سنسور گاز مادون قرمز
سنسور گاز مادون قرمز
منبع: مجله حفاظت و ساختمان
چکیده: سنسور گاز مادون قرمز با تولید امواج مادون قرمز وتشعشع آن در محدوده ای مشخص می تواند گاز معین شده را تشخیص دهد. امواج مادون قرمز در کانالی به نام سلول گازی در حال تابش هستند. هنگامی که گاز مورد نظر وارد این سلول گازی شد تحت تابش امواج مادون قرمز قرار می گیرد. این امواج با برخورد با گاز مورد نظر با طول موج معین، جلوی تابش امواج قرمز را می گیرد ومانع رسیدن امواج به قسمت آشکار ساز سنسور می شود. هر چه غلظت گاز زیاد باشد امواج مادون قرمز رسیده به آشکار ساز کمتر شده و باعث شناسایی گاز می شود.
شرح مقاله
اهمیت سنسورها به ویژه سنسورهای گاز در صنعت وفن برهمگان روشن است. امروزه سنسورها نقش بسیار مهمی رادر بسیاری از جنبه های زندگی روزانه ما بر عهده دارند سنسورهای گاز نیز از این قاعده مستثناء نبوده است. با ظهور و تکامل تکنولوژی میکرو الکترونیک ، تکنولوژی در مورد سنسورها نیز صادق بوده است. تکنولوژیدر مورد سنسورهای گاز بیش از۳۰ سال قبل با پیشرفت قطعه ای از کاتا لیزور سنسور گاز که پلی استر گفته می شود،پیشرفت کرده است.
عملکرد سنسور گاز عامل مهمی در ایجاد محیط کاری ایمن در صنایع شده است که می تواند گازهای اشتعال زا یا بخارات برخاسته شده ازمواد را تشخیص دهد. عکس العمل های شیمیایی که توسط سنسور تحلیل شود،یک سیگنال الکتریکی ایجاد می کند که با غلظت گاز متناسب است.درسنسور گاز مادون قرمز،آنالیز تراکم گاز توسط امواج مادون قرمز صورت می گیرد. بدین صورت که با افزایش غلظت ، میزان تابش نور بر آشکار ساز کم شده و باعث ایجاد یک سیگنال الکتریکی برای طبقات بعدی گردد . اکثر تکنولوژی های موجود در سنسورها که در چندین سال اخیر پیشرفت داشته بر اساس نوع واکنش تقسیم بندی می شوند که شامل تکنولوژیی مانند: الکترو شیمایی ،پلی استرهای کاتا لیزر، هادی ، نیمه هادی ها ، مادون قرمز و…. می باشد.
سنسورها با توجه به سا ختار داخلی شان در حالت کلی دارای خواص زیر هستند:
الف) قابلیت برگشت پذیری کامل در تغییرات شیمیایی پس از اتمام واکنش.
ب) از بین رفتن خاصیت شیمیایی پس از مدتی.
ج) عدم تمایل برای تجزیه
د) مخالف با عوامل خارجی دیگر.
سنسورهای الکترو شیمیایی:
موادی درگازها و مایعات می توانند به طور الکتروشیمیایی شناسایی شوند که واکنش های آنها در داخل سل الکتروشیمیایی یا اگر در آنها واکنش های نفوذی اتفاق افتاده در سل باشند. که یک سل الکترو شیمیایی شامل یک الکترولیت ، یک الکترود اندازه گیرنده ،یک الکترود همراه و یک الکترود شاهد می باشد.
سنسورهای پلی استرهای کاتالیزور:
برای مثال سنسورها ی کاتالیزور برای آشکار سازی هیدرو کربن هایی که توسط چندین بخار مواد آلی ترکیب یا به طور واضح تر سمی شده اند ، مورد استفاده واقع می شوند. یکی از مشکلاتی که این سنسورها دارند، این است که قبل از پخش شدن گاز نمی توانند هیچ عملی انجام دهند، بنابراین در وضعیت نامشخص باقی می مانند.
سنسورهای هادی:
در این سنسورها تاثیر متقابل گاز با جامد (اکسید فلزی نیمه هادی آلی ) موجب تغییر در مقاومت همچنین می تواند موجب تغییر در دمای مواد سنسور شود. این سنسورها دارای حساسیت بالا می باشند وزمان های پاسخ درحد دقیقه دارند . با وجود این، آنها نسبتا بالایی از حساسیت جنبی رانشان می دهند.
سنسورهای نیمه هادی:
دراین نوع سنسورها تغییرات در لایه دو گانه الکتریکی در یک مرز عایق/ فاز فلزی برای اندازه گیری استفاده می شود . این سنسورها به ویژه برای دمای اتاق مناسب هستند. فلز مورد استفاده شده معمولا در این سنسورها پالادیم است. زمینه اصلی کاربرد سنسورهای نیمه هادی، تشخیصH2 پالیشگاه ها ، برای آزمایش میزان الکل درتنفس و برای اندازه گیری H2S برای تشخیص ،CO به طور خانگی ، سیستم های اخطار برای تشخیص طوبت ، نسبی کاربرد دارد.
سنسورهای مادون قرمز :
تکنولوژی مادون قرمز به صورت واکنش ناپذیر درطبیعت وجود دارد. این تکنولوژی قبلا در دستگاه های سطح بالا به کار گرفته می شد و هیچ انتخابی برای آشکار سازی با حساسیت بالا در کاربردهای صحیح تشخیص گاز، در مقادیر بالا وجود نداشت . هرچند که اخیرا ساختار داخلی طراحی شده در داخل سنسورها امکان کاربری از این تکنولوژی با حساسیت بالا رامیسر ساخته است. سنسورهای مادون قرمز متشکل از حالات جامدی هستند که هیچ ترکیب شیمیایی با گاز مورد نظر را انجام نمی دهند. این سنسورها به عنوان کنترل ایمنی به کار برده می شوند. تحقیقات نظری درمورد طراحی آشکار ساز گاز مادون قرمز با محدوده فرکانسی مشخص در صفحه بعدی نشان داده شده است . طیف مادون قرمز از طیف امواجی است که شامل نورهای مرئی و امواج فرا بنفش می شود. طیف مادون قرمز انرژی گسیل شده در طول موج های بین ۷۵/. تا ۱۰۰۰ میکرومتر که به عنوان تابش زیر قرمز ( Infrared radition ) شناخته می شود. مادون قرمز نوعی تابش الکترو مغناطیسی است که بر اثر ارتعاش و چرخش اتم ها و مولکول های ماده در دماهای بیشتر از صفر مطلق( صفر درجه کلوین یا ۲۷۳- درجه سانتی گراد) تولید می شود . اگر دمای منبع تابش کننده بیش از ۱۰۰۰ کلوین باشد انرژی گسیل شده به صورت نور قرمز باطول موج حدود ۷۵/. میکرو متر قابل رویت است. عملکرد فرکانسی این نوسانات و حرکات چرخشی قوی تر از پیوند اتصالات بین اتم ها است . درطبیعت این فرکانس ها با فرکانس های قسمت میانی طیف مادون قرمز متناسب هستند . وقتی نوری از امواج اشعه مادون قرمز تابانیده می شود ، بیشتر مولکول های گاز جذب امواج مادون قرمز با فرکانس های در حال چرخشی می شوند. این توانایی گازهای در حال چرخش می شوند. این توانایی گازهای معین در برابر جذب امواج مادون قرمز، استفاده موفقعیت آمیزی در آشکار سازی گاز درصنایع پیشرفته دارد.
یک سنسور گاز مادون قرمز شامل یک منبع مادون قرمز ( ساطع کننده امواج شامل طول موج های جذب شده به وسیله گاز معین ) و یک آشکار ساز مادون قرمز که توسط یک سلول گازی جدا شده است ، اجزای اساسی دریک سنسور گاز مادون را تشکیل می دهد. درسنسور های غیر مخرب مادون قرمز ( NDIR ) یک منبع مادون قرمز و یک آشکارساز مادون قرمز به وسیله یک سلول گاز مشخص از هم جدا شده اند ویک فیلتر میان گذر نوری در مقابل صفحه آشکار ساز یامنبع قرار می گیرد. این فیلتر تمامی امواج را از خود عبور می دهد به جز امواجی باطول موج های راکه توسط گاز مورد نظر جذب می شوند ( فیلتر ی تشکیل شده از یک تکه شیشه یا ماده شفاف دیگری با عبور انتخابی که تنها محدوده ای از طول موج های خاص را در طیف مرئی فروسرخ و فرابنفش عبور می دهد) .
مشخصه خروجی از المان سنسور که ” جذب نامیده می شود،” شامل چند درصدی ناحیه خالی امواج مادون قرمز است که آشکار سازی با و بدون گاز مشخص شده درآن قسمت جذب صورت می گیرد .
مقدار جذب از نسبت سیگنال های مادون قرمز زیر گاز صفر ( گازی که نمی تواند جذب مادون قرمز شود مانند نیتروژن )IO، وگازی که علاقه مند به شناسایی آن هستیم ، IG محاسبه می شود.
درفرمول ۱ که درزیر نشان داده شده است، نسبت جذب در سنسور گاز مادون قرمز نشان داده شده است:
اجزای داخلی سنسور گاز مادون قرمز
درداخل سنسور دو منبع مادون قرمز وجود دارد که شکل ۲ با نام های لامپ ۱ و لامپ۲ مشخص شده است. یک آشکار ساز مادون قرمز و یک فیلتر نوری با پهنای باند باریک که تنها طول موج های از امواج مادون قرمز را از خود شده باشد( ۲/۴ میکرون برایC.2). لامپ ۱و لامپ ۲ درسلول گازی با فاصله معین به ترتیبL1,L2 برای آشکار سازی قرار گرفته اند. برای نمونه وقتی گاز کربن غلیظ وارد سلول شده از دو منبعی که پشت سرهم قرار دارند، جذب می شوند.
هنگامی که امواج از لامپ۲ درمسیر کوچکی که گاز در آن قرار گرفته طی می کند با کمترین جذب به لامپ ۱ می رسد. نسبت این سیگنال نشان دهنده این است که نوع کارکترهای جذب با طول موج(L1,L2) متناسب است.هرچند که سیگنال لامپ ۲ تحت تاثیر شرایط محیط است واز طرفی فرسودگی سیستم و عوامل غیر قابل پیش بینی شده در عملکرد سنسور تاثیر دارد. برای مثال درسنسور،کانالی تعبیه شده که گازهای وارد شده به آن راکه باعث تغییراتی در امواج مادون قرمز می شود را با اندازه گیری نوری محاسبه نماید.
نحوه ی عملکرد سنسور گاز مادون قرمز
۱٫ حالتت قرار گیری گاز: سنسور مادون قرمز با توجه به شکل طوری درمسیر گاز مورد نظر قرار می گیرد که درداخل امواج تشعشع مادون قرمز قرار داشته باشد . سپس درمقابل آشکار ساز مادون قرمز فیلتر طیفی برای محدود کردن میدان دید قرارداده می شود تابرای آشکار سازی گاز مشخص شده یک نور مادون قرمز با طول موج مخصوص ارسال نماید.
۲٫حالت تشعشع امواج : شکل ۵ نشان دهنده این است که تشعشع امواج مادون قرمز تولید شده در داخل پهنای باندی مشخص درحال نوسان و چرخش هستند.
۳٫ناحیه بسته شدن پل ارتباطی : هنگامی که گاز مشخص شده وارد سنسور می شود ، بعضی از آنها جذب مادون قرمز شده و مولکول های گاز باعث بسته شدن ارتباط بین آشکار ساز ومنبع می شود.
۴- ناحیه اعلام خطر: با کاهش میزان انتقال امواج به آشکار ساز مادون قرمز سنسور توسط مداری تراکم و غلظت گاز را اندازه گیری می نماید . با رسیدن به یک حد معین که از قبل تعیین شده است برای مثال به یک زنگ خطر برای شنیدن فرمان می دهد که خطر گاز وجود دارد.
نتیجه گیری:
سنسوری که دراین مقاله مورد بررسی قرار گرفت، قابلیت تشخیص گازهای مختلف رادراست و می تواند با پرتوهای مادون قرمز که از خود ساطع می کند ، گاز مورد نظر راتشخیص دهد. آشکار سازهای زیر قرمز( مادون قرمز) فوتونی اگر چه حساسیت بالا و ثابت زمانی سریعی دارند اما حساسیت آنها تنها درگسترده باریکی از طول موج های در منطقه مادون قرمز نزدیک است ونیز باید در دماهای به خصوصی کارکنند. آشکار سازهای مادون قرمز گرمایی با جذب انرژی دما و تغییر یک ویژگی الکتریکی نظیر مقاومت می شود.
