یک سنسور گاز المانی است که حضور گاز و غلظتش را در جو اطراف حس میکند
بویایی انسان
داخل بینی یک انسان معمولی، حدود 400 نوع حسگر بو وجود دارد که ما را قادر می‌سازد در حدود یک تریلیون بوی مختلف را تشخیص دهیم. اما بیشتر ما نمی‌توانیم شکل و غلظت گاز موجود در محیط اطرافمان را بیان کنیم. انواع مختلفی از سنسور وجود دارند که پارامترهای مختلفی را محاسبه می‌کنند و سنسور گاز در کاربردهایی مفید واقع می‌شود که تشخیص تغییرات در غلظت گازهای مضر، ضروری است تا در نتیجه بتوانیم دستگاه‌ها را سالم نگه داشته و از خطرات و تهدیدات ناخواسته جلوگیری کنیم. انواع سنسورهای گاز برای تشخیص گازهایی چون اکسیژن، کربن دی‌اکسید، نیتروژن، متان و غیره وجود دارد. از آنها همچنین می‌توان در ابزارهایی استفاده کرد که در کارخانه و اداره‌ها برای تشخیص نشتی گاز سمی، نظارت بر کیفیت هوا و غیره مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
در ادامه در مورد سنسورهای گاز، نحوه ساختشان، انواع، نحوه کارکرد و چگونگی استفاده از آنها برای محاسبه نوع و غلظت گاز مدنظر در جو اطرافمان، اطلاعاتی درمی‌یابیم. انواع مختلفی از سنسورهای گاز وجود دارند، اما سنسورهای گاز نوع MQ پرکاربردترین و معروف‌ترین نوع سنسور گاز هستند.
تعریف سنسورهای گاز
یک سنسور گاز المانی است که حضور گاز و غلظتش را در جو اطراف حس میکند. سنسور با تنظیم مقاومت ماده موجود در داخلش، یک اختلاف پتانسیل مربوط به غلظت گاز حاضر ایجاد میکند و می‌توان آن را خروجی ولتاژی سنسور دانست. بر اساس مقدار این ولتاژ، می‌توان نوع و غلظت گاز را تشخیص داد.
نوع گازی که می‌تواند توسط سنسور تشخیص داده شود به ماده حسگر موجود در داخل سنسور بستگی دارد. همانطور که در شکل رو به رو نشان داده شده است، این سنسورها معمولا به صورت ماژول همراه با مقایسه‌کننده‌ها موجود هستند.
ممکن است غلظت خاصی از گازها برای این مقایسه‌کننده‌ها به عنوان ولتاژ ترشولد (تحریک) در نظر گرفته شود. زمانی که غلظت گاز به این مقدار ترشولد برسد، پین به صورت خودکار بالا می‌رود. این امکان نیز وجود دارد که برای اندازه‌گیری غلظت گاز، از پین آنالوگ استفاده شود.
انواع سنسور گاز
سنسورهای گاز بر اساس نوع المان حسگری که با آن طراحی شده‌اند، در گروه‌های مختلف طبقه‌بندی می‌شوند. در ادامه، طبقه‌بندی انواع مختلف سنسورهای گاز، بر اساس جنبه‌های رایج حسگر در کاربردهای مختلف قرار داده شده‌است:
- سنسور گاز بر اساس اکسید فلز
- سنسور گاز نوری
- سنسور گاز الکتروشیمی
- سنسور گاز خازنی
- سنسور گاز کالری‌سنج
- سنسور گاز آکوستیک (صدا)
طرز ساخت سنسور گاز
سنسور گاز بر اساس اکسید فلز، رایج‌ترین نوع سنسور گاز مورد استفاده نسبت به انواع دیگر سنسور گاز می باشد. برای تمامی سسنورهای گاز، یک بخش حسگر شامل تمام موارد زیر خواهد بود:
- لایه حسگر گاز
- سیم‌پیچ حرارتی
- مسیر الکترود
- سرامیک مسطح
- الکترود
شکل پایین اجزای سنسور گاز از نوع اکسید فلز را نشان می‌دهد.
هر کدام از اجزای سنسور به منظور خاصی وجود دارند که در ادامه به توضیح آنها می‌پردازیم:
لایه حسگر گاز:
مهمترین قسمت سنسور می‌باشد که می‌تواند برای تشخیص هر تغییر در غلظت گاز استفاده شود و در نهایت منجر به تغییر مقاومت الکتریکی خواهد شد. لایه حسگر گاز، یک مقاومت شیمیایی است که بر اساس غلظت واقعی گاز موجود در اطراف، مقدار مقاومت را تنظیم میکند. عامل حسگر در اینجا دی‌اکسید قلع است که معمولا الکترون‌های اضافی دارد (یک المان اهداکننده الکترون است). بنابراین، زمانی که گازهای سمی تشخیص داده شود، مقاومت این المان و جریان عبوری از آن تغییر میکند که نشانگر تغییر در غلظت گاز است.
سیم پیچ حرارتی:
هدف از سیم‌پیچ حرارتی، بالا بردن دمای ماده حسگر برای افزایش حساسیت و راندمان آن است. این سیم‌پیچ از جنس نیکل-کروم است که نقطه ذوب بالایی دارد و به همین دلیل می‌تواند به مدت طولانی بدون ذوب شدن، داغ باقی بماند.
مسیر الکترود:
از آنجایی که به هنگام تشخیص گاز، یک جریان بسیار کوچک توسط المان حسگر تولید می‌شود، نگهداری و انتقال دقیق این جریان‌های کوچک بسیار حیاتی است. پس، از سیم‌های پلاتینی بهره می‌گیریم که به ما برای انتقال دقیق الکترون‌ها کمک می‌کنند.
الکترود:
پیوندی است که در آنجا خروجی لایه حسگر و مسیر الکترود به یکدیگر متصل شده‌اند. پس، از این طریق، جریان خروجی به هر پایه دلخواه می‌تواند انتقال پیدا کند. در اینجا از طلا که یک ماده هدایت‌کننده خوب است، استفاده شده‌است.
سرامیک مسطح:
سرامیک مسطح از جنس اکسید آلومینیوم و مابین سیم‌پیچ حرارتی و لایه حسگر گاز قرار دارد. چون نقطه ذوب بالایی دارد، دمای لایه حسگر را در دمای خاص نگه می‌دارد تا این ماده حساسیت بالای خود را حفظ کرده و جریان خروجی موثری تولید کند.
توری محافظتی المان حسگر:
یک توری فلزی برای پوشش المان حسگر و کل مجموعه استفاده شده‌است تا از ورود ذرات غبار به داخل مجموعه و همچنین نفوذ ذرات سایش‌گر به لایه حسگر گاز جلوگیری کند.
سنسور گاز چگونه کار میکند؟
توانایی سنسور گاز برای تشخیص گازها به مقاومت شیمیایی که جریان را از خود عبور می‌دهد بستگی دارد. دی‌اکسید قلع، که یک نیمه‌هادی نوع n است و الکترون‌های آزاد فراوان دارد، پرکاربردترین مقاومت شیمیایی است ( همچنین به آن نیمه‌هادی اهداکننده می‌گویند). معمولا اکسیژن بیشتری نسبت به گازهای اشتعال‌زا در جو اطراف وجود دارد. ذرات اکسیژن، الکترون‌های آزاد موجود در دی‌اکسید قلع را جذب می‌کنند و آنها را به سطح دی‌اکسید قلع نزدیک می‌کنند.
هنگامی که هیچ الکترون آزادی موجود نباشد، جریان خروجی صفر خواهد شد. تصویر متحرک (GIF) زیر مولکول‌های اکسیژن (رنگ آبی) موجود در دی‌اکسید قلع (رنگ سیاه) را نشان می‌دهد که الکترون‌ها را جذب می‌کنند و به دی‌اکسید قلع اجازه داشتن الکترون آزاد و تولید جریان را نمی‌دهند.
اصول کارکرد سنسور گاز
این گاز کاهنده (رنگ نارنجی) هنگامی که حسگر در فضای گازهای سمی یا اشتعال‌زا قرار می گیرد، با ذرات اکسیژن جذب شده برهم‌کنش میکند و پیوند شیمیایی بین اکسیژن و الکترون‌های آزاد را می‌شکند و در نتیجه الکترون‌های آزاد رها می‌شوند. با بازگشت الکترون‌های آزاد به محل اصلی خود، اکنون جریان می‌تواند جاری شود؛ اگر الکترون‌های آزاد بیشتری برای گاز بسیار سمی در دسترس باشد، مقدار جریان متناسب با تعداد الکترون‌های آزاد موجود در SnO2 خواهد بود.
چگونه می‌توان از یک سنسور گاز بهره برد؟
در یک سنسور گاز ساده، 6 پایه وجود دارد که 4 پایه (A، A، B، B) نقش ورودی و خروجی را دارند و دو پایه باقیمانده (H، H) برای گرم کردن سیم‌پیچ به کار می‌روند. 2 پایه از 4 پایه در دو طرف سنسور را می‌توان ورودی یا خروجی در نظر گرفت و یا برعکس. (همانطور که در شکل مدار زیر مشخص است، پایه‌ها قابلیت تعویض دارند).
این سنسورها معمولا به صورت ماژول موجود هستند (در سمت چپ دیده می‌شود) که حاوی یک سنسور گاز و یک آی‌سی مقایسه‌کننده است. حال اجازه دهید تعاریف پین‌های ماژول سنسور گاز که معمولا با برد Arduino استفاده می‌کنیم را مشخص کنیم. ماژول سنسور گاز دارای 4 پایه است.
|
|
|
|---|---|
|
VCC
|
منبع تغذیه
|
|
GND
|
زمین منبع تغذیه
|
|
خروجی دیجیتال
|
خروجی این پین به این صورت است که یا مقدار "1" دیجیتال (حالت روشن) یا مقدار "صفر" دیجیتال (حالت خاموش) را دارد و نشان‌دهنده این است که آیا گاز سمی و اشتعال‌زا در کنار سنسور گاز وجود دارد یا نه.
|
|
خروجی آنالوگ
|
این پین یک خروچی ولتاژ پیوسته ایجاد میکند که با توجه به غلظت گاز اضافه شده به سنسور گاز تغییر میکند.
|
همانطور که قبلا گفتیم، خروجی سنسور گاز به تنهایی مقدار بسیار کوچکی است (در حد میلی‌ولت)، پس باید از یک مدار خارجی برای تولید خروجی “صفر” یا “1” دیجیتال استفاده کنیم. یک مقایسه‌کننده (LM393)، پتانسیومترهای قابل‌تنظیم، تعدادی مقاومت و خازن به این منظور استفاده شده‌اند.
هدف از حضور LM393، دریافت خروجی از سنسور، مقایسه با یک ولتاژ مرجع و تولید خروجی “صفر” یا “1” دیجیتال است. در عین حال، از پتانسیومتر به این منظور استفاده می‌شود که مقدار ترشولد گاز لازم در بالا را تنظیم میکند که در آن مقدار آستانه، پین خروجی دیجیتال، مقدار “1” دیجیتال را تولید کند.
یک شکل مداری از سنسور گاز داخل ماژول سنسور گاز در شکل زیر نشان داده شده‌است.
A و B پایه‌های ورودی و خروجی هستند (می‌توان جای آنها را عوض کرد یعنی اینکه هر کدام از جفت‌پایه‌ها می‌تواند به عنوان ورودی یا خروجی در نظر گرفته شود) و H پایه سیم‌پیچ حرارتی است. هدف از حضور مقاومت متغیر، تغییر ولتاژ خروجی و بالا نگه داشتن حساسیت می‌باشد.
اگر سیم‌پیچ حرارتی هیچ ورودی ولتاژی نداشته باشد، جریان خروجی مقدار بسیار ناچیزی خواهد داشت (که قابل صرف نظر کردن یا تقریبا برابر صفر است). زمانی که ولتاز مناسبی به پایه ورودی و پایه سیم‌پیچ حرارتی اعمال شود، لایه حسگر عمل خواهد کرد و آماده تشخیص هر گونه گاز اشتعال‌زا در اطراف خود خواهد بود. فرض کنیم که هیچ گاز سمی در اطراف سنسور وجود ندارد و مقاومت لایه تغییر نخواهد کرد و در نتیجه جریان و ولتاژ خروجی بدون تغییر و ناچیز خواهد بود (تقریبا صفر).
حال فرض کنیم که گاز سمی در اطراف قرار دارد. چون سیم‌پیچ حرارتی از قبل گرم شده‌است، هر گونه گاز اشتعال‌زا قابل تشخیص خواهد بود. مقاومت ماده به هنگام برهم‌کنش لایه حسگر با گازها تغییر خواهد کرد و در نتیجه جریان عبوری از مدار تغییر میکند. این تغییرات را می‌توان در مقاومت بار RL مشاهده کرد.
مقدار مقاومت بار RL می‌تواند بین 10 تا 47 کیلو باشد. البته با کالیبره کردن مقاومت با غلظت گاز مشخص، می‌توان مقدار دقیق مقاومت را انتخاب کرد. اگر از مقاومت بار کم استفاده کنیم، حساسیت مدار کاهش خواهد‌یافت و اگر از مقاومت بار زیاد استفاده شود، مدار دارای حساسیت بالا خواهد بود.
کاربرد سنسور گاز
- برای ردیابی غلظت گازهای سمی موجود در صنعت استفاده می‌شوند.
- در خانه‌ها برای تشخیص فعالیت‌های اورژانسی استفاده می‌شود.
- غلظت گازهای خارج‌شده در دکل‌های نفتی مشخص می‌شود.
- در هتل‌ها برای هشدار به مشتری‌ها در هنگام سیگار کشیدن استفاده می شود.
- در محل کار برای مشخص کردن کیفیت هوا استفاده می‌شود.
- برای تشخیص غلظت دی‌اکسید کربن در سیستم‌های تهویه استفاده می‌شود.
- برای تشخیص آتش استفاده می‌شود.
- برای تنظیم غلظت گازهای موجود در معادن استفاده می‌شود.
- تحلیل‌گر تنفس
سوالات پرتکرار سنسورهای گاز
1. سنسور گاز چیست؟
همانطور که از نامش پیداست، حضور گاز را حس میکند.
ابزاری است که از آن برای تشخیص تغییرات در وضعیت مواد گازی استفاده می‌شود. تعداد بسیار زیادی سنسور گاز وجود دارد که نوع ماده‌ای که حس می‌کنند متفاوت است که به نامیدن برخی از آنها می‌پردازیم:
- سنسور دی‌اکسید کربن: برای تشخیص آلودگی به وجود آمده از وسایل نقلیه تولید‌کننده CO2 استفاده می‌شود.
- سنسور الکل: الکل گاز نیست اما سنسور بوی آن را حس میکند. پلیس ترافیک از دستگاه خاص بر پایه همین سنسور استفاده میکند.
- سنسور LPG: برای جلوگیری از خرابی‌های به وجود آمده توسط نشتی کپسول گاز استفاده می‌شود.
2.گونه‌های مختلف سنسور گاز چه هستند؟
رایج‌ترین سنسور گاز موجود در بازار سنسور سری MQ-x است (MQ2، MQ3، MQ6 و غیره). ماژول این سری از سنسورها قادر به تولید خروجی دیجیتال است و در عین حال می‌توان با ایجاد تغییراتی، خروجی آنالوگ نیز از آن دریافت کرد. سنسور MQ2 می‌تواند گازهایی همچون پروپان، بوتان، گاز فشار پایین، دود و الکل را شناسایی کند. گونه‌ای از سنسورهای گازی یعنی اینکه تمام سنسورهای این گروه به واسطه یک دستگاه کنترل می‌شوند و در مکان‌های مختلف برای نظارت بر جنبه‌های مختلف جاسازی شده‌اند.
3. یک سسنور گاز چگونه کار میکند؟
آشکارسازهای گاز از یک سنسور برای اندازه‌گیری غلظت ذرات گازی موجود در اتمسفر استفاده می‌کنند. سنسور حکم نقطه مرجع و مقیاس را دارد و زمانی که یک واکنش شیمیایی از سوی یک گاز مشخص اتفاق بیفتد، یک جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید میکند.
4. سنسورهای MQ5 چگونه کار می‌کنند؟
در هر سنسور، یک تغییر فیزیکی منجر به تغییر شیمیایی می‌شود که این تغییر موجب تولید جریان الکتریکی شده و در نتیجه یک مدار شروع به کار میکند.
مشابه آنچه گفته شد، سنسور MQ5 که از دی‌اکسید قلع ساخته شده‌است در حالت عادی جریان هدایتی کمی دارد. این سنسور در محیط‌های حاوی گاز فشار کم یا گاز اشتغال‌زا همچون پروپان، بوتان و غیره، مقدار جریان بیشتری تولید میکند.
یک مدار مشابه با مدار پل وتستون در داخل سنسور موجود خواهد بود که یکی ازمقاومت‌های آن از جنس دی‌اکسید قلع است. فرض کنید شرایط تعادل در پل حاکم باشد. زمانی که هدایت الکتریکی تغییر کند، پل از حالت تعادل خارج می‌شود. بنابراین، جریان عبوری از میان گالوانومتر میانی نشان‌دهنده انحراف است.
5. تفاوت میان یک آشکارساز گاز و یک تحلیل‌گر گاز چیست؟
یک آشکارساز گاز ساختار ساده‌ای دارد و شامل مدار سنسور و مدار مبدل است. اما، یک تحلیل‌گر گاز نه تنها یک سنسور داخلی دارد بلکه از یک سیستم باد فشرده برای اعمال نمونه گاز به داخل دستگاه، رهاسازی یا بازگردانی آن نیز بهره می برد.
6. کاربرد سنسور گاز چیست؟
سنسورهای گاز (همچنین به عنوان آشکارساز گاز شناخته می‌شوند) ابزار الکترونیکی هستند که انواع مختلف گازها را تشخیص داده و شناسایی می‌کنند. معمولا برای تشخیص گازهای سمی یا انفجاری و اندازه‌گیری غلظت گازها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
7. عمر مفید آشکارساز گاز چقدر است؟
معمولا عمر مفید سنسور الکتروشیمیایی بین 2 تا 3 سال است. اما، یک سنسور گاز ویژه ممکن است بین 12 تا 18 ماه عمر کند. به هر کس که از سنسور گاز استفاده میکند پیشنهاد می‌کنم که سنسور را هر 6 ماه یکبار سرویس کند زیرا این باعث می‌شود مطمین شود که سسنور به خوبی کار خواهد کرد.
8. حساسیت سنسور گاز چیست؟
معمولا حساسیت (s) را برای گازهای کاهنده و اکساینده به ترتیب به صورت و تعریف می‌کنند. در این فرمولها، Ra همان مقاومت سنسورگاز در حضور گاز مرجع و Rg همان مقاومت سنسور گاز در حضور گاز مورد نظر است.
9. مهمترین سنسور در هنگام نظارت گازها چیست؟
مهمترین جنبه فنی آشکارسازهای گاز، قلب وسیله یا همان سنسور است. تمامی ابزار ریز و درشتی که در داخل دستگاه وجود دارند نمی‌توانند این حقیقت را انکار کنند که این سسنور است که باید گاز ورودی را پردازش و تبخیر کرده و یک پاسخ دقیق در اختیار ما قرار دهد.
10. یک سنسور گاز از چه ساخته شده‌است؟
به سنسورهای با دقت و حساسیت بالا برای آشکارسازی گازها و جلوگیری از نشتی‌های گازی خطرناک در صنایع نیاز داریم. مواد حسگر گازی معمول شامل پلیمرهای حساس به تبخیر، اکسید فلز نیمه‌هادی و دیگر مواد متخلخل همچون سیلیکون هستند.
