سنسور گاز صنعتی چیست؟ آشنایی با عملکرد و انواع آن

در بسیاری از صنایع و کارخانجات استفاده از گازهای مختلف برای انجام فرآیندها و عملیات‌ها بسیار رایج است. اما گاهی اوقات این گازها می‌توانند خطرات جدی ایجاد کنند؛ مثلاً نشت گاز در محیط‌های صنعتی ممکن است باعث رخ دادن حوادث ناگواری شود. برای تشخیص و پیشگیری از این حوادث، استفاده از سنسورهای گاز صنعتی (دتکتور گاز) بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله، با معرفی سنسور گاز صنعتی و کاربردهای آن در صنایع مختلف، به بررسی ویژگی‌ها و فناوری‌های پیشرفته این تجهیزات می‌پردازیم.

چرا انتخاب سنسور گاز صنعتی اهمیت دارد؟

یکی از اصلی‌ترین مسائلی که در صنایع مختلف و محیط‌های صنعتی با آن مواجه هستیم، تشخیص به موقع نشت گازهای خطرناک است. بنابراین، استفاده از سنسورهای گاز صنعتی برای تشخیص به موقع و رصد نشت گازها امری ضروری است. نشت گازها می‌توانند باعث انفجار، حریق و یا آلودگی هوا شوند که در نتیجه عواقب جبران‌ناپذیری برای سازمان‌ها و کارکنانشان به همراه دارد.

انواع سنسور گاز صنعتی Industrial gas sensor

سنسورهای گاز صنعتی انواع مختلفی دارند ک در ادامه به صورت کامل با هر کدام از آن‌ها آشنا می‌شوید.

1. سنسور گاز صنعتی الکتروشیمیایی Electrochemical

سنسور الکتروشیمیایی یکی دیگر از انواع سنسور دتکتور گاز است. این سنسور برای تشخیص حضور یا غلظت گازهای مختلف در محیط استفاده می‌شود. سنسور الکتروشیمیایی بر اساس واکنش‌های شیمیایی بین گاز و الکترودهای حساس سنسور درون تجهیز عمل می‌کند. به عبارتی سنسور الکتروشیمیایی ابزاری تحلیلی سریع، دقیق، حساس و با کاربرد آسان است.

این سنسورها برای شناسایی و نظارت بر آلاینده‌ها در نمونه‌های محیطی ایده‌آل هستند زیرا برای تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی به مقدار و حجم بسیار کمی از نمونه (گاز) نیاز دارند. سنسور الکتروشیمیایی استفاده‌شده در دتکتور گاز، نوعی حسگر است که غلظت (یا فشار جزئی) گازها را از طریق یک واکنش الکتروشیمیایی به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این سیگنال الکتریکی نیز در انواع مختلفی تولید می‌شود که عبارت است از: نوع پتانسیل، نوع جریان و نوع خازنی.

عملکرد این سنسور بر پایه تغییرات جریان الکتریکی است که در اثر واکنش های شیمیایی بین گاز و الکترودها ایجاد می‌شود. سنسور الکتروشیمیایی شامل یک یا چند الکترود حساس به گاز است که در تماس مستقیم با گاز قرار دارند. این الکترودها به عنوان واسطه بین گازهای محیطی و مدار الکترونیکی دتکتور عمل می‌کنند. وقتی گازی در محیط وجود داشته باشد، این گاز با الکترودهای حساس در سنسور تعامل می‌کند و واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند. این واکنش شیمیایی می‌تواند منجر به تولید الکترون‌ها یا یون‌ها شود که تغییراتی در جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند. سیستم الکترونیکی سنسور این تغییرات را تشخیص داده و به صورت سیگنال خروجی نشان می‌دهد. بسته به نوع گاز مورد تشخیص، ساختار الکترودها و مواد شیمیایی متفاوتی در سنسور الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، برای تشخیص گازهای سمی مانند دی اکسید کربن (CO)، الکترودها معمولاً از موادی مانند پلاتین استفاده می‌شوند. در حضور CO، واکنش شیمیایی بین CO و الکترودها، الکترون‌هایی را تولید می‌کند که تغییراتی در جریان الکتریکی ایجاد می‌کند که سیستم الکترونیکی دتکتور آن را تحلیل می‌کند.

مزایای سنسور الکتروشیمیایی: سنسورهای الکتروشیمیایی دارای ویژگی‌هایی مانند حساسیت بالا، دقت بالا، زمان پاسخ کوتاه و قابلیت تشخیص گازهای مختلف هستند. آنها برای تشخیص گازهایی مانند CO، گاز آمونیاک (NH3)، گاز متان (CH4) و سایر گازهای قابل اشتعال و سمی استفاده می‌شوند.
معایب: عمر سنسور نسبتا پایین است و نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای دارد. بعد از چند سال دقت سنسور به راحتی از بین می‌رود و نیاز به تعویض سنسور است.

2. سنسور گاز صنعتی نیمه هادی

سنسور گاز نیمه هادی از انواع سنسور دتکتور گاز است که کاربرد نسبتاً کمتری نسبت به انواع دیگر دارد. این سنسور با استفاده از واکنش اکسیداسیون یا کاهش گاز روی سطح نیمه هادی برای تغییر مقدار مقاومت عنصر حساس ساخته می شود. هنگامی که دستگاه نیمه هادی به حالت پایدار گرم می‌شود و در هنگام تماس گاز با سطح نیمه هادی جذب می‌شود، مولکول های جذب‌شده ابتدا آزادانه در سطح جسم پخش می‌شوند و انرژی حرکتی خود را از دست می‌دهند. برخی از مولکول‌ها تبخیر می‌شوند و بخشی دیگر از مولکول های باقی‌مانده به صورت حرارتی تجزیه شده و روی جسم جذب می‌شوند. هنگامی که سطح نیمه هادی کمتر از میل ترکیبی مولکول های جذب شده باشد، مولکول های جذب‌شده الکترون‌ها را از دستگاه می‌‎گیرند و به یون‌های منفی جذب می شوند و سطح نیمه هادی یک لایه بار ایجاد می‌کند. اگر عملکرد نیمه هادی بیشتر از انرژی تفکیک مولکول های جذب شده باشد، مولکول های جذب شده الکترون‌ها را به دستگاه آزاد می‌کنند و جذب یون مثبت را تشکیل می‌دهند. سنسور تشخیص گاز با استفاده از تکتولوژی نیمه هادی اغلب از ترانزیستورهای اثر میدانی (MOS) ساخته می‌شوند.

مزایا سنسورهای نیمه هادی: پاسخ سریع، مقاومت محیطی قوی، ساختار پایدار
معایب : به راحتی تحت تأثیر دما و رطوبت قرار می‌گیرند.

پرکاربردترین سنسورهای نیمه هادی از نوع اکسید فلزی هستند.

 اساس کار سنسور گاز نیمه هادی اکسید فلزی: 

تحت شرایط خاص (دمایی)، پس از تماس گاز در هوا با مواد نیمه هادی ترکیب شیمیایی ایجاد می‌شود که این ترکیبات با واکنش اکسیداسیون حسگر رابطه مستقیمی دارند بدین صورت فرآیند تشخیص گاز انجام می‌شود. افزایش گاز هدف باعث تغییر مقاومت نیمه هادی می‌شود و با اندازه‌گیری تغییر مقاومت نیمه‌هادی می‌توان به مقدار غلظت گاز پی برد.

بیشتر بخوانید: دتکتور گاز شهری

3. سنسور گاز صنعتی کاتالیتیک Catalytic

سنسور کاتالیزوری یکی از انواع سنسور دتکتور گاز برای تشخیص و اندازه‌گیری غلظت گازهای قابل اشتعال مانند متان (CH4)، هیدروکربن‌ها و سایر گازهای قابل اشتعال است. سنسور کاتالیزوری شامل یک المان حساس است که به صورت کاتالیزی به گازها و مواد قابل اشتعال واکنش می‌دهد. المان حساس معمولاً شامل یک ماتریس کاتالیزی است که از فلزات مانند پالادیم (Pd)، پلاتین (Pt)، رودیوم (Rh) و یا نیکل (Ni) تشکیل شده است.

وقتی گاز قابل اشتعال به سنسور کاتالیزوری می‌رسد، واکنش کاتالیزی شیمیایی در المان حساس ایجاد می‌شود. این واکنش باعث اکسیداسیون گاز قابل اشتعال توسط اکسیژن حاضر در هوا می‌شود. در این واکنش، گاز قابل اشتعال با سطح المان کاتالیزی تعامل می‌کند و همراه با اکسیژن سوخته و تبدیل به دی‌اکسید کربن (CO2) و آب می‌شود.

زمانی که واکنش کاتالیزی در سنسور کاتالیزوری اتفاق می‌افتد، حرارت و الکتریسیته تولید می‌شود. جریان الکتریکی تولیدشده به عنوان سیگنال خروجی سنسور استفاده می‌شود. میزان جریان الکتریکی تولیدشده در سنسور کاتالیزوری متناسب با غلظت گاز قابل اشتعال است.

مزایای استفاده از سنسور کاتالیزوری شامل حساسیت بالا، دقت بالا، سرعت پاسخ بالا و قابلیت استفاده در محیط‌های خطرناک و صنعتی است. این سنسور قابل استفاده در دما و فشار مختلف است و به عنوان یک روش قوی و پایدار برای تشخیص و اندازه‌گیری غلظت گازهای قابل اشتعال به کار می‌رود.

با این حال، سنسور کاتالیزوری نیاز به تغییر و بازیابی دوره‌ای دارد، زیرا ممکن است المان کاتالیزی به دلیل استفاده مداوم کاهش عملکرد خود را نشان دهد. همچنین، این سنسور نمی‌تواند به صورت تحریک‌شده با گازهای سمی نظیر سولفید هیدروژن (H2S) و بنزن کار کند و نیاز به سنسورهای جانبی برای تشخیص این گازها دارد.

سنسور کاتالیزوری به عنوان یک روش مؤثر و قابل اعتماد برای تشخیص و اندازه‌گیری غلظت گازهای قابل اشتعال در برنامه‌های صنعتی، ایمنی و محیط‌های خطرناک استفاده می‌شود. این سنسور به عنوان یکی از پرکاربردترین انواع سنسورهای دتکتور گاز به حفاظت و ایمنی در برابر خطرات گازهای قابل اشتعال کمک می‌کند.

4. سنسور پلی استور Pellistor

سنسور پلی استر نیز نسخه بروز شده از سنسور کاتالیزوری است، تنها با این تفاوت که هر سنسور پلی استری از دو سنسور کاتالیزور تشکیل یافته است. این امر باعث افزایش دقت اندازه گیری و پایین آمدن خطاهای تشخیص سنسور آشکارساز ها می‌شود.

5. سنسور گاز صنعتی اشعه‌ای IR

سنسور گازی با فناوری مادون قرمز Infrared به وسیله تولید امواج مادون قرمز و انتشار آن داخل محفظه‌ای جهت تشخیص و اندازه‌گیری گاز مورد نظر به کار می‌رود. عملکرد این نوع از انواع سنسور دتکتور گاز بر اساس تفاوت جذب نور مادون قرمز توسط گازهای مختلف است. هنگامی که گازی در محیط وجود داشته باشد، سنسور مادون قرمز نور مادون قرمز را به گاز تابانده و سپس انتقال نور را دریافت می‌کند. سنسور با استفاده از مدار الکترونیک داخلی، تغییرات در القای نور مادون قرمز دریافتی را تجزیه و تحلیل می‌کند.

دریچه ورودی به سنسور مجهز به فیلتر است تا از ورود آب، گرد، غبار و نورهای مزاحم ممانعت بعمل آورد. همچنین یک فیلتر شیشه‌ای در جلوی گیرنده تعبیه شده است تا تنها نور مادون قرمز به گیرنده برسد.

امواج مادون قرمز در محفظه سنسور بنام سلول گازی در حال تابش است و زمانی که گاز مورد نظر وارد محفظه گازی شد، تحت تابش امواج مادون قرمز قرار می‌گیرد. امواج تولید شده مادون قرمز با طول موج معین با برخورد به گاز مورد نظر، جلوی تابش امواج مادون قرمز را می‌گیرد ومانع رسیدن امواج به قسمت آشکارساز سنسور می‌شود. هر چقدر غلظت گاز کمتر باشد، امواج مادون قرمز رسیده به آشکارساز بیشتر است و هر چقدر غلظت گاز بیشتر باشد، امواج مادون قرمز رسیده به آشکار ساز کمتر می‌باشد. سپس سنسور سیگنال های الکتریکی حاصل از تغییرات نوری را به مدار داخلی دستگاه انتقال می‌دهد، برد الکترونیکی این تغییرات را تجزیه و تحلیل کرده و به صورت سیگنال خروجی نشان می‌دهد. این سیگنال خروجی می‌تواند نشان دهنده حضور گاز و یا میزان غلظت آن باشد.

مطلب کاربردی: مقایسه دتکتور گاز دارای سنسور اینفراردی با سنسور پلیستر ( کاتالیزوری)

6. سنسور گاز صنعتی PID

بعضی مواقع مصرف‌کننده یا مشتری، برای تشخیص و اندازه‌گیری بعضی از  گازهای سمی نیاز به استفاده از دتکتور با سنسور جرمی یا دتکتور فتويونيزه دارد.

دتكتور فتویونیزه بر مبناى يونيزاسيون نورى عمل مى‌كند. ابزار اندازه‌گیری غلظت در محیط جهت این ترکیبات شیمیایی سمی استفاده از دتکتور با سنسور فتویونیزه (جرمی) می‌باشد. هنگامى كه يك اتم يا مولكول فوتونى انرژى كافى را جذب كند، با از دست دادن یک الکترون به يك يون مثبت تبديل مى‌شود. يونهاى تشكيل‌شده در سنسور موجود در دتکتور جذب ماده جمع‌آورى‌كننده يونها شده و جريان الكتريكى متناسب با غلظت آن اتم يا مولكول توليد مى‌شود. اين جريان توسط سیستم الکترونیکی درجه‌بندی شده و به اتاق کنترل ارسال می‌شود. همچنین تركيبات داراى پتانسيل يون كمتر يا معادل پتانسيل يون لامپ PID که در اصل یک لامپ UV است، توسط سنسور گاز قابل اندازه‌گيرى هستند.

سنسورهای PID عمدتاً برای تشخیص و اندازه‌گیری غلظت گازهای قابل اشتعال مانند بنزن، تولوئن، کلرید متیلن و سایر مواد شیمیایی متطاير استفاده می‌شوند. این مورد از انواع سنسور دتکتور گاز به دلیل حساسیت بالا، قابلیت تشخیص گازهای با غلظت پایین، سرعت پاسخ بالا و دقت بالا در محیط‌های صنعتی و محیط‌های کاربردی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به طور کلی، سنسور PID به عنوان یک تکنولوژی مؤثر در دتکتورهای گاز استفاده می‌شود و به کاربران امکان تشخیص و اندازه‌گیری دقیق غلظت گازهای قابل اشتعال و مواد شیمیایی متطاير را می‌دهد.

کاربرد سنسورهای (PID)

• سیالهای وینیل کلراید مونومر VCM
• اتیلن دی کلراید EDC
• بنزن
• رایج ترین PID سنسورها از لامپهای UV دوتریم، کریپتون و آرگون بهره می‌برند.
• لامپ دوتريم که بیشتر در دتكتور فتويونيزان کاربرد دارند (پتانسيل يونيزاسيون ۱۰/۲ الكترون ولت).
• لامپ کریپتون (۱۰/۶ الکترون ولت).
• لامپ آرگون (۱۱/۸ الکترون ولت).

کاربردهای سنسورهای گاز صنعتی

سنسورهای گاز صنعتی در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر به برخی از کاربردهای اصلی آن‌ها اشاره می‌کنیم:

1. صنعت نفت و گاز

بنا به ماهیت حساس صنعت نفت و گاز، استفاده از سنسورهای گاز صنعتی بسیار مهم است. این سنسورها در این صنعت برای تشخیص نشت گازهای قابل اشتعال و سمی کاربرد دارند. همچنین در عملیات حفاری و بهره‌برداری از معادن نیز از این سنسورها برای محافظت از کارگران و تشخیص احتمال نشت گازها استفاده می‌شود.

2. صنعت پتروشیمی

در صنعت پتروشیمی، استفاده از سنسورهای گاز صنعتی برای کنترل فرآیندها و تشخیص نشت گازهای خطرناک بسیار حیاتی است. این سنسورها به عنوان نیروی محرکه برای متخصصان این صنعت عمل می‌کنند و در صورت تشخیص هرگونه نشت، هشدارها را به صورت فوری ارسال می‌کنند.

3. صنعت معدن

در معادن، خطرات بسیار زیادی وجود دارد که ممکن است باعث آسیب به افراد و تجهیزات شوند. سنسورهای گاز صنعتی در این صنعت‌ها به منظور تشخیص گازهای ناخواسته و اطمینان از سلامت کارگران به کار می‌روند.

4. صنعت فولاد

در صنعت فولاد، فرآیندهای حرارتی و شیمیایی بسیار پیچیده‌ای انجام می‌شود. سنسورهای گاز صنعتی در این صنعت برای کنترل دقیق دما، فشار و نشت‌های گازی استفاده می‌شوند.

5. صنعت خودروسازی

در صنعت خودروسازی، استفاده از سنسورهای گاز صنعتی برای تشخیص میزان انتشار گازهای آلاینده مانند اکسید نیتروژن (NOx) و ذرات معلق (PM) از اهمیت بسیاری برخوردار است. این سنسورها به کنترل کیفیت هوا و کاهش آلودگی‌ها کمک می‌کنند.

فناوری‌های پیشرفته در سنسورهای گاز صنعتی

تکنولوژی‌های سنسورهای گاز صنعتی به سرعت در حال پیشرفت هستند. این پیشرفت‌ها به منظور بهبود دقت، حساسیت، و قدرت تشخیص این سنسورها انجام می‌شوند. در زیر به برخی از فناوری‌های پیشرفته در سنسورهای گاز صنعتی اشاره می‌کنیم:

1. اینترنت اشیا (IoT)

تکنولوژی اینترنت اشیا به سنسورهای گاز صنعتی امکان ارتباط بی‌سیم با شبکه‌ها و سیستم‌های مرکزی را می‌دهد. این ارتباطات به مهندسان این صنایع امکان مشاهده‌ی آنلاین داده‌ها و کنترل بهتر فرآیندها را می‌دهد.

2. هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشینی

استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی در سنسورهای گاز صنعتی، دقت تشخیص و پاسخ آن‌ها را به شدت افزایش می‌دهد. این تکنولوژی‌ها به سنسورها اجازه می‌دهند تا بر اساس الگوها و داده‌های جمع‌آوری‌شده، نشت‌ها را با دقت بالا تشخیص دهند و هشدارها را به صورت خودکار ارسال کنند.

3. فناوری نانو

استفاده از فناوری نانو در سنسورهای گاز صنعتی به افزایش سطح حساسیت و دقت آن‌ها کمک می‌کند. این فناوری به سنسورها امکان تشخیص غلظت گازها در سطح بسیار پایین‌تری را می‌دهد که این امر در تشخیص نشت‌های کوچک بسیار مفید است.

4. تصویربرداری حرارتی

استفاده از تصویربرداری حرارتی در سنسورهای گاز صنعتی، امکان تشخیص نشت‌های گازها به صورت دقیق‌تر و سریع‌تر را فراهم می‌کند. این تصاویر، تغییرات حرارتی ناشی از نشت گازها را نمایش می‌دهند که به شناسایی مشکلات در فرآیندها کمک می‌کند.

نتیجه‌گیری

در نتیجه، سنسورهای گاز صنعتی به عنوان تجهیزات حیاتی در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز، پتروشیمی، معدن، فولاد، و خودروسازی دارای اهمیت بسیاری هستند. استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند اینترنت اشیا، هوش مصنوعی، فناوری نانو، و تصویربرداری حرارتی باعث بهبود کارایی و دقت این سنسورها شده است.