בית בלוג~~מבוא לחיישני גז: בנייה, סוגים ועבודה~~

~~ב- 2024/05/28~~ ~~463~~

מבוא לחיישני גז: בנייה, סוגים ועבודה

חיישני גז הם המכשירים הטובים ביותר בטכנולוגיה המודרנית, במעקב וגילוי גזים שונים על פני ריבוי סביבות.היכולת שלהם להמיר רמות גז לאותות חשמליים באמצעות תגובות פיזיקליות או כימיות הופכת אותם ליקרי ערך ליישומים שנעים בין בטיחות תעשייתית לביטחון משק הבית.

מאמר זה דן בסוגים השונים של חיישני גז, ובוחן את עקרונות העבודה, היתרונות והמגבלות שלהם.בבחינת הרכיבים והפונקציונליות של חיישנים אלה, ובמיוחד חיישני גז תחמוצת מתכת נפוצה, אנו יכולים להעריך את חשיבותם להבטיח בטיחות, שמירה על איכות האוויר ותמיכה בתהליכים תעשייתיים שונים.הבנת השימוש המעשי, הכיול והתחזוקה של חיישנים אלה משפרת את אמינותם ודיוקם, מה שהופך אותם לכלים מובילים הן בהגדרות מקצועיות והן ביתי כאחד.

קָטָלוֹג

1. מהו חיישן גז?

2. סטנדרט לביצועי חיישני גז

3. פרמטר פלט חיישן

4. סוגי חיישן גז המבוססים על עקרונות עבודה

5. רכיבי חיישן גז תחמוצת מתכת

6. איך חיישני גז עובדים?

7. כיצד להשתמש בחיישן גז?

8. חיישן הגז הפופולרי ביותר

9. יישומי חיישן גז

10. מסקנה

Gas Sensor
איור 1: חיישן גז

מהו חיישן גז?

חיישני גז הוא מכשיר שנועד לאתר נוכחות או ריכוז של גזים בסביבה.היא פועלת על ידי מדידת שינויים בהתנגדות החומר הפנימי שלו, המייצר הבדל מתח.הפרש מתח זה מסייע בזיהוי ולהעריך את סוג וכמות הגז הקיימים.הגזים הספציפיים שחיישן יכול לגלות תלוי בחומר ממנו הוא עשוי.

חיישני גז ממירים רמות גז לאותות חשמליים באמצעות תגובות פיזיות או כימיות.אותות אלה מעובדים כדי לספק נתונים קריאים.הם שימושיים במיוחד לגילוי גזים רעילים ומזיקים, כמו גם דליפות גז טבעי.חיישני גז מודדים גזים דליקים, דליקים ורעילים, ואפילו רמות חמצן, מה שהופך אותם לטובים לניטור בטיחות ואיכות אוויר.

סטנדרטי לביצועי חיישני גז

בבחירת חיישני גז, מדובר בחובה להעריך בזהירות מספר מפרטי מדידת מפתח כדי להבטיח את יעילותם ודיוקם ביישומי גילוי גז.מפרטים אלה הם קריטריונים לביצועי החיישן, במיוחד בהגדרות בהן הבטיחות היא בראש סדר העדיפויות ובמערכות בקרת תהליכים.

זמן תגובה

זמן התגובה הוא המרווח בין המגע הראשוני של הגז עם החיישן לבין עיבוד האותות של החיישן.פרמטר זה הדורש איתור גז מיידי למניעת אירועים מסוכנים או לשמור על שלמות התהליך.זמני תגובה קצרים יותר מועדפים בסביבות בהן גילוי מהיר יכול להפחית את הסיכונים, כמו מפעלים כימיים או חללים מוגבלים עם דליפות גז פוטנציאליות.בפעולות מעשיות, חיישן גז עם זמן תגובה של פחות מעשר שניות הוא אידיאלי לגילוי דליפות פתאומיות.זה מאפשר פעולות תגובה מהירות, כמו פינוי או כיבוי מערכת.

Response and recovery time of the gas sensor

איור 2: זמן התגובה וההחלמה של חיישן הגז

מרחק גילוי

מרחק הגילוי הוא הטווח המרבי בו החיישן יכול לאתר ביעילות גז ממקורו או מדליפתו.מפרט זה מכתיב היכן יש להציב חיישנים כדי להבטיח ניטור מקיף.במערכות תעשייתיות גדולות, חייבים חייבים להיות ממוקמים אסטרטגית כדי לכסות את המתקן כולו, ולהבטיח שאפילו יתגלו פליטות גז קלות לפני שהם מסתלמים לרמות מסוכנות.לדוגמה, חיישנים עם מרחק גילוי של 1-2 מטר ממוקמים לרוב בקרבת נקודות דליפה פוטנציאליות, ואילו אלה עם טווחים גדולים יותר (עד 10 מטר) יכולים לעקוב אחר אזורים רחבים יותר ממקומות מרכזיים.

קצב זרימה

Schematic Illustration of Gas Flow Sensor

איור 3: איור סכמטי של חיישן זרימת הגז

קצב הזרימה מייצג את נפח האוויר או הגז שחייבים לזרום על פני החיישן כדי לייצר אות הניתן לגילוי.כדי להבטיח קריאות מדויקות של ריכוז הגז, יש לקבוע שיעור זה כראוי.שיעורי זרימה לא מספקים יכולים להוביל לגילוי מעוכב או חיובי שווא, תוך פגיעה בבטיחות ויעילות תפעולית.מפעילים רשאים להתאים מערכות אוורור או להשתמש במאווררי עזר כדי לשמור על קצב זרימה אופטימלי בין חיישנים.הבטחת קצב זרימה של 0.5 עד 2 ליטר לדקה על פני החיישן יכולה לשפר משמעותית את דיוק הגילוי בסביבות עם תנאי זרימת אוויר משתנים.

פרמטר פלט חיישן

חיישני גז מודדים ומדווחים על גזים שהתגלו בפורמטים שונים כדי לענות על צרכי ניטור שונים.

אחוז LEL (גבול נפץ נמוך יותר)

מודד את הריכוז הקטן ביותר של גז דליק שיכול לקיים להבה כאשר הוא מעורבב באוויר והצית.נדרש לבטיחות בסביבות עם גזים נפץ.קריאה של 0% LEL מצביעה על שום גז קיים, ואילו 100% LEL פירושו שריכוז הגז הגיע לגבול הדליקה שלו, מהווה סיכון פיצוץ משמעותי.המפעילים עוקבים אחר LEL כדי להבטיח שרמות הגז יישארו מתחת לספים מסוכנים.בדיקות קבועות ופעולה מיידית על קריאות גבוהות למניעת תאונות.

אחוז נפח

מחשבת את נפח המומס מחולק בנפח הכולל של כל הרכיבים, כפול 100%.פחות נפוץ לגילוי גז אך מועיל ליישומים הכרוכים באינטראקציות נוזלי גז.מדידה מדויקת של ריכוזי הגז בתערובות נוזלים מסייעת בבקרת איכות ובאופטימיזציה של תהליכים.

חלקים למיליון (PPM)

מודד ריכוזי גז ב- PPM, ומאפשר מעקב מדויק אחר רמות גז נמוכות מאוד.נדרש לגילוי גזי עקבות במעקב סביבתי ובקרת איכות.ניטור רציף מבטיח עמידה בתקנות הבטיחות והסביבה.תנודות קטנות עוקבות אחר זיהוי סוגיות פוטנציאליות מוקדם.

מדידות דליפות (ml/min)

מציין את הקצב בו גז בורח ממערכת.זה עוזר לזהות ולכמת דליפות.על ידי שימוש במידע זה, מפעילים יכולים להבטיח שלמות המערכת, להימנע מהפסדים גדולים ולבצע תחזוקה ותיקונים בזמן.

מדידות צריכה (ML/L/HR.)

משקף את הקצב בו נצרך גז בתהליך.מצוין לשימוש בתהליכים תעשייתיים ובמחקר ביולוגי, למשל.ניתן לזהות חוסר יעילות ולייעל את התהליכים על ידי עין על שיעורי צריכת הגז.

מדידות צפיפות (מ"ג/מ"ק)

מספק תובנות לגבי התכונות הפיזיות של הגז בנפח נתון.שימושי בבקרת זיהום ובהערכת איכות האוויר.מבטיח דבקות בסטנדרטים סביבתיים ועוזרים בתכנון אסטרטגיות יעילות לבקרת זיהום.

מדידות חתימה או ספקטרום

מציע חתימה ספקטרלית של הגזים הקיימים, המוצגת לעתים קרובות ככרומטוגרמה.משמש בטכניקות אנליטיות מתקדמות כמו כרומטוגרפיה של גז.ניתוח מפורט של הרכב הגז והריכוז מסייע בזיהוי מזהמים ולהבטיח טוהר המוצר.

אותות אלה מעובדים כדי לספק נתונים בזמן אמת על ריכוזי הגז, ומסייעים למערכות בקרה אוטומטיות.

מְשׁוּתָף אותות פלט מחיישני גז	פונקציות
מתח אנלוגי	אות חשמלי רציף ייצוג מידע משתנה
אותות דופק	פרצי אנרגיה קצרים המשמשים לתזמון וסנכרון
זרמים אנלוגיים	זרמים חשמליים המשתנים בעוצמה להעברת מידע
מתג או ממסר יציאות	מנגנונים הפותחים או סוגרים מעגלים לשלוט בזרימה חשמלית

תַרשִׁים 1: אות פלט חיישן גז ופונקציות

סוגי חיישן גז המבוססים על עקרונות עבודה

חיישני גז מסווגים לפי עקרונות התפעול שלהם.לכל סוג מאפיינים, יתרונות וחסרונות מובחנים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים וסביבות שונות.

מוליך למחצה / חיישן גז מבוסס תחמוצת מתכת

Schematic Semiconductor / Metal Oxide-based Gas Sensor Parts

איור 4: חלקי חיישן גז מבוסס-תחמוצת סכמטי / חצי תחמוצת מתכת

Semiconductor Gas Sensor Actual

איור 5: חיישן גז מוליך למחצה בפועל

חיישנים אלה מזהים גזים על ידי מעקב אחר הווריאציות בהתנגדות של מוליך למחצה כאשר הוא בא במגע עם גזים.בדרך כלל, הם משלבים רכיב לחישת תחמוצת מתכת, כמו פח דו חמצני (SNO2), המונח על מצע המצויד באלקטרודות ואלמנט חימום.האופי הנקבובי של שכבת תחמוצת המתכת מגדיל את שטח הפנים הזמין לאינטראקציות גז.כאשר גזים נספגים על שכבה זו, שינויים מתרחשים במוליכות החשמלית של החיישן, אשר בתורו משנה את התנגדותו.חיישנים אלה רגישים במיוחד למגוון מגוון של גזים והם חסכוניים לייצור.עם זאת, הם דורשים כיול שגרתי והביצועים שלהם מושפעים מהטמפרטורה והלחות.

יתרונות:

• מבנה פשוט

• עלות נמוכה

• רגישות לגילוי גבוה

• מהירות תגובה מהירה

חסרונות:

• טווח מדידה קטן

• מושפע מגזים וטמפרטורה אחרים

חיישן גז אלקטרוכימי

Schematic Electrochemical Sensor Parts

איור 6: חלקי חיישנים אלקטרוכימיים סכמטיים

Example of Electrochemical Sensor for Toxic and Flammable Gas Detection

איור 7: דוגמה לחיישן אלקטרוכימי לגילוי גז רעיל ודליק

חיישנים אלקטרוכימיים מכמתים את ריכוז הגזים על ידי חמצון או צמצום גז היעד באלקטרודה והקלטת הזרם שתהליך זה מייצר.מכשירים אלה כוללים אלקטרודות עבודה, מונה והתייחסות שקועות באלקטרוליט, הכל הכלול בתוך דיור קטן הכולל קרום חדיר גז.גזים עוברים דרך ממברנה זו ומשתתפים בתגובת redox באלקטרודה העובדת, ומייצרים זרם שהוא ביחס ישיר לריכוז הגז.ידוע בזכות הספציפיות והדיוק החריג שלהם, חיישנים אלה יכולים להתפשר על ידי נוכחותם של גזים אחרים ונוטים לקיים חיים מבצעיים סופיים בגלל הידלדלות ההדרגתית של החומרים הפעילים שלהם.

יתרונות:

• זמן תגובה מהיר

• פלט לינארי טוב

• דיוק גבוה

חסרונות:

• זקוק לסביבה עשירה בחמצן

• לצרוך אלקטרוליטים נוזליים

• רגישים לשינויי טמפרטורה, לחות ולחץ

חיישן גז אינפרא אדום (NDIR) שאינו מפוזר

Schematic NDIR Sensor Parts

איור 8: חלקי חיישן NDIR סכמטי

Actual NDIR Sensor

איור 9: חיישן NDIR בפועל

חיישני NDIR משתמשים באור אינפרא אדום מקור וגלאי לקביעת ריכוזי הגז באמצעות אינפרא אדום קְלִיטָה.הם מצוידים במקור אור אינפרא אדום, תא לגז דגימות, פילטר אורך גל וגלאי אינפרא אדום.כאשר גזים סופגים אורכי גל מסוימים של אור אינפרא אדום, גלאי החיישן מכמת את היקף ספיגה זו להערכת ריכוז הגז.חיישנים אלה מתהדרים דיוק גבוה ואריכות חיים, ואינם רגישים להרעלת חיישנים. עם זאת, הם נוטים להיות יקרים ומוגבלים לגילוי גזים הסופגים אור אינפרא אדום.

יתרונות:

• מודד גזים כמו CO2

• אינו דורש חמצן

• יכולת ריכוז מדידה גבוהה

• יציבות טובה ועלויות תחזוקה נמוכות

חסרונות:

• צריכת חשמל גבוהה

• יקר

• דרישות מבנה ותוכנה/חומרה מורכבות

חיישן גז קטליטי

Schematic Catalytic Sensor Parts

איור 10: חלקי חיישנים קטליטיים סכמטיים

Catalytic Sensor Example

איור 11: דוגמא לחיישן קטליטי

חיישנים קטליטיים מזהים גזים דליקים דרך חרוז קטליטי המשנה את התנגדותו במהלך חמצון הגז.אֵלֶה חיישנים משלבים חרוז חישה מצופה זרז לצד הפניה אלמנט, מסודר בתצורת גשר Wheatstone בתוך מגן מארזים.חמצון של גזים דליקים על משטח הזרז מייצר חום, מה שמוביל לשינוי התנגדות שהתגלה על ידי המעגל.יעיל ב חיישנים אלה מגלה במהירות ריכוזים נמוכים של גז, מחייבים את נוכחות של חמצן ועלולה להתפשר על ידי חומרים כימיים ספציפיים.

יתרונות:

• התנגדות חזקה לאקלים קשים וגזים רעילים

• חיי שירות ארוכים

• עלויות תחזוקה נמוכות

חסרונות:

• סיכון לפיצוץ או אש בסביבות אפלות

• רגישים להרעלה על ידי תרכובות גופרית והלוגן

• שגיאות גדולות יותר בסביבות חמצן נמוכות

גלאי פוטוניזציה (PID)

Schematic PID Parts

איור 12: חלקי PID סכמטיים

PID Example

איור 13: דוגמה ל- PID

גלאי פוטוניזציה (PID) משתמשים אור אולטרה סגול ליינן גזים ולמדוד את הזרם החשמלי המיוצר על ידי יונים אלה כדי להעריך את ריכוזי הגז.המערכת כוללת מנורת UV, An תא יינון, ואלקטרודות.יינון מולקולות גז מפעיל זרם חשמלי על פני האלקטרודות, שמתאם ישירות עם ריכוז תרכובות אורגניות נדיפות (VOC).PIDs מציעים רגישות גבוהה ל- VOC ויכולות גילוי מהירות, אם כי הן יקרות והביצועים שלהם ניתן להשפיע על ידי משתנים סביבתיים כמו לחות וטמפרטורה.

יתרונות:

• רגישות גבוהה

• אין בעיית הרעלה

• יכול לאתר מעל 400 סוגים של גזים אורגניים נדיפים

חסרונות:

• עלות גבוהה של החלפת מנורה

• לא יכול למדוד אוויר, גזים רעילים או גז טבעי

חיישן גז מוליכות תרמית

Schematic Thermal Conductivity Sensor Parts

איור 14: חלקי חיישן מוליכות תרמית סכמטית

Thermal conductivity Sensor Example

איור 15: דוגמא לחיישן מוליכות תרמית

חיישני מוליכות תרמית מעריכים וריאציות במוליכות תרמית כתוצאה מגזים שונים.חיישנים אלה בדרך כלל משלבים שני אלמנטים תרמיים, כמו תרמיסטורים או תרמיים מוליכים, מסודרים בתצורת מעגל גשר.אלמנט אחד נחשף לגז היעד ואילו האחר מתממשק עם גז התייחסות.שינויים ב הרכב הגז משנה את המוליכות התרמית סביב החיישן, ומשפיע על הטמפרטורה וההתנגדות שלה.לאחר מכן מכמת שינוי זה על ידי המעגל. מכשירים אלה פשוטים, חזקים ומסוגלים לאתר גזים רבים, אם כי הם מציעים פחות רגישות והם רגישים לשינויים בסביבה טֶמפֶּרָטוּרָה.

יתרונות:

• טווח גילוי רחב

• יציבות עבודה טובה

• חיי שירות ארוכים

• אין בעיות הזדקנות לזרז

חסרונות:

• דיוק גילוי לקוי

• רגישות נמוכה

• רגישים לסחף טמפרטורה

מנתח כרומטוגרף גז

Schematic Gas Chromatograph Analyzer Parts

איור 16: חלקי מנתח כרומטוגרף גז סכמטי

Gas Chromatograph Analyzer Actual

איור 17: מנתח כרומטוגרף גז בפועל

מנתחי כרומטוגרפיה של גז מבדילים וכימות את רכיבי תערובת הגז באמצעות גלאים מגוונים.הֵם מורכב מזרק, עמוד כרומטוגרפי, מערכת גז נשאית ו- A גלאי, כולם שוכנים במסגרת הגדרה מבוקרת.מוצגים דגימות גז דרך המזרק לטור, שם הם מופרדים לפי האופן בו הם מתקשרים עם חומר העמודה.הרכיבים המופרדים הם אז זוהה ונמדד על ידי הגלאי.מנתחים אלה מציעים דיוק גבוה ו יכול לנתח תערובות מורכבות, ובכל זאת הן יקרות, טיפול במומחים בביקוש, והם מסורבלים יותר בהשוואה לחיישני גז אחרים.

יתרונות:

• רגישות גבוהה

• מתאים לניתוח מיקרו ועקבות

• יכול לנתח גזי הפרדה מרובי -שלבים מורכבים

חסרונות:

• לא ניתן להשיג דגימה וניתוח רציפים

• מתאים יותר לניתוח מעבדה מאשר ניטור גז שדה תעשייתי

חיישן גז מבוסס קיבול

Schematic Capacitance-based Sensor Parts

איור 18: חלקי חיישן מבוססי קיבול סכמטי

Capacitance-based Sensor Actual

איור 19: חיישן מבוסס קיבול בפועל

חיישני קיבול מזהים שינויים ב קיבול עקב שינויים בקבוע הדיאלקטרי של גז נספג על פני החיישן.חיישנים אלה מורכבים מקבל ש כולל חומר דיאלקטרי המגיב לגז היעד, שתוכנן בדרך כלל בפלטפורמת MEMS לשיפור הקומפקטיות.ספיגת מולקולות גז משנה את הקבוע הדיאלקטרי, וכתוצאה מכך שינוי הקיבול שהוא ואז כימות.בעוד שחיישנים אלה רגישים במיוחד ואידיאליים עבור איתור לחות, הם רגישים להשפעות סביבתיות כמו טֶמפֶּרָטוּרָה.

יתרונות:

• רגישות גבוהה

• זמן תגובה מהיר, מתאים לניטור בזמן אמת

• צריכת חשמל נמוכה

חסרונות:

• בעיות יציבות לטווח הארוך

• רגישות צולבת לגזים אחרים

• טווחי גילוי מוגבלים

חיישני גז מבוססי אקוסטיים

Schematic Acoustic-based Gas Sensor Parts

איור 20: חלקי חיישני גז אקוסטיים מבוססי אקוסטיים

Acoustic-based Gas Sensors Actual

איור 21: חיישני גז מבוססי אקוסטית בפועל

חיישנים אקוסטיים פועלים על בסיס מושג ששינויים בהרכב הגז משפיעים על מהירות הצליל בתוך תַעֲרוֹבֶת.הם מצוידים במשדר גל קול ומקלט, סט בתוך תא או לאורך מסלול בו תערובת הגז יכולה לתקשר עם גלי קול.הווריאציות בתכונות האקוסטיות עקב אינטראקציה זו נרשמים ומנותחים.חיישנים אלה מציעים ניטור לא פולשני ו גילוי מהיר של שינויים, ובכל זאת הם עשויים להתמודד עם אתגרים עם דיוק ו לעתים קרובות זקוק לכיול רגיל.

יתרונות:

• לזהות סוכני עצבים ושלפוחית

• פחות סוללה, מתאימה ליישומים אלחוטיים

• שמיש בחלקים קשים ומסתובבים

חסרונות:

• קשה לטפל במהלך ייצור בגלל גודל קטן

חיישן גז קלורימטרי

(a) Schematic illustration of device structure and working principle, and (b) photograph of a calorimetric-TGS device. (c) Schematic and photograph of the measurement system for the calorimetric-TGS devices.

דְמוּת 22: (א) איור סכמטי של מבנה המכשיר ועקרון העבודה, ו- (ב) תצלום של מכשיר קלורימטרי-TGS.(ג) סכמטי ותצלום של מערכת המדידה למכשירי Calorimetric-TGS.

חיישנים קלורימטריים מגלים וריאציות חום כתוצאה מתגובות כימיות בין גז היעד לספציפיות מֵגִיב.מכשירים אלה מצוידים בתא תגובה המכיל א זרז או מגיב שעם מגיב עם הגז מייצר חום.זֶה עלייה או ירידה בטמפרטורה נמדדת על ידי משולב חיישן טמפרטורה.בעוד שחיישנים אלה יעילים במיוחד עבור איתור גזים מסוימים, הם נוטים להציג זמני תגובה איטיים יותר ופחות רגישות מאשר סוגי חיישנים אחרים.

יתרונות:

• זמן תגובה מהיר לניטור בזמן אמת

• עיצוב פשוט

• יציבות ואמינות לטווח הארוך

• צריכת חשמל נמוכה

חסרונות:

• לזרזים יש אורך חיים מוגבל ויכולים להשפיל

• זמני תגובה איטיים יותר לריכוזי גז נמוכים מאוד

חיישן גז מגנטי

Magnetic effects used for the gas sensing device fabrication. (a) Hall effect, (b) Kerr effect. (c) Ferromagnetic resonance (FMR) effect. (d) Magneto-plasmonic effect. (e) Magnetic moment or spin effect. (f) Magnetostatic spin-wave (MSW) effect.

דְמוּת 23: השפעות מגנטיות המשמשות לייצור מכשירי חישת גז.(א) אפקט האולם, (ב) אפקט קר.(ג) אפקט תהודה פרומגנטית (FMR). (ד) אפקט מגנטו-פלסמוני.(ה) רגע מגנטי או אפקט ספין.(ו) אפקט גל-גל מגנטוסטטי (MSW).

Magnetic Sensor Actual

איור 24: חיישן מגנטי בפועל

חיישנים מגנטיים משתמשים במגנטי מאפייני גזים ספציפיים, כמו חמצן, לקבוע את שלהם ריכוז.מכשירים אלה כוללים חומרים מגנטיים המשנים את שלהם תכונות מגנטיות כאשר הם נחשפים לגזים מסוימים.שינויים אלה מתגלים על ידי חיישן שדה מגנטי המשולב בתוך היחידה.השינוי ב נמדדים תכונות מגנטיות הנגרמות על ידי נוכחות גז היעד ו מְנוּתָח.חיישנים מגנטיים מציעים יציבות גבוהה והם אטומים ברובם הפרעה מגזים אחרים.עם זאת, הם יכולים לאתר רק גזים פרמגנטיים ונוטים להיות מתוחכמים ויקרים יותר.

יתרונות:

• פעולה לא פולשנית

• גילוי מהיר וניטור בזמן אמת

• סוגים מסוימים אינם דורשים כוח חיצוני

חסרונות:

• מורכב ויקר

• דרוש כיול תכוף

• יכול למדוד גזים רק עם תכונות מגנטיות ספציפיות

• לא מסוגל לשדות מגנטיים חיצוניים ולשינויי טמפרטורה

רכיבים של חיישן גז תחמוצת מתכת

Schematic Components of a Metal Oxide Gas Sensor

איור 25: רכיבים סכמטיים של חיישן גז תחמוצת מתכת

שכבת חישת גז: שכבת חישת הגז היא ליבת החיישן, ומגלה שינויים בריכוז הגז.זה משמש ככימירסטור, משנה את ההתנגדות כאשר הוא נחשף לגזים ספציפיים.בדרך כלל עשוי פח דו חמצני (SNO₂), שיש בו עודף אלקטרונים (אלמנטים תורמים), הוא משנה את ההתנגדות בנוכחות גזים רעילים.שינוי התנגדות זה משפיע על זרימת הזרם, המתואם לריכוז הגז, מה שהופך את שכבת חישת הגז, לגילוי גז מדויק.

סליל התנור: סליל התנור מגביר את הרגישות והיעילות של שכבת חישת הגז על ידי שמירה על טמפרטורה גבוהה.מיוצר מכרום ניקל, הידוע בנקודת ההתכה הגבוהה שלו, הוא נשאר יציב תחת חום קבוע.חימום זה מפעיל את שכבת חישת הגז, ומאפשר לה להגיב טוב יותר לגזים.סליל התנור מבטיח ביצועי חיישנים מיטביים על ידי מתן אנרגיה תרמית בעקביות.

קו אלקטרודה: קו האלקטרודה מעביר ביעילות את הזרמים הקטנים משכבת חישת הגז.הוא בנוי מפלטינום, המוערך במוליכותו, הוא מבטיח העברת ומדידה נוכחית מדויקת.תנועת אלקטרונים יעילה זו טובה לדיוק החיישן בגילוי גז.

אלקטרודה: האלקטרודה מחברת את תפוקת שכבת חישת הגז לקו האלקטרודה.הוא עשוי מזהב (au - aurum), מוליך מעולה, הוא מבטיח התנגדות מינימלית והעברת זרם יעיל.חיבור זה חשוב למדידות ריכוז גז מדויקות, מה שמאפשר העברת אות חשמלית חלקה מאלמנט החישה למסופי הפלט.

קרמיקה צינורית: הקרמיקה הצינורית, עשויה בדרך כלל תחמוצת אלומיניום (Al₂O₃), יושבת בין סליל התנור לשכבת חישת הגז.נקודת ההיתוך הגבוהה שלה תומכת בתהליך השריפה של שכבת החישה, תוך שמירה על רגישות גבוהה וזרם פלט יעיל.הקרמיקה הצינורית מציעה יציבות מבנית ובידוד תרמי, מגנה על החלקים הפנימיים של החיישן ומשפרת את העמידות והביצועים.

רשת מעל אלמנט החישה: רשת מתכת מכסה את אלמנט החישה, ומגנה על רכיבים רגישים מפני אבק וחלקיקים מאכלים.רשת זו מגנה על החיישן מפני מזהמים חיצוניים ושומרת על שלמותה ואריכות החיים של שכבת חישת הגז.על ידי סינון חלקיקים מזיקים, הרשת מבטיחה שהחיישן פועל במדויק ואמין לאורך תקופות ארוכות.

איך חיישני גז עובדים?

טכנולוגיה בסיסית

חיישני גז משתמשים ב- Chemiresistor, המיוצר בדרך כלל מדו תחמוצת הפח (SNO2).SNO2 הוא מוליך למחצה מסוג N שיש בו אלקטרונים רבים בחינם, הטובים לניהול חשמל.

פונקציה באוויר נקי

באוויר נקי, מולקולות חמצן מהאטמוספירה נצמדות אל פני SNO2.מולקולות חמצן אלה לוכדות אלקטרונים חופשיים מה- SNO2, ויוצרים מחסום שעוצר את זרימת הזרם.לכן, תפוקת החיישן היא אפס או בתחילת המחקר.

תגובה לגזים רעילים או דליקים

כאשר הם נחשפים לגזים רעילים או דליקים, גזים אלה מגיבים עם החמצן על פני SNO2, ומשחררים את האלקטרונים הלכודים.עלייה זו באלקטרונים חופשיים מעלה את המוליכות של SNO2.רמת שינוי המוליכות הזו תואמת את ריכוז הגז.

כיצד להשתמש בחיישן גז?

Gas Sensor Module And 4 Terminals

איור 26: מודול חיישן גז ו -4 מסופים

לחיישן גז בסיסי יש שישה מסופים: ארבעה לקלט/פלט (שכותרתו A, A, B, B) ושניים לחימום הסליל (שכותרתו H, H).ניתן להשתמש במסופי הקלט/פלט להחלפה.חיישני גז מגיעים לרוב כמודולים הכוללים את החיישן עצמו ו- IC משווה.למודולים אלה יש בדרך כלל ארבעה מסופים: VCC (אספקת חשמל), GND (קרקע), פלט דיגיטלי (אות המציין נוכחות של גז) ופלט אנלוגי (מתח רציף המציין את ריכוז הגז).

הגדלת תפוקת החיישן

מכיוון שחיישן הגז בלבד מייצר תפוקה קטנה (במיליוולט), יש צורך במעגל חיצוני כדי להמיר פלט זה לאות דיגיטלי.המרה זו משתמשת במשווה (בדרך כלל LM393), פוטנציומטר מתכוונן, ונגדים וקבלים נוספים.המשווה LM393 לוקח את תפוקת החיישן, משווה אותו עם מתח ייחוס ומספק פלט דיגיטלי.הפוטנציומטר קובע את רמת ריכוז הגז המפעילה תפוקה גבוהה.

תרשים מעגלים בסיסי של מודול חיישן גז

Basic circuit diagram of a gas sensor in a gas sensor module

איור 27: תרשים מעגלים בסיסי של חיישן גז במודול חיישן גז

מעגל חיישני הגז כולל מסופי קלט/פלט (A ו- B) ומסופי התנור (H).על סליל התנור לקבל מתח מספיק כדי להפעיל את החיישן.ללא מתח קלט זה, זרם הפלט זניח.לאחר ההפעלה, שכבת החישה יכולה לאתר גזים.

אין גז נוכח:

ההתנגדות של שכבת החישה נותרה ללא שינוי, וכתוצאה מכך זרם תפוקה מינימלי.

מתווה גז:

הסליל שחומם מראש מאפשר גילוי על ידי שינוי התנגדות החומר, שינוי זרימת הזרם בהתנגדות העומס (RL).

הערך של RL, בדרך כלל בין 10KΩ ל- 47KΩ, מכויל על פי הרגישות הרצויה לריכוז הגז.ערכי התנגדות נמוכים מפחיתים את הרגישות, בעוד שערכי ההתנגדות הגבוהים יותר מגדילים את הרגישות.המעגל כולל גם מגבר OP של LM393, שממיר את האות האנלוגי לאחד דיגיטלי.פוטנציומטר 10K על סיפון מאפשר התאמה של הרגישות של מודול החיישן.שני נוריות LED מספקות אינדיקטורים חזותיים: אחד לכוח (המציין כי הלוח מופעל) ואחד להפעלה (המציין כי הושג סף הסט).קובעי ניתוק מפחיתים רעש, ומבטיחים קריאות חיישנים יציבות ומדויקות.

חיישני הגז הפופולריים ביותר

סדרת MQ של חיישני גז מוליכים למחצה, כולל דגמים כמו MQ-2, MQ-3, MQ-4, MQ-5, MQ-6, MQ-7, MQ-8, MQ-9, MQ-131, MQ-135, MQ-136, MQ-137, MQ-138, MQ-214, MQ-303A, MQ-306A ו- MQ-309A, מועברים היטב לאמינותם ודיוקם ביישומים שונים.חיישנים אלה עומדים במגוון רחב של דרישות סביבתיות ותעשייתיות.

Table of Different Types of Gas Sensor

איור 28: טבלה של סוגים שונים של חיישן גז

MQ-2: מזהה גזים ועשן דליקים.

מחממים מראש את החיישן למשך 24 שעות.כיול בריכוז ידוע של גז היעד, כמו 1000 עמודים לדקה של מתאן.התאם את התנגדות העומס על בסיס מתח היציאה.

שימו לב לעלייה האיטית בהתנגדות כאשר התנור הפנימי מתייצב.וודא שהחיישן התחמם במלואו לפני שהוא נוטל קריאות כדי למנוע אי דיוקים.

MQ-3: גילוי אדי אלכוהול, המשמש לעתים קרובות בנשימה.

לחמם את החיישן לפחות 48 שעות לפני השימוש הראשוני.כיול עם 0.4 מ"ג לליטר אלכוהול באוויר.התאם את נגדי העומס כדי להתאים לצרכי היישום הספציפיים.

עקוב אחר הסחף הרגישות במהלך הכיול והתאם מרווחים על בסיס יציבות.רשמו טמפרטורה ולחות של הסביבה מכיוון שהם משפיעים על הדיוק.

MQ-4: גילוי מתאן וגז טבעי.

מחממים מראש למשך 24 שעות.כיול בסביבה מבוקרת עם 5000 עמודים לדקה מתאן.התאם את הנגד העומס בהתאם.

עקוב מקרוב אחר זמן התגובה.תגובה איטית עשויה להצביע על בעיות עם התנור או יציבות הטמפרטורה בסביבה.

MQ-5: גפ"מ, גז טבעי וגילוי גז פחם.

בדומה ל- MQ-4 אך כיול לגזים מרובים באמצעות ריכוזים ספציפיים.

שמור על סביבה יציבה במהלך כיול.תנודות טמפרטורה יכולות לגרום לריאציות משמעותיות בקריאות.

MQ-6: מזהה גפ"מ, בוטאן, איזובוטן ופרופאן.

מחממים וכיול מראש כמו עם MQ-5.להבטיח אוורור נאות כדי למנוע ריכוזי גז מסוכנים במהלך הכיול.

שימו לב לזמן ההתאוששות של החיישן לאחר חשיפה לריכוזי גז גבוה.חשיפה ממושכת יכולה להרוות את החיישן, ולדרוש תקופת התאוששות ארוכה יותר.

MQ-7: איתור פחמן חד חמצני.

מחממים מראש למשך 48 שעות.כיול בסביבת CO של 100 עמודים לדקה.התאם את נגדי העומס כדי להתאים לרגישות הרצויה.

שימו לב להתנהגות בטמפרטורות משתנות מכיוון שחיישני CO רגישים לשינויי טמפרטורה.יישם אלגוריתם פיצויים במידת הצורך.

MQ-8: איתור גז מימן.

מחממים מראש למשך 24 שעות.כיול בסביבת מימן של 1000 עמודים לדקה.התאם את התנגדות העומס לביצועים מיטביים.

ודא שסביבת הכיול נקייה מגזים ומזהמים אחרים, מכיוון שחיישני מימן רגישים מאוד לזיהום.

MQ-9: מגלה פחמן חד חמצני וגזים דליקים.

מחממים מראש למשך 48 שעות.כיול בנפרד עבור גזים שותפים ודליקים באמצעות ריכוזים ידועים.התאם נגדי עומס לכל גילוי גז.

וודא כי כיול גז אחד אינו מפריע לרגישות לשני.התמקד ביכולת גילוי הגז הכפול.

MQ-131: איתור אוזון.

מחממים מראש למשך 24 שעות.כיול בסביבת אוזון של 0.1 עמודים לדקה.התאם את התנגדות העומס בהתאם.

בדוק באופן קבוע רגישות לחיישן וכיול מחדש כיוון שחיישני אוזון יכולים להשפיל לאורך זמן עם חשיפה לריכוזים גבוהים.

MQ-135: חיישן איכות אוויר מגלה NH3, NOX, אלכוהול, בנזן, עשן ו- CO2.

מחממים מראש למשך 24 שעות.השתמש בסביבות גז מבוקרות שונות כדי לכייל עבור כל גז ספציפי.

שמור על רישומי פירוט של הגדרות הכיול עבור כל סוג גז.כיול מחדש רגיל טוב לשמירה על דיוק בגלל המגוון הרחב של גזים הניתנים לגילוי.

MQ-136 ל- MQ-309A: כל חיישן מכוון לגזים ספציפיים ובעל כיול דומה לתואר כ- MQ-135.

מחממים מראש למשך 24 שעות והשתמשו בסביבות גז מבוקרות שונות לכיול עבור כל גז ספציפי.

להבין רגישויות ספציפיות ורגישות צולבת של כל חיישן.תחזוקה שוטפת, כיול ובקרה סביבתית הם המפתח לביצועים מיטביים.

יישומים של חיישן גז

בטיחות תעשייתית: בסביבות תעשייתיות חיישני גז עוקבים אחר גזים רעילים כמו פחמן חד חמצני, מתאן ומימן גופרתי.חיישנים אלה מותקנים באזורים המועדים לדליפות, כמו מפעלים כימיים, יחידות ייצור ומתקני אחסון.הם פועלים ברציפות, ושולחים נתונים בזמן אמת למערכת בקרה מרכזית.כאשר רמות הגז חורגות על ספי הגדרה, המערכת מפעילה אזעקות וכיבוי אוטומטי למניעת סכנות.מפעילים מכוילים באופן שגרתי חיישנים אלה, מבצעים בדיקות שדה וכיול אפס-ספן כדי להבטיח דיוק.

בטיחות משק הבית: בבית, חיישני גז מגלים דליפות של גז טבעי או פרופאן, ומונעים פיצוצים או הרעלה.חיישנים אלה הם לרוב חלק ממערכות בית חכם, מתריעים על בעלי בתים באמצעות סמארטפונים או פונים לשירותי חירום.בדרך כלל הם מותקנים במטבחים, במרתפים או בסמוך למכשירי גז.על בעלי בתים לבדוק באופן קבוע מכשירים אלה ולהחליף סוללות לפי הצורך כדי לשמור על פעילותם.

ענף נפט וגז: על אסדות נפט, חיישני גז עוקבים אחר תרכובות אורגניות נדיפות (VOC) וגזים מסוכנים אחרים.חיישנים אלה בנויים כדי לעמוד בתנאים קשים בחו"ל, כמו טמפרטורות קיצוניות ולחות.הם חלק ממערכת בטיחות גדולה יותר הכוללת בקרות אוורור ומנגנוני כיבוי חירום.בדיקות יומיות מבטיחות שחיישנים נקיים מזיהום ומתפקדים כראוי, עם התאמות באתר המתבצעות באמצעות מכשירי כיול ניידים.

תעשיית האירוח: במלונות חיישני גז אוכפים מדיניות ללא עישון על ידי איתור עשן סיגריות והפעלת מערכות אוורור או אזעקות.חיישנים אלה המותקנים באופן דיסקרטי בחדרי אירוח ובאזורים משותפים, ומסייעים לניהול המלונות להתמודד מייד להפרות ולשמור על סביבה נטולת עשן.בדיקות תחזוקה שוטפת נקייה חיישנים ומאמתים את הרגישות שלהם לחלקיקי עשן.

סביבות משרדיות: בבנייני משרדים חיישני גז עוקבים אחר איכות האוויר המקורה, תוך התמקדות במזהמים כמו פחמן דו חמצני, VOC וחומר חלקיקי.חיישנים אלה משולבים במערכות HVAC, מווסתים את זרימת האוויר כדי להבטיח סביבת עבודה בריאה.מנהלי מתקנים מנתחים נתוני חיישנים כדי לייעל את האוורור, והפחתת עלויות האנרגיה תוך שמירה על איכות האוויר.כיול תקופתי ועדכוני תוכנה מבוצעים כדי לשפר את ביצועי החיישן.

מערכות מיזוג אוויר: חיישני גז במזגנים מנהלים רמות CO2 ומשפרים את איכות האוויר המקורה.חלק ממערכת אוטומטית, הם מתאימים את שיעורי האוורור על בסיס ריכוזי CO2 בזמן אמת.טכנאים בודקים פונקציונליות חיישנים במהלך תחזוקה שגרתית כדי להבטיח קריאות מדויקות ואיכות אוויר אופטימלית.

מערכות גילוי אש: חיישני גז במערכות גילוי אש מזהים עשן וגזים רעילים כמו פחמן חד חמצני מוקדם.הם מספקים אזהרות, המאפשרים אמצעי פינוי ובקרת אש בזמן.אנשי בטיחות אש בודקים באופן קבוע מערכות אלה על ידי הדמיה של תנאי עשן כדי להבטיח היענות ואמינות של חיישנים.

פעולות כרייה: בכרייה חיישני גז מגלים גזים מסוכנים כמו מתאן ופחמן חד חמצני, לבטיחות עובדים.חיישנים אלה הם חלק ממערכת בטיחות ברשת, ומספקים ניטור רציף והתאמות אוורור אוטומטיות.כורים גם נושאים גלאי גז ניידים כאמצעי בטיחות נוסף.אימונים קבועים בשימושים חיישנים ונהלי תגובת חירום מבטיחים מוכנות.

מנתחי נשימה: חיישני גז במנתחי נשימה מודדים את תכולת האלכוהול בדם (BAC) על ידי איתור אתנול בנשימה.משמשת על ידי אכיפת החוק ואנשים פרטיים לניטור, מכשירים אלה דורשים כיול עם תקני אתנול ידועים לשמירה על דיוק.משתמשים עוקבים אחר פרוטוקולים קפדניים, כגון להבטיח שהמכשיר נמצא בטמפרטורה הנכונה והימנעות מזיהום, כדי להבטיח תוצאות אמינות.

מַסְקָנָה

ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, חיישני הגז הופכים לחזקים ורחבים יותר, ומשפרים את ביצועיהם ומייצרים אותם באזורים רבים, כולל בטיחות תעשייתית וביטחון משק הבית.ההבנה כיצד חיישני גז עובדים וכיצד לשמור עליהם מדגישה את חשיבותם הטכנית ואת תרומתם המשמעותית להגנה על החיים ולשיפור איכות הסביבה שלנו.בין אם במפעלים, בתים או מרחבים ציבוריים, חיישני גז הם המפתח לעתיד בטוח יותר ובריא יותר.ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, חיישני הגז הופכים למקדמים ומפותחים יותר, ומשפרים את ביצועיהם והופכים אותם לכיוניים בתחומים רבים, כולל בטיחות תעשייתית וביטחון משק הבית.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. מהם חיישני הגז?

חיישן גז הוא מכשיר המגלה את נוכחותם וריכוז הגזים באוויר.זה ממיר מידע כימי מהגז לאות אלקטרוני שניתן למדוד ולנתח אותו.

2. מה המטרה של חיישן גז?

המטרה העיקרית של חיישן גז היא לפקח ולאתר נזילות גז או נוכחות של גזים מסוכנים.זה עוזר להבטיח בטיחות על ידי מתן אזהרות מוקדמות מפני רמות גז מסוכנות, מניעת תאונות והבטחת עמידה בתקנות הבטיחות.

3. מהם היתרונות של חיישן הגז?

חיישני גז הם מכשירים המגלים ומודדים ריכוזי גז באוויר, ומבטיחים בטיחות על ידי מתן אזהרות מוקדמות של גזים מסוכנים.הם מדויקים, מציעים מדידות מדויקות ומשפרים את הבטיחות בסביבות שונות באמצעות גילוי מוקדם.ניתן לשלב חיישני גז במערכות אוטומטיות לניטור רציף, להפחית את הצורך בבדיקות ידניות ולהוריד את עלויות העבודה.הרבגוניות שלהם מאפשרת להם לאתר מגוון רחב של גזים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים רבים, החל ממפעלים תעשייתיים ומעקב סביבתי וכלה בבטיחות למגורים ומסגרות רפואיות.דוגמה לכך היא חיישן פחמן חד חמצני בבתים המתריעים על הדיירים על רמות מסוכנות של גז CO.

4. היכן משתמשים בחיישני גז?

חיישני גז נמצאים בשימוש נרחב בכל ענפים ומסגרות שונות, כולל ניטור גזים במפעלי ייצור, בתי זיקוק ומפעלים כימיים כדי להבטיח בטיחות תעשייתית.מדידת איכות אוויר וגילוי רמות זיהום להגנה על הסביבה.איתור דליפות פחמן חד חמצני וגז טבעי בבתים לבטיחות מגורים.ניטור גזי נשימה במסגרת הבריאות.וגילוי פליטת גז ברכבים כדי להבטיח עמידה בתקני הסביבה.

5. מהי דוגמא לחיישן גז?

דוגמה נפוצה לחיישן גז היא חיישן הפחמן החד -חמצני (CO) המשמש בבתים.חיישן זה מגלה גז CO, חסר צבע וחסר ריח, ומספק אזעקה כאשר קיימות רמות מסוכנות למניעת הרעלה.

6. כיצד לעבוד חיישן גז?

חיישן גז פועל בכך שהוא נחשף לגז יעד, הקיים אינטראקציה עם חומר הגילוי של החיישן, וגורם לתגובה כימית המשנה את תכונות החיישן.שינוי זה מומר לאות אלקטרוני, אשר מעובד ונמדד אז כדי לספק פלט קריא, כמו ערך מספרי או אזעקה.לדוגמה, חיישן פחמן חד חמצני בבית עוקב ברציפות על האוויר.אם מתגלה גז CO, הוא מגיב עם החיישן, ויוצר איתות אלקטרוני שמעורר אזעקה אם רמות ה- CO גבוהות מדי, ומזהיר אותך מפני הסכנה.

עלינו

ALLELCO LIMITED

Allelco הוא חד-פעמי מפורסם בינלאומי מפיץ שירותי רכש של רכיבים אלקטרוניים היברידיים, המחויב לספק שירותי רכש ושרשרת אספקה מקיפים לרכיבים לתעשיות הייצור וההפצה האלקטרוניות הגלובליות, כולל 500 מפעלי OEM העולמיים והמתווכים העצמאיים.
קרא עוד