مستشعرات الغاز: أنواع ومبادئ الاختيار

حساس الغاز هو نوع من المحولات التي تحول الجزء الحجمي من غاز معين إلى إشارة كهربائية مقابلة.

يقوم المسبار بتهيئة عينة الغاز من خلال مستشعر الغاز، وعادةً ما يتضمن ذلك إزالة الشوائب والغازات المتداخلة، بالإضافة إلى معالجة التجفيف أو التبريد لجزء عرض الجهاز.

إنه جهاز يقوم بتحويل معلومات مكونات الغاز وتركيزه والبيانات الأخرى إلى معلومات يمكن استخدامها من قبل الموظفين والأدوات وأجهزة الكمبيوتر وغيرها!

تُصنف مجسات الغاز بشكل عام كنوع من المجسات الكيميائية، على الرغم من أن هذا التصنيف قد لا يكون علميًا تمامًا.

I. أنواع مجسات الغازات

فيما يلي أنواع مستشعرات الغازات:

1. مستشعر الغازات الحرارية

يعد مستشعر الغازات الحرارية أحد أوائل مستشعرات الغازات المطورة والقادرة على اكتشاف الغازات المختلفة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين وغيرها.

يتكون من مسبار ثرموبيل حراري ولوحة دارة؛ يكتشف مسبار الثرموبيل الحراري تركيز الغاز، وتنقل لوحة الدارة هذه الإشارات إلى شاشة العرض ليتمكن المستخدم من عرض نتائج الكشف.

2. مستشعر الغازات الضوئي

جهاز استشعار الغازات الضوئية هو أحد أحدث أجهزة استشعار الغازات، وهو قادر أيضًا على اكتشاف الغازات المختلفة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين وغيرها.

يتألف المجس البصري من مجس بصري ولوحة دارة؛ يكتشف المجس البصري تركيز الغاز، ويرسل إشارات إلى لوحة الدارة ليتمكن المستخدم من عرض نتائج الكشف.

3. جهاز استشعار الغازات الكهروكيميائية

مستشعر الغازات الكهروكيميائية هو نوع شائع من مستشعرات الغازات التي يمكنها اكتشاف الغازات المختلفة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين وغيرها.

وهو يتكون من مسبار كهروكيميائي ولوحة دارة؛ حيث يكتشف المسبار الكهروكيميائي تركيز الغاز، وتنقل لوحة الدائرة هذه الإشارات إلى شاشة العرض ليتمكن المستخدمون من فحص نتائج الكشف.

4. جهاز استشعار الغازات المعدنية

حساس الغاز المعدني هو نوع آخر شائع من حساسات الغاز، وهو قادر على اكتشاف الغازات المختلفة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين وغيرها.

وهو يتألف من مسبار معدني ولوحة دارة كهربائية؛ حيث يكتشف المسبار المعدني تركيز الغاز، وتنقل لوحة الدائرة الكهربائية هذه الإشارات إلى الشاشة ليتمكن المستخدمون من عرض نتائج الكشف.

5. جهاز استشعار الغازات بالأشعة تحت الحمراء

جهاز استشعار الغاز بالأشعة تحت الحمراء هو نوع جديد من أجهزة استشعار الغاز، قادر على اكتشاف الغازات المختلفة مثل ثاني أكسيد الكربون والميثان والأكسجين وغيرها.

وهو يتكون من مسبار أشعة تحت حمراء ولوحة دارة؛ حيث يكتشف مسبار الأشعة تحت الحمراء تركيز الغاز، وتنقل لوحة الدائرة هذه الإشارات إلى شاشة العرض ليتمكن المستخدم من عرض نتائج الكشف.

الثاني. مبادئ اختيار مستشعر الغازات

حساس الغاز هو جهاز يحول الجزء الحجمي من غاز معين إلى إشارة كهربائية مقابلة. وفيما يلي مقدمة مفصلة لمبادئ اختيار حساس الغاز.

1. تحديد نوع المستشعر بناءً على كائن القياس والبيئة

بالنسبة لمهمة قياس محددة، يجب على المرء أولاً التفكير في نوع مستشعر الغاز الذي يجب استخدامه، والذي لا يمكن تحديده إلا بعد تحليل العوامل المختلفة. حتى عند قياس نفس الكمية الفيزيائية، هناك أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار للاختيار من بينها.

يعتمد مدى ملاءمة المستشعر على خصائص الجسم المقاس وظروف استخدام المستشعر، بما في ذلك عوامل مثل حجم النطاق، ومتطلبات حجم المستشعر في موقع القياس، وما إذا كان القياس تلامسيًا أو غير تلامسي، وطريقة إخراج الإشارة، ومصدر المستشعر، والتكلفة.

بعد النظر في هذه العوامل، يمكن للمرء تحديد نوع المستشعر الذي يجب استخدامه ثم النظر في مؤشرات الأداء الخاصة به.

2. اختيار الحساسية

بشكل عام، ضمن النطاق الخطي لجهاز الاستشعار، يفضل استخدام حساسية أعلى. ينتج عن الحساسية العالية إشارات خرج أكبر تتوافق مع التغيرات في المتغير المقيس، مما يسهل معالجة الإشارة.

ومع ذلك، قد يلتقط المستشعر ذو الحساسية العالية أيضًا بسهولة ضوضاء لا علاقة لها بالقياس، والتي يمكن تضخيمها والتأثير على دقة القياس. ولذلك، يجب أن يكون للمستشعر نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية لتقليل الاضطرابات من العالم الخارجي.

تكون حساسية المستشعر اتجاهية. إذا كان الجسم المقيس كمية أحادية الاتجاه واتجاهه مهم، فيجب اختيار جهاز استشعار ذي حساسية منخفضة في الاتجاهات الأخرى.

إذا كان الجسم المقيس عبارة عن متجه متعدد الأبعاد، يُفضل استخدام مستشعر ذي حساسية متقاطعة أصغر.

3. خصائص استجابة التردد

تحدد خصائص استجابة التردد للمستشعر نطاق تردد القياس. ويجب أن يحافظ على ظروف قياس غير مشوهة ضمن نطاق التردد المسموح به.

في الممارسة العملية، يكون لاستجابة المستشعر دائمًا تأخير، ومن المستحسن أن يكون هذا التأخير قصيرًا قدر الإمكان. يمكن للمستشعر ذو الاستجابة عالية التردد قياس نطاق واسع من ترددات الإشارة.

نظرًا للخصائص الهيكلية للأنظمة الميكانيكية، والتي غالبًا ما يكون لها قصور ذاتي كبير، فإن أجهزة الاستشعار ذات التردد المنخفض أكثر ملاءمة لقياس الإشارات ذات التردد المنخفض.

في القياسات الديناميكية، يجب أن تتطابق خصائص الاستجابة مع خصائص الإشارة (الحالة المستقرة، العابرة، العشوائية، إلخ) لتجنب الأخطاء المفرطة.

4. المدى الخطي

يشير النطاق الخطي للمستشعر إلى النطاق الذي يتناسب فيه الخرج مع الدخل. ومن الناحية النظرية، تظل الحساسية ثابتة ضمن هذا النطاق. يشير النطاق الخطي الأوسع إلى نطاق قياس أكبر ويضمن دقة قياس معينة.

عند اختيار المستشعر، يجب التحقق أولاً مما إذا كان نطاقه يفي بالمتطلبات بمجرد تحديد نوعه.

ومع ذلك، في الواقع، لا يمكن لأي مستشعر أن يضمن خطية ممتازة، والخطية أمر نسبي.

عندما تكون دقة القياس المطلوبة منخفضة نسبيًا، ضمن نطاق معين، يمكن تقريب المستشعرات ذات الأخطاء الصغيرة غير الخطية على أنها خطية، مما يبسط عملية القياس إلى حد كبير.

5. الاستقرار

يشير الاستقرار إلى قدرة المستشعر على الحفاظ على أدائه دون تغيير بعد فترة من الاستخدام.

لا تشمل العوامل التي تؤثر على الاستقرار طويل الأجل لجهاز الاستشعار ليس فقط بنية جهاز الاستشعار نفسه ولكن أيضًا بيئة استخدامه. ولذلك، يجب أن يتمتع جهاز استشعار الغاز بقدرة قوية على التكيف البيئي لضمان ثبات جيد.

قبل اختيار جهاز استشعار، يجب على المرء قبل اختيار جهاز الاستشعار، أن يتحرى بيئة تشغيله واختيار جهاز استشعار مناسب أو اتخاذ التدابير المناسبة للحد من التأثيرات البيئية بناءً على هذه البيئة. إن استقرار جهاز الاستشعار له مؤشرات كمية.

بعد تجاوز فترة الاستخدام، يجب إعادة معايرة المستشعر قبل الاستخدام لتحديد ما إذا كان أداؤه قد تغير أم لا.

في الحالات التي يحتاج فيها المستشعر إلى استخدامه لفترة طويلة ولا يمكن استبداله أو معايرته بسهولة، يجب أن يكون للمستشعر المحدد متطلبات ثبات أكثر صرامة وأن يكون قادرًا على تحمل الاختبارات طويلة الأجل.

6. الدقة

الدقة هي مؤشر أداء مهم لجهاز الاستشعار وعامل حاسم يؤثر على دقة القياس لنظام القياس بأكمله. وكلما زادت دقة المستشعر، كلما كانت دقة المستشعر أعلى، كلما كانت تكلفته أعلى.

ولذلك، فإن دقة المستشعر تحتاج فقط إلى تلبية متطلبات الدقة لنظام القياس بأكمله، ولا توجد حاجة لاختيار دقة عالية بشكل مفرط.

وبهذه الطريقة، يمكن للمرء اختيار مستشعر أرخص وأبسط من بين العديد من المستشعرات التي يمكن أن تفي بنفس غرض القياس.

إذا كان الغرض من القياس هو التحليل النوعي، فيجب اختيار جهاز استشعار ذي قابلية عالية للتكرار، ولا حاجة لاختيار جهاز ذي دقة كمية ممتازة.

إذا كان الغرض هو التحليل الكمي وكانت هناك حاجة إلى قيم قياس دقيقة، فيجب اختيار جهاز استشعار بمستوى دقة يلبي المتطلبات.