سنسور تشخیص گاز

وسیله ای است که می تواند برای حس کردن یا تشخیص دادن کمیت فیزیکی شبیه نیرو، فشار، کشش، نور و غیره استفاده شود و سپس آن را به خروجی مطلوبی مانند سیگنال الکتریکی تبدیل کند تا کمیت فیزیکی اعمال شده را اندازه گیری کند. پس سنسور یعنی حس کننده و از کلمه  sens به معنی حس کردن گرفته شده است. سنسورها در انواع دستگاه های اندازه گیری، سیستم های کنترل آنالوگ و دیجیتال کاربرد دارد. بر اساس نوع و وظیفه ای که برای سنسور ها تعریف شده، این دستگاه اطلاعات را به سیستم کنترل  کننده می فرستد و سیستم طبق برنامه تعریف شده عمل می کند. 

انواع  مختلف سنسور ها عبارتند از:

ترموکوپل (وسیله اندازه گیری اختلاف درجه حرارت) سنسور هال (تشخیص میدان مغناطیسی)سنسورIR  (فرستنده IR/ IR LED)، اندازه گیر فشار (سنسور فشار)، مقاومت تابع نور (متغیر با نور)، سلول های بار (سنسور وزن)، سنسور وزن ، نیرو و فشار، فوتو دیود (گیرنده IR)، مقاومت گرمایی، سنسور فراصوت، سنسور موقعیت، سنسور سرعت، سنسور لمسی، سنسور صدا، سنسور شار، سنسور PIR، شتاب سنج، سنسور نور، سنسور دما، پتانسیومتر، میکروفون، اینکودر و سنسور گاز. 

انواع سنسورها در صنعت کاربرد های مختلفی دارند از جمله:

- شمارش تولید: سنسورهای القائی، خازنی ونوری

-  کنترل حرکت پارچه : سنسور نوری و خازنی

- تشخیص پارگی ورق: سنسورنوری

- کنترل سطح مخازن: سنسور نوری و خازنی و خازنی کنترل سطح

- کنترل انحراف پارچه: سنسور نوری و خازنی

- اندازه گیری سرعت: سنسور القائی و خازنی

- کنترل تردد: سنسور نوری

- اندازه گیری فاصله قطعه: سنسور القائی آنالوگ

-   جلوگیری از نشر و نشت گاز: سنسور گازی

سنسور گاز :

گازهای سمی در عملیاتی  مختلفی از جمله: عملیات دفن زباله، نقاشی ساختمان، ساخت‌وساز، پر کردن سوخت در پمپ‌بنزین‌ها، نشت گاز از لوله‌های بخاری و شومینه‌ها و غیره تولید می شود. این روزها در فصل زمستان که استفاده از وسایل گازی نسبت به سایر فصول بیشتر است امکان دارد نشت گاز و یا مسمومیت با گاز بیشتر از سایر فصل ها باشد. چرا که در فصل‌های سرد برای گرم کردن خانه به ناچار از بخاری، شومینه و یا دیگر وسایل گرمایشی استفاده می‌شود.

برای جلوگیری از خطراطی همچون مسمومیت با گاز و نشت گاز، نصب سنسور برای ایمنی لازم و ضروری است. این سیستم‌های گرماده، علی رغم همه مزیت‌هایی که دارند اگر درست نصب نشوند و یا نکات ایمنی در استفاده از آنها رعایت نشود، ممکن است در اثر نشت دی اکسید کربن، خسارات جانی و مالی بسیاری را شامل شود.

تاریخچه ی سنسور گاز :

از قرن 19 و اوایل قرن 20، معدنچیان زغال سنگ به عنوان یک سیستم شناسایی زود هنگام در برابر گازهای تهدید کننده حیات مانند: دی اکسید کربن، مونوکسید کربن و متان به کانال ها به تونل ها می رساند. قناری، به طور معمول یک پرنده بسیار مرموز، آواز خواندن را متوقف می کند و در نهایت اگر از این گازها حذف نشود، به معدنچیان می گوید که به سرعت از معدن بیرون می آیند.

چراغ ایمنی شعله (یا لامپ دیوی) اولین سنسور گاز در عصر صنعتی است که توسط سر هومفری دیوی (انگلستان) در سال 1815 اختراع شد برای تشخیص متان (فایده) در معادن ذغال سنگ زیرزمینی. لامپ ایمنی شعله شامل شعله ی نفتی بود که در هوای تازه تنظیم شده و به ارتفاع خاصی می رسید. برای جلوگیری از آتش سوزی با شعاع شعله در یک آستین شیشه ای با یک شعله شعله مش قرار داشت. ارتفاع شعله بسته به حضور متان (بالاتر) یا کمبود اکسیژن (پایین) فرق دارد.

در دوران مدرن، (1926-1927 ) برای تشخیص گاز با توسعه ی سنسور احتراق کاتالیزوری (LEL) دکتر جانسون تحقیقاتی را شروع کرد. دکتر جانسون کارمند شرکت استاندارد نفت در کالیفرنیا بود، ایشان شروع به تحقیق و توسعه برای تشخیص مخلوط های قابل احتراق در هوا کرد، این امر راه کاری بود برای جلوگیری از انفجار در مخازن ذخیره سوخت. نخستین نمایشگر "شاخص بخار الکتریکی" عملیاتی در سال 1927 با انتشار مدل B آغاز شد.قبل از آن که به سنسور گاز بپردازیم بهتر است درباره ی گازهای دی اکسید کربن و مونوکسید کربن صحبت کنیم. 

گاز دی اکسید کربن

گاز متان به صورت خالص گاز بی رنگ و بی بویی است و در مصارف خانگی و صنعتی برای مشخص شدن نشت و کاهش خطرات آن، از ترکیباتی جهت بودار کردن این گاز استفاده می‌شود. واحد سنجش غلظت و تراکم گازها ppm است (مخفف عبارت “Part Per Million” به معنای یک قسمت در میلیون). هر درصد گاز برابر ۱۰۰۰۰ ppm است. در صنعت، ترکیبات گاز شهری با گاز متان فرق دارد. به همین دلیل مشخصات فیزیکی گاز متان با گاز شهری نیز متفاوت است. همچنین خصوصیات فیزیکی و شیمیایی گاز مایع یا LPG نیز متفاوت از گاز متان و گاز شهری است.

گاز مونوکسید کربن :

گاز مونو کسید کربن با فرمول شیمیایی CO گازی بی رنگ، بی بو و بدون مزه است که بر اثر ناقص سوختن کربن به وجود می‌آید. کربن مونوکسید یک گاز بسیار سمی است و به همین دلیل است که کربن مونوکسید را قاتل نامریی می‌نامند. گاز مونوکسید کربن در صورت غلظت بالا هم انسان و هم حیوان را از پا در‌می‌آورد. این گاز از یک اتم کربن و از یک اتم اکیسژن تشکیل می‌شود.  میل ترکیبی این گاز با هموگلوبین خون بیش از ۲۵۰ برابر اکسیژن است. بنابراین در حضور این گاز، اکسیژن مجالی برای جذب در خون نیافته و عوارض جسمانی پدیدار می‌گردد. 

گاز CO را نباید با گاز CO2 اشتباه گرفت. گاز CO2 گازی است که انسان در بازدم خود از طریق ریه‌ها و تنفس تولید می‌کند و گاز سمی نیست. بر خلاف باور عمومی، گاز مونو اکسید کربن هم قابل انفجار است ولی حد انفجار این گاز در تراکم‌های بالا اتفاق می‌افتد. میزان LEL یا همان حداقل سطح انفجار برای گاز مونو اکسید کربن ۱۲.۵% Vol (12.5 درصد حجمی) که معادل ۱۲۵۰۰۰ ppm بوده و میزان UEL یا همان حداکثر سطح انفجار برای این گاز برابر ۷۵.۶% Vol (75.6 درصد حجمی) است.

هر دو گاز متان و منوکسیدکربن سبک‌تر از هوا است. ضریب نسبت وزن گاز متان نسبت به هوا برابر  55درصد است و این ضریب برای گاز منوکسیدکربن برابر ۰.۹۶96 درصد است. با توجه به این اعداد و ارقام، وزن گاز مونو اکسید کربن تقریباً برابر هوا بوده و این گاز قابلیت پخش در هوا را به‌ صورت یکنواختی دارا است.

با توجه به ضریب وزن گاز متان نسبت به هوا، وزن این گاز تقریباً برابر نصف وزن هوا بوده و در صورت نشت به بالا صعود می‌کند. ضریب نسبت وزنی گاز شهری به هوا برابر 4 درصد بوده که بیانگر این واقعیت است که گاز شهری حتی سبک‌تر از گاز متان است.

سالانه شاهد مرگ ۱۰۰۰ نفر بر اثر مسمومیت با گاز هستیم و نیز ۵۰۰۰ نفر در سال دچار بیماری می‌شوند و تحت درمان قرار می‌گیرند. سنسور تشخیص نشتی گاز که معمولاً به‌ عنوان بخشی از سیستم ایمنی در نظر گرفته می‌شود (و به آنها آشکارسازهای گاز هم گفته می شود) دستگاه های الکترونیکی است که انواع مختلف گازها را شناسایی  می کند. آنها معمولاً برای شناسایی گازهای سمی یا انفجاری و اندازه گیری غلظت گاز استفاده می شوند. دستگاهی است که  بسته به مدل انتخابی، حضور گاز مونوکسید کربن، متان (گاز شهری) و سایر گازهای سمی را در فضای داخلی تشخیص می‌دهد.

این نوع سنسور، از مهم‌ترین تجهیزات یک ساختمان هوشمند است، سنسورهای گازی مختلف برای شناسایی گازهایی مانند: اکسیژن، دی اکسید کربن، نیتروژن، متان (در کارخانه ها و تاسیسات تولیدی برای شناسایی نشت گاز ، و تشخیص دود و مونوکسید کربن در خانه ها استفاده می شود) تولید می شود. همچنین می توان آنها را معمولاً در دستگاه هایی یافت که برای تشخیص نشت گازهای مضر ، نظارت بر کیفیت هوا در صنایع و ادارات و غیره استفاده می شود.

سنسور گاز غلظت غیرعادی گاز را به سرعت تشخیص می دهد و بی درنگ به سیستم‌های کنترلی اعلام می‌کند. سنسور گاز ساختمان همزمان گاز شهری، گاز دود، گاز مونواکسید کربن را می‌تواند تشخیص دهد. در سیستم اعلام نشتی گاز به کمک سنسور گاز اقدامات امنیتی تعریف می‌شوند.

این سنسورها مجهز به سیستم‌های اعلام و اخطار دیداری و شنیداری (صوتی) بوده و در برخی از مدل‌ها (قابل حمل) از ویبراتور یا لرزاننده نیز جهت اعلام خطر به کاربران استفاده می‌ شود.  این دسته از تجهیزات معمولا به دو دسته ثابت و قابل حمل (portable) طبقه بندی می‌ شوند که هر یک ویژگی‌های خاص خود را دارد و در کاربری‌های متناسب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سنسور گاز را می‌توان با سایر تجهیزات  خانه ی هوشمند همچون کنترل کننده شیر فلکه ی هوشمند یکپارچه کرد تا در مواقع ضروری دستور بستن شیرهای گاز را برای کنترل‌کننده ارسال کند و این فرصت را به ساکنین دهد تا نسبت به ایمن‌سازی محل اقدامات لازم را انجام دهند. سنسورهای گاز دارای استانداردها و گواهینامه‌های مختلف از سازمان‌های صدور گواهینامه صنعت است. اندازه این سنسورها به طور گسترده ای (قابل حمل و ثابت) ، برد و توانایی سنجش آنها  متفاوت است. آنها اغلب بخشی از یک سیستم تعبیه شده بزرگتر سیستم های امنیتی است و به طور معمول به یک زنگ هشدار یا رابط متصل می شود.

از آنجا که سنسورهای گاز به طور مداوم با هوا و سایر گازها در تعامل است ، بیشتر از بسیاری از سنسورهای دیگر باید کالیبره شوند. این نوع سنسور علاوه بر کاربرد پایش سلامت هوای داخلی ساختمان‌های هوشمند، می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از پایانه‌های صنعتی مانند کارخانه‌های صنعتی، پالایشگاه‌ها، داروسازی‌ها، تأسیسات بخاری، کارخانه‌های خمیر کاغذ، تجهیزات هواپیما و کشتی‌سازی، تجهیزات تصفیه فاضلاب، کارخانه‌های ساخت وسایل نقلیه و سایر مورد استفاده قرار گیرد.

انواع سنسورهای گازی عبارتند از:

- سنسور گاز مبتنی بر اکسید فلز.
-  سنسور گاز نوری.
-  سنسور گاز الکتروشیمیایی.
- سنسور گاز مبتنی بر ظرفیت.
- سنسور گاز کالری متری.
-  سنسور گاز مبتنی بر صوتی.   

ساخت سنسور گازی :

از میان انواع سنسورهای گازی ، سنسور گاز متداول ترین  سنسور گاز اکسید فلز است. همه ی این سنسورها از یک عنصر سنجش تشکیل شده اند که از لایه سنجش گاز، سیم پیچ بخاری، خط الکترود،  سرامیک لوله ای و الکترود تشکیل شده است. 

روش کار سنسور گاز :

زمانی که  سنسور در محیط گازهای سمی یا قابل احتراق قرار می گیرد، به این گاز (رنگ نارنجی) با ذرات اکسیژن جذب شده، عکس العمل نشان داده و پیوند شیمیایی بین اکسیژن و الکترون های آزاد را می شکند، در نتیجه ی این کار الکترون ها آزاد می شود. چون الکترونهای آزاد شده به موقعیت اولیه خود بر می گردند، می تواند جریان را هدایت کند، چنانچه گاز دارای سم زیادی باشد، الکترونهای آزاد بیشتری در دسترس خواهد بود، این انتقال متناسب با مقدار الکترونهای آزاد موجود دردی اکسید قلع خواهد بود.

با توجه به تکنولوژی به کار رفته در سنسور‌های دستگاه‌های گاز سنج برای تشخیص گاز‌ها به انواع مختلف از جمله: سنسور‌های گازی با تکنولوژی مادون قرمز (IR)، سنسور‌های گازی الکتروشیمیایی، سنسور‌های کاتالیستی و اندازه گیری با استفاده از نیمه هادی‌ها، طبقه بندی می شود.

- سنسورهای الکترو شیمیایی :

موادی در گازها و مایعات وجود دارد که می‌تواند به‌ طور الکتروشیمیایی شناسایی شود که ممکن است در آنها واکنش‌های نفوذی اتفاق افتاده در سل باشد. یک سل الکتروشیمیایی دارای یک الکترولیت، یک الکترود اندازه گیرنده ، یک الکترود همراه و یک الکترود شاهد است.  اصولا از سنسورهای الکتروشیمیایی در کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود. قابلیت کاربرد سنسورها در تعیین مقدار سموم می‌تواند امید بخش این باشد که پایش‌های سریع در محل آلودگی و جلوگیری از مسمومیت با گاز بوده و امکان انجام پایش را بدون مراحل آماده سازی خاص‎ برای نمونه فراهم آورد.

- سنسورهای کاتالیستی :

 لایه ایی که روی الکترود سنسور قرار می‌گیرد کاتالیست است و باعث افزایش حساسیت، انتخاب پذیری واکنش سریع تر سنسور به شرایط محیطی می‌شود. به عنوان مثال از اکسید بیسموت Bi2O3 به عنوان کاتالیست در کنار اکسید قلع SnO2 جهت تشخیص گاز NO استفاده می‌شود. همچنین فلز پالادیوم به عنوان کانالی است در سنجش مورد استفاده قرار می گیرد. افزودن پروموتر و کاتالیست نه تنها به بهبود شرایط فوق کمک می‌کند، بلکه باعث می‌شود که گاز هدف بتواند در دماهای پایین‌تری با لایه فعال واکنش نشان دهد که این امر باعث کاهش توان مصرفی هیتر و در نتیجه کاهش توان مصرفی قطعه شود .

 - سنسورهای هادی :

در این سنسورها و هشدار دهنده، نشت گاز تأثیر متقابل گاز با جامد موجب تغییر در هدایت می‌شود. یک تغییر در مقاومت نیز می‌تواند موجب تغییر در دمای مواد سنسور شود. این سنسور ها و هشدار دهنده نشت گاز، دارای حساسیت بالاست و زمان‌های پاسخ در حد دقیقه دارد. با این حال ، این سنسور درجه نسبتاً بالایی از حساسیت جنبی را نشان می‌دهد.

 - سنسورهای نیمه هادی:

تغییرات در لایه دوگانه الکتریکی در یک مرز عایق / فاز فلزی برای اندازه گیری، در این نوع سنسورها و هشدار دهنده نشت گاز استفاده می‌شود و برای تشخیص H2 در دمای اتاق مناسب است. فلز ی که برای این سنسورها مورد استفاده قرار گرفته پالادیم است. این سنسورها، در سیستم های خانگی، سیستمهای اخطار برای تشخیص CO، تشخیص H2S در پالایشگاه‌ها، برای آزمایش میزان الکل در تنفس و برای اندازه‌گیری رطوبت نسبی کاربرد دارد. در سنسورهای و هشدار دهنده نشت گاز نیمه هادی از یک هیتر در ابعاد بسیار کوچک ((کمتر از یک میلی‌متر) برای انتخاب پذیر نمودن فعالیت سنسور استفاده می‌شود. 

 - سنسورهای مادون قرمز : 

سنسورهای مادون قرمز از حالات جامدی تشکیل شده اند که هیچ ترکیب شیمیایی با گاز مورد نظر را انجام نمی‌دهد. این سنسورها شرایط بحرانی را تشخیص داده و به کاربر اطلاع می دهد، به عبارت دیگر از این سنسورها به عنوان کنترل ایمنی استفاده می شود. سنسور گاز مادون قرمز با تولید امواج مادون قرمز و تشعشع آن در محدوده‌ای مشخص می‌تواند گاز معین شده را تشخیص دهد. امواج مادون قرمز در کانالی به نام سلول گازی در حال تابش است. هنگامی که گاز مورد نظر وارد این سلول گازی شد تحت تابش امواج مادون قرمز قرار می‌گیرد.

این امواج با برخورد با گاز مورد نظر با طول موج مشخص، جلوی تابش امواج مادون قرمز را می‌گیرد و مانع رسیدن امواج به قسمت آشکار ساز سنسور می‌شود. هرچه غلظت گاز زیاد باشد امواج مادون قرمز رسیده به آشکار ساز کمتر و باعث شناسایی گاز می‌شود.این گازسنج‌ها برای شناسایی گاز‌هایی همچون: اکسیژن، مونو اکسید کربن، سولفید هیدروژن و انواع گاز‌های قابل اشتعال کارایی دارد.  از این تجهیزات برای مصارف ایمنی استفاده می‌شود و برای کاربرد‌های دیگری مانند اندازه گیری و یا تعیین ترکیبات یک گاز مناسب نیست.

انواع سنسور‌های تشخیص گاز

۱- سنسور MQ-۲:
حساس به کلیه گاز‌های مشتعل و دود
۲- سنسور MQ-۳:
حساس به گاز‌های طبیعی - متان
۳-سنسور MQ-۴:
حساس به گاز‌های طبیعی - متان
۴-سنسور MQ-۵:
حساس به گاز‌های LPG - گاز‌های طبیعی - گاز‌های ایجاد شده از سوختن
۵- سنسور MQ-۶:
حساس به گاز‌های LPG - Propane - iso - butane
۶- سنسور MQ-۷:
حساس منواکسید کربن
۷- سنسور MQ-۸:
حساس به هیدروژن و گاز‌های ایجاد شده از سوختن
۸- سنسور MQ-۹:
حساس به کلیه گاز‌های مشتعل و CO
۹- سنسور MQ۲۱۴:
حساس متان
۱۰- سنسور MQ۲۱۶:
حساس به کلیه گاز‌ها و گاز‌های ایجاد شده از سوختن
۱۱- سنسور MQ۳۰۶A:
حساس به گاز‌های LPG - گاز‌های طبیعی - گاز‌های ایجاد شده از سوختن
۱۲- سنسور MQ۳۰۷A:
حساس منواکسید کربن
۱۳- سنسور MQ۳۰۹A:
حساس به کلیه گاز‌های مشتعل و CO
١٤- سنسور MQ۱۳۷،
١٥-سنسور TGS۴۱۶۱ گاز CO ۲

* کاربرد سنسور گاز

سنسورهای گاز بیشتر در موتورخانه، شوفاژخانه و آشپزخانه‌ها استفاده می شود که ممکن است در این مکان ها به صورت ناخواسته شعله ی گاز خاموش و ساعت‌ها گاز در هوا پخش شود.  امکان دارد در شوفاژخانه‌ها نیز بر اثر نشت گاز مونوکسید کربن در محل اتصالات و یا شکستگی لوله‌ها، نشتی گاز وجود داشته باشد که استفاده از دتکتور گاز به راحتی ساکنین را در جریان قرار می دهد.

سنسور گاز در صنایع مختلف دیگر نیز کارایی‌های زیادی دارد و علاوه بر نجات جان بشر از لحاظ اقتصادی نیز، میلیاردها تومان سرمایه را از خطر نابودی نجات می‌دهد. گازهایی همانند: استلن، آمونیاک، هیدروژن، گاز مایع یا ال پی جی که استفاده از آنها در مراکز صنعتی رایج است.

-  استفاده از سنسور گازی در پارکینگ‌ها و تونل‌های زیرزمینی

مونوکسید کربن و دی اکسید نیتروژن دود سمی است که از اتومبیل‌ها خارج می شود و در صورت زیاد بودن در محیط می‌تواند منجر به آتش‌سوزی شود. چنانچه فن‌های این‌گونه فضاها به مشکل بر بخورد و به درستی کار تهویه را انجام ندهد نیاز به سنسور نشت گاز است تا به وسیله ی آن بتوان میزان غلظت غیر نرمال در این مکان‌ها را تشخیص داد. 

-  استفاده از سنسور گازی در آشپزخانه‌های صنعتی

خیلی وقت ها کارخانه‌ها در مناطقی دور از شهر ساخته می شود که گازکشی شهری در آنجا وجود ندارد، همین امر باعث می شود که از کپسول‌های گاز برای پخت‌وپز استفاده ‌شود.  از آنجایی که محتویات این کپسول‌ها از بوتان و پروپان است، برای ایمین و حفظ جان افراد بهتر است از دتکتور گاز استفاده شود. سنسور نشت گاز در این محیط‌ها، در نزدیکی هودها نصب می‌شود تا در سریع‌ترین زمان ممکن نشت گاز را تشخیص دهد.

-  استفاده از سنسور گازی در صنایع شیمیایی و آزمایشگاه‌ها

انبارهایی در آزمایشگاه‌ها وجود دارد که برای نگهداری مواد خام ساخته شده است. بعضی از این مواد، گازهای سمی و قابل اشتعال است، این مکان ها بسیار خطر ناک بوده و احتمال هر لحظه آتش سوزی در اثر عوامل مختلف وجود دارد، پس بهتر است از دتکتور گاز در این محیط‌ها استفاده شود تا بتوان به صورت تمام‌وقت از غلظت گاز موجود در فضا اطمینان داشت. 

-  استفاده از سنسور گازی در استخرها

برای ضدعفونی کردن استخرها از گاز اُزون به همراه کلر و بروم، استفاده می شود و این امری طبیعی است. چنانچه بر اثر یک اشتباه غلظت این گاز در محیط استخر بیشتر از حد معمولی شود، مسمومیت ایجاد می‌کند. پس استفاده از یک دتکتور گاز یا سنسور نشت گاز در این محیط‌ها ضروری است.  

*  سایر کاربرد سنسور گاز

-  استفاده در صنایع برای نظارت بر غلظت گازهای سمی.
- استفاده در خانوارها برای تشخیص حوادث اضطراری.
- استفاده در مکان های سکوهای نفتی برای کنترل غلظت گازهایی که آزاد می شود.
- استفاده در هتل ها، برای جلوگیری از سیگار کشیدن در مشتریان.
- در بررسی کیفیت هوا در دفاتر مورد استفاده قرار می گیرد.
- در تهویه مطبوع برای کنترل سطح CO2 کاربرد دارد.
- در شناسایی آتش  مورد استفاده قرار می گیرد.
- برای بررسی غلظت گازها در معادن استفاده می شود.