده در اتاق های مهمان و مناطق مشترک ، به مدیریت هتل کمک می کنند فوراً تخلفات را برطرف کرده و یک محیط بدون دود را حفظ کنند.تعمیر و نگهداری منظم سنسورهای تمیز را بررسی می کند و حساسیت آنها را نسبت به ذرات دود تأیید می کند.

محیط های اداری: در ساختمانهای اداری ، سنسورهای گاز بر کیفیت هوای داخلی نظارت می کنند ، با تمرکز بر روی آلاینده هایی مانند دی اکسید کربن ، VOC و ذرات.این سنسورها که با سیستم های HVAC یکپارچه شده اند ، جریان هوا را تنظیم می کنند تا از فضای کاری سالم اطمینان حاصل شود.مدیران تسهیلات داده های سنسور را برای بهینه سازی تهویه ، کاهش هزینه های انرژی در حالی که کیفیت هوا را کاهش می دهد ، تجزیه و تحلیل می کنند.کالیبراسیون دوره ای و به روزرسانی نرم افزار برای تقویت عملکرد سنسور انجام می شود.

سیستم های تهویه مطبوع: سنسورهای گاز در تهویه مطبوع سطح CO2 را مدیریت می کنند و کیفیت هوای داخل خانه را بهبود می بخشند.بخشی از یک سیستم خودکار ، آنها نرخ تهویه را بر اساس غلظت CO2 در زمان واقعی تنظیم می کنند.تکنسین ها عملکرد سنسور را در حین نگهداری روتین بررسی می کنند تا از خواندن دقیق و کیفیت بهینه هوا اطمینان حاصل شود.

سیستم های تشخیص آتش سوزی: سنسورهای گاز در سیستم های تشخیص آتش سوزی دود و گازهای سمی مانند مونوکسید کربن را زودتر شناسایی می کنند.آنها هشدارهایی را ارائه می دهند و اقدامات تخلیه به موقع و کنترل آتش را امکان پذیر می کنند.پرسنل ایمنی در برابر آتش به طور مرتب این سیستم ها را با شبیه سازی شرایط دود آزمایش می کنند تا از پاسخگویی و قابلیت اطمینان سنسور اطمینان حاصل شود.

عملیات معدن: در معدن ، سنسورهای گاز گازهای خطرناکی مانند متان و مونوکسید کربن را برای ایمنی کارگران تشخیص می دهند.این سنسورها بخشی از یک سیستم ایمنی شبکه ای هستند که نظارت مداوم و تنظیمات تهویه خودکار را ارائه می دهند.معدنچیان همچنین آشکارسازهای قابل حمل گاز را به عنوان یک اقدام ایمنی اضافی حمل می کنند.آموزش منظم در مورد استفاده از سنسور و روشهای پاسخ اضطراری ، آمادگی را تضمین می کند.

آنالایزر نفس: سنسورهای گاز در آنالایزر نفس با تشخیص اتانول در نفس ، میزان الکل خون (BAC) را اندازه گیری می کنند.این دستگاه ها برای حفظ دقت توسط این دستگاه ها مورد استفاده قرار می گیرند و برای نظارت بر این دستگاه ها به کالیبراسیون با استانداردهای اتانول شناخته شده نیاز دارند.کاربران از پروتکل های سختگیرانه ، مانند اطمینان از دستگاه در دمای صحیح و جلوگیری از آلودگی ، پیروی می کنند تا نتایج قابل اعتماد را تضمین کنند.

پایان

با پیشرفت فناوری ، سنسورهای گاز قدرتمندتر و گسترده تر می شوند و عملکرد آنها را تقویت می کنند و آنها را در بسیاری از مناطق از جمله ایمنی صنعتی و امنیت خانگی مورد نیاز می کنند.درک چگونگی عملکرد سنسورهای گاز و چگونگی حفظ آنها ، اهمیت فنی و سهم قابل توجه آنها در محافظت از زندگی و بهبود کیفیت محیط اطراف ما را برجسته می کند.چه در کارخانه ها ، خانه ها و چه در فضاهای عمومی ، سنسورهای گاز برای آینده ای امن تر و سالم تر مهم هستند.با پیشرفت فناوری ، سنسورهای گاز پیشرفته تر و به خوبی توسعه می یابند ، عملکرد آنها را تقویت می کنند و آنها را در بسیاری از مناطق از جمله ایمنی صنعتی و امنیت خانگی ضروری می کنند.

سوالات متداول [سؤالات متداول]

1. سنسورهای گاز چیست؟

سنسور گاز وسیله ای است که حضور و غلظت گازها در هوا را تشخیص می دهد.اطلاعات شیمیایی را از گاز به یک سیگنال الکترونیکی تبدیل می کند که می تواند اندازه گیری و تجزیه و تحلیل شود.

2. هدف سنسور گاز چیست؟

هدف اصلی سنسور گاز نظارت و تشخیص نشت گاز یا وجود گازهای خطرناک است.این امر با ارائه هشدارهای اولیه در مورد سطح خطرناک گاز ، جلوگیری از تصادفات و اطمینان از رعایت مقررات ایمنی ، به امنیت کمک می کند.

3. مزایای سنسور گاز چیست؟

سنسورهای گاز دستگاههایی هستند که غلظت گاز در هوا را تشخیص داده و اندازه گیری می کنند و با ارائه هشدارهای اولیه در مورد گازهای خطرناک ، ایمنی را تضمین می کنند.آنها دقیق هستند ، اندازه گیری های دقیقی را ارائه می دهند و از طریق تشخیص زودرس ، ایمنی را در محیط های مختلف افزایش می دهند.سنسورهای گاز می توانند برای نظارت مداوم در سیستم های خودکار ادغام شوند و نیاز به بازرسی دستی و کاهش هزینه های نیروی کار را کاهش دهند.تطبیق پذیری آنها به آنها امکان می دهد طیف گسترده ای از گازها را تشخیص دهند و آنها را برای کاربردهای بی شماری مناسب ، از گیاهان صنعتی و نظارت بر محیط زیست گرفته تا ایمنی مسکونی و محیط های پزشکی ، مناسب کنند.به عنوان مثال ، یک سنسور مونوکسید کربن در خانه ها است که به سرنشینان به سطح خطرناک گاز CO هشدار می دهد.

4. سنسورهای گاز کجا استفاده می شوند؟

سنسورهای گاز به طور گسترده ای در صنایع و تنظیمات مختلف از جمله نظارت بر گاز در کارخانه های تولیدی ، پالایشگاه ها و گیاهان شیمیایی برای اطمینان از ایمنی صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.اندازه گیری کیفیت هوا و تشخیص سطح آلودگی برای حفاظت از محیط زیست.تشخیص مونوکسید کربن و نشت گاز طبیعی در خانه ها برای ایمنی مسکونی.نظارت بر گازهای تنفسی در محیط مراقبت های بهداشتی.و تشخیص انتشار گازهای گاز در وسایل نقلیه برای اطمینان از رعایت استانداردهای زیست محیطی.

5. نمونه ای از سنسور گاز چیست؟

یک نمونه رایج از سنسور گاز سنسور مونوکسید کربن (CO) است که در خانه ها استفاده می شود.این سنسور گاز CO را که بی رنگ و بی بو است ، تشخیص می دهد و در صورت وجود سطح خطرناک برای جلوگیری از مسمومیت ، زنگ خطر را ایجاد می کند.

6. چگونه یک سنسور گاز کار کنیم؟

یک سنسور گاز با قرار گرفتن در معرض گاز هدف ، که با مواد تشخیص سنسور در تعامل است ، کار می کند و باعث یک واکنش شیمیایی می شود که خصوصیات سنسور را تغییر می دهد.این تغییر به یک سیگنال الکترونیکی تبدیل می شود ، که سپس پردازش و اندازه گیری می شود تا یک خروجی قابل خواندن مانند مقدار عددی یا زنگ هشدار ارائه شود.به عنوان مثال ، یک سنسور مونوکسید کربن در یک خانه به طور مداوم هوا را کنترل می کند.اگر گاز CO تشخیص داده شود ، با سنسور واکنش نشان می دهد و یک سیگنال الکترونیکی ایجاد می کند که اگر سطح CO خیلی زیاد باشد ، زنگ خطر را ایجاد می کند و به شما در مورد خطر هشدار می دهد.