در مناطق زیادی بخارات و گازهای سمی و قابل احتراق وجود دارد که می تواند باعث بروز خطرات جدی شود. هدف از ساخت و توسعه انواع گازسنج، تشخیص گازهای خطرناک و هشدار به موقع برای محافظت بهتر از کارکنان است.
اندازه گیری بخارات و گازهای قابل اشتعال و سمی را می توان به 3 روش مختلف یعنی دما، فشار و حجم انجام داد. تمامی گازها در حالت مایع، فشرده یا عادی به صورت بالقوه خطرناک و عامل تعیین کننده در آنها میزان غلظتشان است.
معیار اولیه انتخاب گازسنج
با دانستن اینکه هر دستگاه گازسنج و هر اصل اندازه گیری، نقاط قوت و ضعف های خود را دارد، انتخاب دستگاه اندازه گیری مناسب برای تشخیص گاز ضروری است. یکی از اساسی ترین نکات در انتخاب دستگاه گازسنج مناسب، بخارات و گازهای موجود در محیط کار است.
انتخاب یک دستگاه گازسنج مناسب به عوامل زیر بستگی دارد:
- کمبود یا غلظت بیش از حد اکسیژن
- میزان سمی بودن گاز
- خطر انفجار
- حساسیت متقاطع
انواع گازسنج بر اساس نوع سنسور
به طور کلی انواع گازسنج ها بر اساس کاربری به دو نوع قابل حمل و ثابت تقسیم می شود. اما انواع گازسنج را می توان بر اساس روش اندازه گیری گاز و نوعی سنسوری که در آنها استفاده کرد به چند نوع دسته بندی نمود:
- سنسور (حسگر) الکتروشیمیایی یا EC (ElectroChemical)، غلظت گاز هدف را با اکسید کردن یا کاهش گاز مورد نظر اندازه گیری کرده و الکترود خروجی جریان الکتریکی حاصل را اندازه گیری می کند از این سنسور برای تشخیص اکسیژن و گازهای سمی استفاده می شود.
- سنسور (حسگر) کاتالیزوری یا Cat (Catalytic)، گاز قابل احتراق را اکسید کرده و تغییر دما را به سیگنال الکترونیکی تبدیل می کند. این نوع سنسور برای تشخیص گازهای قابل احتراق مانند پروپان، متان و هیدروژن استفاده می شود.
- سنسور (حسگر) مادون قرمز یا IR (InfraRed)، گازها را با تعیین میزان جذب منبع نور مادون قرمز ساطع شده از طریق نمونه هوا اندازه گیری می کند. این سنسور برای تشخیص دی اکسید کربن و طیف وسیعی از گازهای قابل احتراق استفاده می شود.
- آشکارساز گاز یونیزاسیون یا PID (Photo-Ionization Detector)، مولکول ها را به یون های باردار مثبت و منفی می شکند و بار الکتریکی این یون ها را با استفاده از گازسنج (آشکارساز گاز) اندازه گیری کرده تا مقدار بخار یا گاز موجود را نمایش دهد. این سنسور برای تشخیص بخارهای آلی فرار (VOCs) و گاز های سمی استفاده می شود.
سنسور الکتروشیمیایی
اصل اساسی در سنسورهای الکتروشیمیایی حداقل شامل دو الکترود است که به دو صورت یعنی از طریق یک الکترولیت مایع یا از طریق یک مدار الکتریکی خارجی با یکدیگر در تعاملند.
در ابتدا باید گاز از غشاء عبور کرده تا وارد محفظه سنسور شود. این غشاء از یک ماده آبگریز ساخته می شود که برای جلوگیری از ورود مایع به داخل سنسور و جلوگیری از خروج الکترولیت مایع از سنسور طراحی شده است. گاز وارد محفظه سنسور می شود و یک واکنش شیمیایی در منطقه سه فازی که الکترودها، گاز و الکترولیت مایع به یکدیگر می رسد، انجام می شود. این واکنش شیمیایی یک جریان الکتریکی تولید می کند که توسط مدار الکتریکی خارجی اندازه گیری می شود.
با این وجود، سنسور دو الکترودی معایب زیادی دارد. مثلا، اگر غلظت های بالای گاز رخ دهد، این اتفاق منجر به جریان های بالاتر در سنسور خواهد شد. این جریان بالا باعث می شود ولتاژ داخل سنسور کاهش یابد و نتیجه اندازه گیری را غیر قابل استفاده می کند. یا در بدترین حالت می تواند باعث توقف واکنش شیمیایی داخل سنسور در طول فرایند اندازه گیری شود.
به همین علت در برخی سنسور ها الکترود سومی نیز وجود دارد که الکترود مرجع شناخته شده و جریانی از آن عبور نمی کند. این الکترود به طور مداوم ولتاژ سنسور را در الکترود اندازه گیری می کند که می تواند با استفاده از مدار کنترل سوم اصلاح گردد. این موضوع باعث بهبود قابل توجه کیفیت اندازه گیری و افزایش طول عمر سنسور خواهد شد.
سنسور کاتالیزوری
سنسور کاتالیزوری، از رایج ترین نوع سنسورها برای اندازه گیری گازهای احتراق در انواع گازسنج است. گازی که باید اندازه گیری شود از طریق شعله گیر وارد محفظه سنسور می شود. کاتالیزور گرم شده عنصر که دمایی در حدود 500 درجه سانتی گراد دارد، واکنش ورودی به سنسور و اکسیژن هوا را آسان می کند.
این واکنش باعث می شود که عنصر تا دمای بالاتر گرم شود. افزایش حرارت باعث تغییر مقاومت الکتریکی در عنصر خواهد شد. این تغییرات مقاومت همان چیزی است که برای اندازه گیری مورد استفاده قرار می گیرد.
همانند سنسور الکتروشیمیایی، یکی از عناصر سنسور، در این فرایند کاتالیزور گرم شده، تنها برای جبران تغییرات در شرایط محیطی استفاده می شود. هرچه سطح گاز ورودی به محفظه بیشتر باشد، دمای عنصر اندازه گیری بیشتر می شود که به معنای خوانش بالاتر روی نمایشگر است.
برای عملکرد مناسب، سنسور کاتالیزوری به اکسیژن نیاز خواهد داشت. در صورتی که سطح اکسیژن به میزان بالایی کاهش یابد، گاز به طور موثر فرایند واکنش را طی نمی کند و این خوانش های کمتر از مقدار واقعی را روی نمایشگر نشان می دهد.
سنسور مادون قرمز
سنسور مادون قرمز، جایگزینی برای اندازه گیری گازهای قابل احتراق در صورت عدم وجود اکسیژن یا برای اندازه گیری غلظت بالای دی اکسید کربن است.
این سنسور بر اساس اصل جذب نور کار می کند. هر گازی نور را به روش خاصی جذب می کند، به همین دلیل است که برخی از گازها به رنگ های مختلفی ظاهر می شود. بعضی از گازهای قابل احتراق مانند متان و پروپان، هیدروکربن نامیده می شود و طول موج های متفاوتی از نور را در مقایسه با اعضای اصلی هوا یعنی نیتروژن، آرگون و اکسیژن، جذب می کند. این موضوع می تواند برای اندازه گیری مقدار هیدروکربن موجود مورد استفاده قرار گیرد.
گازی که باید اندازه گیری شود، از طریق یک شعله گیر وارد محفظه حسگر می شود. شعله گیر از خروج انرژی از داخل سنسور به محیط جلوگیری می کند.
فرستنده مادون قرمز تابش پهنای باند تولید کرده که از طریق پنجره به محفظه سنسور می گذرد. جایی که از دیوارهای آینه ای منعکس شده و از پنجره دیگری عبور می کند و روی آشکارساز دوگانه می افتد. این آشکارساز دوگانه از یک اندازه گیری و یک آشکارساز مرجع تشکیل شده است.
آشکارساز مرجع، در معرض گاز نیست و برای جبران تغییرات محیطی استفاده می شود. در صورتی که مخلوط گاز حاوی درصدی هیدروکربن باشد، مقداری از تابش جذب می شود و آشکارساز اندازه گیری سیگنال الکتریکی کاهش یافته را تولید می کند. این سیگنال به این معنی است که سنسور می داند چه زمانی و به چه میزانی گاز وجود دارد.
سنسور گازسنج یونیزاسیون
گازسنج فوتویونیزاسیون یا PID، حاوی یک سنسور تخصصی است که به عنوان یک سنسور با برد وسیع شناخته می شود. به این دلیل که برای تمامی گازها می توان از آن استفاده کرد. یک PID انواع گاز سمی و طیف وسیعی از ترکیبات آلی فرار را در غلظت های بسیار کم تا غلظت های بسیار بالا اندازه گیری می کند.
این سنسور از یک محفظه، دو الکترو و یک لامپ فرابنفش ساخته شده است. درجه بندی لامپ فرابنفش تعیین می کند که کدام گازها توسط سنسور اندازه گیری می شود. گازی که باید اندازه گیری شود از طریق غشاء سنسور وارد محفظه حسگر PID می شود. فوتون های یک لامپ فرابنفش یعنی UV، در داخل سنسور، مولکول های گاز را به یون های دارای بار مثبت و منفی تجزیه می کند.
این یون های باردار توسط الکترود جمع کننده در سنسور شمارش شده و جریان خروجی تولید می کند که توسط دستگاه گازسنج اندازه گیری می شود.
اشعه ماوراء بنفش، انرژی لازم برای یونیزه کردن گازها را تولید می کند. این انرژی بر حسب الکترون ولت یا eV، اندازه گیری شده و گازهای دارای پتانسیل یونیزاسیون مربوطه خواهد بود. این مقدار انرژی مورد نیاز برای تجزیه آن به یون های دارای بار مثبت و منفی است. سپس، این یون ها را می توان به عنوان یک جریان الکتریکی اندازه گیری نمود. شدت این جریان، با غلظت مولکول های یونیزه شده در داخل محفظه متناسب است و غلظت گاز را در هوا تعیین می کند.
از این سنسور برای غلظت گازهای قابل احتراق که در سطوح بسیار پایین نیز سمی است، استفاده می شود. از این رو این گازسنج ها میان انواع گازسنج دیگر از اهمیت ویژه ای برخوردار است. به این دلیل که خطر سمیت بسیار خطرناک تر از خطر انفجار است.
