دستگاه گازسنجی محیطی

یکی از مهم‌ترین مشکلاتی که اتفاق آن می‌تواند صدمات ناگواری به همراه داشته باشد، نشت گاز است. درصورتی که گاز قابل اشتعال باشد، در اثر عواملی چون جرقه یا شعله می‌تواند باعث انفجار شود. یا، درصورتی که گاز سمّی باشد، نشت گاز می‌تواند باعث خفگی، مسمومیّت و یا حتی مرگ فرد شود. 

یکی از راه‌های جلوگیری از این مشکل، استفاده از گازسنج است. این وسیله قادر است حضور گازها در یک محیط را شناسایی کرده و غلظت آن‌ها را اندازه‌گیری کند. از گازسنج برای تشخیص گازهای سمّی، اشتعال‌پذیر و قابل احتراق استفاده می‌شود. این دستگاه هم‌چنین قادر است مقدار اکسیژن موجود در محیط را اندازه‌گیری کند و درصورت نبود اکسیژن به فرد اخطار دهد. از گازسنج به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شود و می‌توان آن را در مراکزی نظیر سکوهای نفتی به منظور نظارت بر فرآیندهای تولید، فناوری های جدید نظیر فوتوولتائیک و هم‌چنین در آتش نشانی یافت. قبل از پیدایش گازسنج، کارگران معادن زغال‌سنگ از قناری برای تشخیص وجود گازهایی نظیر متان، کربن‌دی‌اکسید و کربن مونواکسید استفاده می‌کردند. در حالت عادی و در صورت عدم وجود گاز، قناری با صدایی بلند شروع به آواز خواندن می‌کند. در صورت وجود گاز، آوازخوانی قناری متوقف شده و حتی می‌تواند با مرگ روبرو شود. این حالت به عنوان زنگ خطری برای کارگران بوده که می‌بایست هرچه زودتر معادن زغال‌سنگ را ترک کنند.

انواع دستگاه گازسنج براساس عملکرد

گازسنج‌ها براساس عملکرد به گروه‌های مختلفی نظیر الکتروشیمیایی، کاتالیزوری، یونیزاسیون نوری، نقطه مادون قرمز، تصویربرداری مادون قرمز، نیمه هادی، اولتراسونیک و هالوگرافیکی طبقه‌بندی می‌شوند که در ادامه به توضیح هریک از آن‌ها پرداخته می‌شود:

اساس کار گازسنج‌های الکتروشیمیایی به این گونه است که گازها از طریق یک غشاء متخلخل عبور داده می‌شوند تا به سطح الکترود برسند. در اینجا، پدیده کاهش یا اکسیداسیون گاز اتفاق می‌افتد و مقدار جریان تولیدی ناشی از این فرآیندها اندازه‌گیری می‌شود که برابر با غلظت گاز است.

گازسنج‌های الکتروشیمیایی به گونه‌ای طراحی می‌شوند که می‌توانند غلظت تنها یک گاز یا به طور همزمان غلظت چند گاز را اندازه‌گیری کنند. برای انجام این هدف، غشاء مورد نیاز برای اندازه‌گیری می‌بایست به گونه‌ای ساخته شود که تنها به یک گاز خاص نفوذپذیر باشد یا به چند گاز اجازه ورود به سطح الکترود را دهد. یکی از مشکلاتی که این نوع گازسنج با آن روبرو می‌باشد، قرارگیری در معرض عناصر خورنده یا آلاینده‌های شیمیایی است. از این رو، غشاء را می‌بایست سالانه یا هر دو سال یکبار تعویض کرد. از گازسنج‌های الکتروشیمیایی در مکان‌های مختلفی استفاده می‌شود که از جمله آن‌ها می‌توان به پالایشگاه، توربین‌های گازی، تأسیسات زیرزمینی ذخیره‌سازی گاز و کارخانجات مواد شیمیایی اشاره کرد. 

از گازسنج‌های کاتالیزوری به منظور اندازه‌گیری غلظت گازهای قابل اشتعال استفاده می‌شود. اگر غلظت این گازها در محدوده خاصی قرار گیرد می‌تواند منجر به انفجار شود. گازسنج‌های کاتالیزوری تشکیل شده از دو قطعه کروی شکل بوده که هریک حاوی سیم‌پیچ‌های پلاتین هستند و روی بازوهای مخالف مدار پل وتستون قرار دارند. این سیم‌پیچ‌ها به صورت الکتریکی تا چند صد درجه سانتی‌گراد گرم می‌شوند تا تغییر مقاومت الکتریکی رخ دهد. اختلاف ولتاژ حاصل بین این دو قطعه متناسب با غلظت تمام گازها و بخارات قابل احتراق است.

گازسنج‌های کاتالیزوری مقاوم و مقرون به صرفه هستند. برای تست، حداقل نیاز به چند درصد اکسیژن موجود در هوا دارند. در اثر قرارگیری در معرض ترکیباتی نظیر سیلیکون، اسیدهای معدنی، ترکیبات آلی شیمیایی و ترکیبات گوگرددار آلوده می‌شوند.

در گازسنج‌های یونیزاسیون نوری از یک لامپ ماورابنفش برای یونیزاسیون ترکیبات شیمیایی موجود در نمونه گازی استفاده می‌شود. اساس عملکرد آن‌ها به گونه‌ای است که اگر انرژی یونیزاسیون ترکیب شیمیایی از انرژی یونیزاسیون فوتون‌های لامپ کمتر باشد، الکترون آزاد می‌شود. الکترون‌های آزاد شده که معادل جریان هستند غلظت ترکیب شیمیایی را نشان می‌دهند.

از گازسنج یونیزاسیون نوری برای تشخیص و اندازه‌گیری طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی نظیر آروماتیک و آلکیل یدیدها، الیفین‌ها، ترکیبات گوگرددار، آمین‌ها، کتون‌ها، اترها، آلکیل برمیدها، استرهای سیلیکاتی، استرهای آلی، الکل‌ها، آلدهیدها، کتون‌ها، هیدروژن سولفید، آمونیاک، فسفین و اسیدهای آلی استفاده می‌شود. نکته‌ای که می‌بایست به آن اشاره کرد این است که این نوع گازسنج نمی‌تواند اجزای هوا و هم‌چنین اسیدهای معدنی را تشخیص دهد. از مهم‌ترین مزایای گازسنج یونیزاسیون نوری می‌توان به حساسیت بالا و راحتی استفاده از آن‌ها اشاره کرد. در مقابل، یکی از مشکلات اصلی که با آن روبرو هستند، عدم توانایی آن‌ها در اندازه‌گیری ترکیبات خاص است. به تازگی گازسنج‌های یونیزاسیون نوری به بازار معرفی شده‌اند که حاوی لوله‌های پیش فیلتر بوده و می‌توانند ترکیباتی مانند بنزن یا بوتادین را اندازه‌گیری کنند.

در گازسنج‌های نقطه مادون قرمز، یک پرتو از درون حجم مشخصی از یک گاز عبور داده می‌شود. در این حالت، طول موج‌های مشخصی از پرتو توسط اجزای گاز جذب می‌شود، که این موضوع وابسته به ماهیت گاز است. برای مثال، کربن مونواکسید طول موج‌هایی در حدود 2/4 تا 5/4 میکرومتر را جذب می‌کند. برای اندازه‌گیری غلظت گاز، تفاوت انرژی بین دو طول موج یعنی طول موج اصلی و طول موج ضعیف شده اندازه‌گیری می‌شود.

از گازسنج‌های نقطه مادون قرمز برای تشخیص و اندازه‌گیری هیدروکربن‌ها و هم‌چنین ترکیباتی که در ناحیه مادون قرمز فعال هستند نظیر بخارآب و کربن‌دی‌اکسید استفاده می‌شود. یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این نوع گازسنج این است که خاصیت سنجش از راه دور را دارد و می‌توان با استفاده از آن گازها را از راه دور تشخیص و اندازه‌گیری کرد و نیازی به قرارگیری درون نمونه گازی ندارد. گازسنج‌های نقطه مادون قرمز معمولاً در تأسیسات تصفیه فاضلاب، پالایشگاه‌ها، توربین‌های گاز، کارخانجات مواد شیمیایی و سایر تأسیساتی که گازهای قابل اشتعال در آن‌ها وجود دارد و احتمال انفجار می‌رود، کاربرد دارند.

گازسنج‌های تصویربرداری مادون قرمز شامل دو نوع سیستم‌ فعال و غیرفعال می‌باشند. در سیستم فعال، اساس کار گازسنج‌های تصویربرداری مادون قرمز به این گونه است که یک لیزر را در سرتاسر میدان دید یک صحنه اسکن می‌کنند. پس از آن، به دنبال نور پراکنده شده در طول موج جذب گاز موردنظر می‌گردند. در سیستم غیرفعال، گازسنج‌های تصویربرداری مادون قرمز تغییرات طیفی را در هر پیکسل از یک تصویر اندازه‌گیری می‌کنند و به دنبال نشانه‌های طیفی خاصی می‌گردند که حضور گازهای هدف را نشان می‌دهد.

گازسنج‌های نیمه‌هادی به عنوان نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی نیز شناخته می‌شوند که دلیل این امر، استفاده از اکسیدهای فلزی برای ساخت آن‌هاست. زمانی که گاز در تماس با گازسنج قرار می‌گیرد، یک واکنش شیمیایی اتفاق می‌افتد که این واکنش به تشخیص و اندازه‌گیری گاز منجر می‌شود. شناخته‌شد‌ه‌ترین اکسید فلزی که برای ساخت گازسنج‌های نیمه هادی استفاده می‌شود، قلع دی اکسید است. زمانی که گاز هدف در تماس با گازسنج قرار می‌گیرد، مقاومت الکتریکی آن کاهش می‌یابد. برای مثال، مقاومت قلع دی اکسید در هوا به طور معمول 50 کیلواهم می‌باشد. زمانی که این ماده در تماس با متان قرار می‌گیرد، مقاومت آن به 5/3 کیلواهم کاهش می‌یابد. تغییر ایجاد شده در مقاومت برای اندازه‌گیری غلظت گاز استفاده می‌شود.

از گازسنج نیمه هادی برای اندازه‌گیری هیدروژن، اکسیژن، بخار الکل و هم‌چنین گازهای مضر نظیر کربن مونواکسید، گوگرد دی اکسید، هیدروژن سولفید و آمونیاک استفاده می‌شود. یکی از متداول‌ترین نوع استفاده از این نوع گازسنج، حسگرهای گاز کربن مونواکسید است که از آن‌ها در ساخت حسگرهای تنفس استفاده می‌شود.

همان‌طور که پیشتر بیان شد، گازسنج‌های گازی مبتنی بر اکسید فلزی در سال 1990 به دنیا معرفی شدند و یکی از مهم‌ترین انواع گازسنج های محیطی هستند. اگرچه این نوع گازسنج همه کاره است، اما نسبت به رطوبت حساسیت دارند، که این موضوع ناشی از برهمکنش یون‌های هیدروکسیل با سطح اکسید است. برای کاهش این مشکل، تاکنون تلاش‌هایی با استفاده از بهینه سازی الگوریتمی انجام شده است.

گازسنج‌های اولتراسونیک به خودی خود گازسنج نیستند. بدین معنی که قابلیت اندازه‌گیری غلظت گاز را ندارند و فقط می‌توانند نشتی یک گاز را تشخیص دهند. اساس کار گازسنج‌های اولتراسونیک مبتنی بر تشخیص تغییر اعمال شده در تشعشعات اکوستیک یک گاز هنگام ورود آن به یک محیط است. گازسنج‌های اولتراسونیک عمدتاً برای سنجش از راه دور گازها در محیط‌های بیرونی نظیر سکوهای نفت یا گاز در دریا و یا خشکی، ایستگاه‌های کمپرسور، نیروگاه‌های توربین گاز و تأسیساتی که تعداد زیادی خطوط لوله در فضای باز در خود جای داده‌اند کاربرد دارند.

گازسنج‌های هولوگرافیکی از بازتاب نور برای تشخیص تغییرات در یک ماتریکس فیلم پلیمری حاوی هولوگرام استفاده می‌کنند. به دلیل اینکه هولوگرام‌ها نور را در طول موج‌های خاصی منعکس می‌کنند، تغییر در ترکیب آن‌ها می‌تواند بازتاب رنگارنگی ایجاد کند که نشان دهنده حضور یک مولکول گاز است. با این وجود، گازسنج‌های هولوگرافیکی نیاز به منابع روشنایی از قبیل نور سفید و یا لیزرها دارند.

گازسنج ثابت و پرتابل

گازسنج‌ها به دو صورت ثابت و قابل حمل در بازار یافت می‌شوند. نوع پرتابل آن به طور معمول برای سنجش هوای اطراف کارکنان یک مرکز کاربرد دارد. این نوع گازسنج یا به صورت دستی استفاده می‌شود یا به لباس یا کمربند متصل می‌کنند. عملکرد این نوع گازسنج وابسته به باتری می‌باشد. هنگامی که گازسنج‌های قابل حمل بخار گازهای سمّی را تشخیص می‌دهند، شروع به هشدار دادن می‌کنند که این هشدار قابل مشاهده یا قابل شنیدن می‌باشد.

برخلاف گازسنج‌های پرتابل که برای سنجش هوا استفاده می‌شوند، گازسنج‌های ثابت برای تشخیص یک یا چند نوع گاز کاربرد دارند. محل قرارگیری آن‌ها به طور معمول نزدیک به اتاق کنترل، محوطه کارخانه یا محل استراحت کارکنان می‌باشد. علاوه بر این مراکز، گازسنج‌های ثابت بر روی سازه‌های فولادی نیز نصب می‌شوند. در این حالت، یک کابل آشکارساز را به یک سیستم کنترل نظارتی و جمع‌آوری داده‌ها برای نظارت پیوسته وصل می‌کنند.

گازسنج تک گاز و چند گاز

همان‌طور که از اسم آن‌ها پیداست، گازسنج‌های تک گازی تنها قابلیت شناسایی یک نوع گاز را دارند، در حالی که گازسنج‌های چندگازی قادرند به طور همزمان چند نوع گاز را تشخیص دهند. برای مثال، گازسنج‌هایی وجود دارند که می‌توانند به طور همزمان گازهای اکسیژن، کربن مونواکسید، هیدروژن سولفید و گازهای اشتعال‌پذیر برپایه متان را تشخیص دهند.

گازسنج‌های کالیبره و غیرکالیبره

تمام گازسنج‌های گاز باید بر اساس یک برنامه کالیبره شوند، تا میزان صحت یا خطای آن‌ها مشخص شود. برنامه زمانی کالیبراسیون دستگاه‌های گازسنج پرتابل و ثابت با هم تفاوت دارد. دستگاه‌های قابل حمل به دلیل اینکه در محیط‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند باید بیشتر کالیبره شوند. یک برنامه کالیبراسیون معمولی برای یک گازسنج ثابت ممکن است سه ماهه، سالانه یا دو ساله باشد. از آن طرف، یک برنامه کالیبراسیون معمولی برای یک گازسنج قابل حمل شامل یک “تست ضربه” روزانه است که همراه با کالیبراسیون ماهانه می‌باشد.

انواع گازسنج ثابت

انواع مختلفی از گازسنج‌های ثابت با توجه به عملکردشان وجود دارد، که در ادامه به آن‌ها پرداخته می‌شود:

کاربرد گازسنج ثابت

گازسنج‌های ثابت کاربردهای مختلفی دارند و از آن‌ها در آزمایشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی، دیگ بخار، تصفیه آب و فاضلاب و در مراکز ذخیره‌سازی گاز استفاده می‌شود.

مزایا و معایب گازسنج‌های ثابت

گازسنج‌های ثابت از مزایا و معایبی برخوردار هستند، که در ادامه به آن‌ها اشاره شده است:

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_detector

https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/gas-sensor