سنسور گاز مادون قرمز

سنسور گاز مادون قرمز
غلامرضا حسن زاده مجيد بناءشاهوردي
دانشگاه آزاد اسلامي واحد تبريز دانشگاه آزاد اسلامي واحد تبريز
m_b_shahverdi@yahoo.com reza_hasanzade1362@yahoo.com
چكيده : سنسور گاز مادون قرمز با توليد امواج مادون قرمز وتشعشع آن در محدوده اي مشخص مي تواند گاز معين شده را تشخيص دهد . امواج مادون
قرمز در كانالي بنام سلول گازي در حال تابش هستند . هنگامي كه گاز مورد نظر وارد اين سلول گازي شد تحت تابش امواج مادون قرمز قرار مي گيرد .
اين امواج با برخورد با گاز مورد نظر با طول موج معين ، جلوي تابش امواج مادون قرمز را مي گيرد ومانع رسيدن امواج به قمست آشكارساز سنسور مي
شود . هرچه غلظت گاز زياد باشد امواج مادون قرمز رسيده به آشكار ساز كمتر شده و باعث شناسايي گاز مي شود .
NDIR ، IR ، كلمات كليدي : سنسور گاز، مادون قرمز، فيلتر نوري
۱- مقدمه :
اهميت سنسورها ب ه ويژه سنسورهاي گاز در صنعت وفن بر همگان روشن است . امروزه سنسورها نقش بسيار مهمي را در بسياري از جنبه هاي
زندگي روزانه ما بر عهده دارند . سنسورهاي گاز نيز از اين قاعده مستثناء نبوده است . با ظهور وتكامل تكنولوژي ميكرو الكترونيك ، تكنولوژي در مورد
سنسورها نيز صادق بوده است . [ ٣ ] تكنولوژي در مورد سنسورهاي گاز بيش از ٣٠ سال قبل با پيشرفت قطعه اي از كاتاليزر سنسور گاز ( كه پلي استر
گفته مي شود ) پيشرفت كرده است . عكس العمل هاي شيميايي كه توسط سنسور تحليل مي شود ، يك سيگنال الكتريكي ايجاد مي كند كه با
غلظت گاز متناسب است . در سنسورگاز مادون قرمز ، آناليز تراكم گاز توسط امواج مادون قرمز صورت مي گيرد . بدين صورت كه با افزايش غلظت ،
ميزان تابش نور بر آشكار ساز كم شده وباعث ايجاد يك سيگنال الكتريكي براي طبقات بعدي گردد .
۲ - شرح مقاله : عملكرد سنسور گاز عامل مهمي در ايجاد محيط كاري ايمن در صنايع شده است كه مي تواند گازهاي اشتعال زا يا بخارات بر خواسته
شده از مواد را تشخيص دهد . عكس العمل هاي شيميايي كه توسط سنسور تحليل مي شود ، يك سيگنال الكتريكي ايجاد مي كند كه با غلظت گاز
متناسب است . در سنسورگاز مادون قرمز ، آناليز تراكم گاز توسط امواج مادون قرمز صورت مي گيرد . بدين صورت كه با افزايش غلظت ، ميزان تابش
نور بر آشكار ساز كم شده وباعث ايجاد يك سيگنال الكتريكي براي طبقات بعدي گردد . اكثر تكنولوژي موجود در سنسور ها كه در چندين سال اخير
پيشرفت داشته بر اساس نوع واكنش تقسيم بندي مي شوند كه شامل تكنولوژي هايي مانند : الكترو شيميايي ، پلي استرهاي كاتاليزر ، هادي ، نيمه
هادي ها ، مادون قرمز و ... مي باشد .
سنسورها با توجه به ساختار داخلي شان در حالت كلي داراي خواص زير هستند :
الف قابليت برگشت پذيري كامل در تغييرات شيميايي پس از اتمام واكنش .
ب از بين رفتن خاصيت شيميايي پس از مدتي .
ج عدم تمايل براي تجزيه .
[ د مخالفت با عوامل خارجي ديگر . [ ١
٢ - سنسورهاي الكترو شيميايي : -١
موادي در گازها ومايعات مي توانند بطور الكتروشيميايي شناسايي شوند كه واكنش هاي آنها در داخل سل الكتروشيميايي يا اگر در آنها واكنش هاي
نفوذي اتفاق افتاده در سل باشند . كه يك سل الكتروشيميايي شامل يك الكتروليت ، يك الكترود اندازه گيرنده ، يك الكترود همراه ويك الكترود شاهد مي
باشد .
٢ - سنسورهاي پلي استر هاي كاتاليزر : - ٢
براي مثال سنسور هاي كاتاليز ر براي آشكار سازي هيدرو كربن ها يي كه تو سط چندين بخار مواد آلي تركيب يا بطور واضح تر سمي شده اند مورد
استفاده واقع مي شوند . يكي از مشكلاتي كه اين سنسور ها دارند ، اين است كه قبل ازپخش شدن گاز نميتوانند هيچ عملي انجام دهند ، بنابراين
دروضعيت نامشخص باقي مي مانند .
٢ - سنسورهاي هادي : - ٣
در اين سنسورها تاثير متقابل گاز با جامد ( اكسيد فلزي نيمه هادي آلي ) موجب تغيير در هدايت مي شود . يك تغيير در مقاومت همچنين مي
تواند موجب تغيير در دماي مواد سنسور شود . اين سنسور ها داراي حساسيت بالا مي باشند و زمانهاي پاسخ در حد دقيقه دارند . با وجود اين ، آنها درجه
نسبتا بالايي از حساسيت جنبي را نشان مي دهند .
٢ - سنسورهاي نيمه هادي : - ٤
در اين نوع سنسورها تغييرات در لايه دوگانه الكتريكي در يك مرز عايق / فاز فلزي براي اندازه گيري استفاده مي شود .اين سنسور ها بويژه براي
در دماي اتاق مناسب هستند . فلز مورد استفاده شده معمولا در اين سنسورها پالاديم است . زمينه اصلي كاربرد سنسورهاي نيمه هادي ، H تشخيص 2
در پالايشگاه ها ، براي آزمايش ميزان الكل در تنفس وبراي اندازه گيري H2S براي تشخيص ، CO بطور خانگي ، سيستمهاي اخطار براي تشخيص
[ رطوبت نسبي كاربرد دارد . [ ٣
٢ - سنسورهاي مادون قرمز : - ٥
تكنولوژي مادون قرمز به صورت واكنش ناپذير در طبيعت وجود دارد . اين تكنولوژي قبلاَ در دستگاههاي سطح بالا بكار گرفته مي شد وهيچ
انتخابي براي آشكار سازي با حساسيت با لا در كاربردهاي صحيح تشخيص گاز ، در مقادير با لا وجود نداشت . هر چند كه اخيرَا ساختار داخلي طراحي
شده در داخل سنسورها امكان كاربري از اين تكنولوژي با حساسيت با لا را ميسر ساخته است .
سنسورهاي مادون قرمز متشكل از حالات جامد ي هستند كه هيچ تركيب شيميايي با گاز مورد نظر را انجام نمي دهن د . اين سن سورها ميتوانند
شرايط بحراني را تشخيص داده و به كاربراطلاع دهند ، به عبارت ديگر اين سنسورها به عنوان ك نترل ايمني به كار برده مي شوند . تحقيقات نظري در
مورد طراحي آشكار ساز گاز مادون قرمز با محدوده فركانسي مشخص در صفحه بعدي نشان داده شده است .
( شكل – ١ ) مقايسه بين امواج مادون قرمز با امواج ديگر
طيف مادون قرمز از طيف امواجي است كه شامل نورهاي مرئي و امواج فرا بنفش مي شود . طيف م ادون قرمز انرژي گسيل شده در طول
شناخته مي شود . مادون قرمز ( زير قرمز ) نوعي تابش ( Infrared radition ) ٠ تا ١٠٠٠ ميكرومتر كه به عنوان تابش زيرقرمز / موجهاي بين ٧٥
الكترومغناطيسي است كه بر اثر ارتعاش و چرخش اتمها ومولكولهاي ماده در دماهاي بيشتر از صفر مطلق ( صفر درجه كلوين يا ٢٧٣ – درجه
٠/ ١٠٠٠ باشد انرژي گسيل شده به صورت نور قرمز با طول موج حدود ٧٥ k سانتيگراد ) توليد مي شود . اگر دماي منبع تابش كننده بيش از
ميكرومتر قابل رويت است .
عملكرد فركانس ي اين نوسانات وحركات چرخشي قوي تر از پيوند اتصالات بين اتمها ا ست . درطبيعت اي ن فركانسها با فركانس هاي قسمت مياني
طيف م ادون قرمز متناسب هستند . وقتي نوري از امواج اشعة م ادون قرمز تابانيده مي شود ، بيشتر مولكولهاي گاز جذب امواج مادون قرمز با
فركانسهاي درحال چرخش مي شوند . اين توانايي گازهاي معين در برابر جذب امواج مادون قرمز ، استفادة موفقيت آميزي در آشكار سازي گاز در صنايع
پيشرفته دارد .
يك سنسور گاز مادون قرمز شامل يك منبع مادون قرمز ( ساطع كننده امواج شامل طول موج هاي جذب شده بوسيلة گاز معين ) و يك آشكارساز
مادون قرمز كه توسط يك سلول گازي جدا شده است ، اجزاي اساسي در يك سنسور گاز مادون را تشكيل مي دهد . در سنسورهاي غير مخرب
يك منبع مادون قرمز و يك آشكار ساز مادون قرمز بوسيلة يك سلول گاز مشخص از هم جدا شده اند و يك فيلتر ميان گذر ( NDIR ) مادون قرمز
نوري در مقابل صفحة آشكار ساز يا منبع قرار مي گيرد . اين فيلتر تمامي امواج را از خود عبور مي دهد به جز امواجي با طول موجهاي را كه توسط گاز
مورد نظر جذب مي شوند ( فيلتري تشكيل شده از يك تكه شيشه يا ماده شفاف ديگري با عبور انتخابي كه تنها محدوده اي از طول موجهاي خاص را
در طيف مرئي ، فرو سرخ و فرابفش عبور مي دهد ) .
مشخصه خروجي از المان سنسور كه " جذب " ناميده مي شود ، شامل چند در صدي ناحية خالي امواج مادون قرمز است كه آشكار سازي با و
بدون گاز مشخص شده در آن قسمت " جذب " صورت مي گيرد .
و گازي كه علاقه -مند ، Io ( مقدار جذب از نسبت سيگنال هاي مادون قرمز زير گاز صفر (گازي كه نمي تواند جذب مادون قرمز شود مانند نيتروژن
محاسبه مي شود . IG ، به شناسايي آان هستيم
در فرمول ( ١ ) نسبت جذب در سنسور گاز مادون قرمز نشان داده شده است :
( فرمول ( ١
٣ - اجزاي داخلي سنسورگاز مادون قرمز :
L طول مسير 2 L طول مسير 1
فيلتر نوري با فاصله ٢ ميكرو متر لامپ مرجع ٢ لامپ حساس ١
(شكل ٢ ) ساختمان داخلي سنسور
در داخ ل سنس ور دو منبع مادون قرمز وجود دارد كه درشكل – ٢ با نامهاي لامپ ١ ولامپ ٢ مشخص شده است . يك آشكار ساز مادون قرمز و
٤/ يك فيلتر نوري با پهناي باند باريك كه تنها طول موجهاي از ا مواج مادون قرمزرا از خود عبور مي دهد كه توسط گاز مورد نظر جذب شده باشد ( ٢
براي آشكارسازي قرار گرفته اند . براي نمونه وقتي گاز L و 2 L لامپ ١ ولامپ ٢ در سلول گازي با فاصله معين به ترتيب 1 . (CO ميكرون براي 2
كربن غليظ وارد سلول گازي مي شود ، توسط امواج مادون قرمز منتشر شده از دو منبعي كه پشت سرهم قرار دارند جذب مي شوند .
سيگنال لامپ حساس K = ميزان جذب
سيگنال لامپ مرجع C = غلظت گاز
I = امواج مادون قرمز خارج شده از منبع
( فرمول ( ٢
هنگامي كه امواج از لامپ ٢ در مسير كوچكي كه گاز در آن قرار گرفته طي مي كند با كمترين جذب به لامپ ١ مي رسد . نسبت اين سيگنال
متناسب است . هر چند كه سيگنال لامپ ٢ تحت تاثير شرايط محيط ( L1 – L نشان دهندة اين است كه نوع كاركتر هاي جذب با طول موج ( 2
[ است واز طرفي فرسودگي سيستم و عوامل غير قابل پيش بيني شده در عملكرد سنسور تاثير دارد . [ ١
براي مثال در سنسور ، كانالي تعبيه شده كه گازهاي وارد شده به آن را كه باعث تغييراتي در امواج مادون قرمز مي شود را با اندازه گيري نوري
[ محاسبه نمايد . [ ٣
فيلتر فعا ل منبع
پنجره هاي نوري
آشكار ساز
فيلتر اصلي
عدسي فرنل شكافت باريكه
شكل ( ٣ ) نماي از ساختمان داخلي سنسور گاز مادون قرمز
٤ - نحوه اي عملكرد سنسور گاز مادون قرمز :
(شكل ٣ ) نحوة قرار گيري منبع مادون قرمز و آشكار ساز در مسير گاز
٤ حالت قرار گيري گاز - ١
سنسور مادون قرمز با توجه به ( شكل – ٣ ) طوري در مسير گاز مورد نظر قرار ميگيرد كه درداخل امواج و تشعشع مادون قرمز قرار داشته باشد .
سپس در مقابل آشكارساز ماد ون قرمز فيلتر طيفي براي محدود كردن ميدان ديد قرار داده مي شود تا براي آشكار سازي گاز مشخص شده يك نور
مادون قرمز باطول موج مخصوص ارسال نمايد .
( شكل – ٥ ) حالت روشن شدن مادون قرمز
٤ حالت تشعشع امواج - ٢
( شكل – ٥ ) نشان دهنده اينست كه تشعشع امواج مادون قرمز توليد شده در داخل پهناي باندي مشخص در حال نوسان و چرخشند .
( شكل- ٦ ). نحوي بستن پل ارتباطي بين آشكار ساز و منبع
٤ ناحيه بسته شدن پل ارتباطي - ٣
هنگامي كه گاز مشخص شده وارد سنسور مي شود ، بعضي از آنها جذب مادون قرمز شده و مولكول هاي گاز باعث بسته شدن ارتباط بين آشكار
( ساز و منبع مي شود . ( شكل – ٦
( شكل ٧ ) نحوي قرار گيري گاز در محدوده تشعشع مادون قرمز
٤ ناحيه اعلام خطر - ٤
با كاهش ميزان ان تقال امواج به آشكار ساز مادون قرمز ، سنسور توسط مداري تراكم و غلظت گاز را اندازه گيري مي نمايد . با رسيدن به يك حد معين
[ ٢ ] ( كه از قبل تعيين شده است ، براي مثال به يك زنگ خطر براي شنيدن فرمان مي دهد كه خطر گاز وجود دارد . ( شكل – ٧
٥ دياگرامي از نحوه اي كاربرد عملي :
آشكار ساز اصلي سلول گاز منبع
فيلتر اصلي جو سنج
بطرف كاربر
( شكل – ٨ ) دياگرام يك سنسور با مدارات جانبي
جدول ( ١ ) ميزان جذب چند گاز توسط سنسور گاز
طول موج بر حسب نوع گاز , nm
Krypton-Fluoride Excimer 249
Xenon-Chloride Excimer 308
Nitrogen Gas (N2) 337
Organic Dye (in solution) 300 - 1000 (tunable)
Krypton Ion 335 - 800
Argon Ion 450 - 530 (488 & 514.5 strongest)
Helium Neon 543, 632.8, 1150
Semiconductor (GaInP family) 670 - 680
آشكار ساز حساس
فيلتر حسا س گاز ورودي گاز خروجي
Ruby 694
Semiconductor (GaAlAs family) 750 - 900
Neodymium YAG 1064
Semiconductor (InGaAsP family) 1300 - 1600
Hydrogen-Fluoride Chemical 2600 - 3000
Carbon Dioxide 9000 - 1100 (main line 10,600)
۶ - نتيجه گيري :
سنسوري كه در اين مقاله مورد بررسي قرار گرفت ، قابليت تشخيص گاز هاي مختلف راداراست وميتواند با پرتوهاي مادون قرمز كه از خود ساطع
مي كند . گاز مورد نظر را تشخيص دهد . آشكار سازهاي زير قرمز ( مادون قرمز ) فوتوني اگر چه حسايست بالا وثابت زماني سريعي دارند اما حساسيت
آنها تنها در گستره باريكي از طول م وجها در منطقه مادون قرمز نزديك است و نيز بايد در دماهاي بخصوصي كار كنند . آشكارسازهاي مادون قرمز
گرمايي با جذب انرژي مادون قرمز موجب افزايش دما و تغيير يك ويژگي الكتريكي نظير مقاومت مي شود .
۷ - مراجع :
[ 1 ] - www.ti.com ( Texas Insruments )
[ 2 ] - www.ion-optics.com
[ 3 ] - www.generalmonitors.com
. ٤ ] - اصول و كاربرد سنسورها , پيتر هاپتمن , ترجمه مهندس نويد تقي زادگان و مهندس مهران صباحي , انتشارات آشينا , مهر ۷۸ ]
  

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: