گازیاب یا Gas Detector چیست؟

گازیاب یا Gas Detector دستگاهی است که وجود گازهای موجود در یک منطقه را شناسایی می کند. یک گازیاب یا Gas Detector اغلب به عنوان بخشی از یک سیستم ایمنی، می‌تواند در مناطقی که نشت گاز در آن رخ می‌دهد زنگ خطر را برای اپراتورها به صدا درآورد و به آن‌ها فرصت خروج را بدهد. دستگاه گازیاب یا Gas Detector به این دلیل مهم است که گازهای زیادی دارد که می تواند برای زندگی ارگانیک مانند زندگی انسان یا حیوانات مضر باشد.

گازیاب یا Gas Detector چیست؟

گازیاب یا Gas Detector چیست و چه کاربردی دارد؟

گازیاب یا Gas Detector را می‌توان برای تشخیص گازهای که قابلیت اشتعال یا انفجار دارند یا گازهای سمی و کاهش اکسیژن مورد استفاده قرار داد. این نوع دستگاه به طور گسترده در صنعت استفاده می شود و می توان آن را در مکان هایی مانند سکوهای نفتی برای نظارت بر فرآیندهای تولید و فناوری های نوظهور مانند فتوولتائیک یافت. همچنین می‌توان از گازیاب‌ها در آتش‌نشانی استفاده کرد.

تشخیص نشت گاز فرآیند شناسایی نشت گاز بالقوه خطرناک توسط حسگرها است. علاوه بر این، شناسایی بصری را می توان با استفاده از یک دوربین حرارتی انجام داد. همچنین قرار گرفتن در معرض گازهای سمی می‌تواند کارهایی مانند رنگ آمیزی، بخور، پر کردن سوخت، ساخت و ساز، حفاری خاک های آلوده، عملیات دفن زباله، ورود به فضاهای محدود و غیره رخ دهد.

اخیراً حسگرهای گاز الکتروشیمیایی و حسگرهای نیمه هادی اکسید فلزی (MOS) و سنسورهای تصویربرداری مادون قرمز برای تشخیص گاز مورد استفاده قرار گرفته اند.

همه این حسگرها برای طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شوند و می توان آنها را در کارخانه های صنعتی، پالایشگاه ها، تولید دارو، تاسیسات بخور، کارخانه های خمیر کاغذ، تاسیسات هواپیما و کشتی سازی، تاسیسات تصفیه فاضلاب، وسایل نقلیه، تست کیفیت هوای داخلی خانه‌ها پیدا کرد.

تاریخچه گازیاب یا Gas Detector

روش های تشخیص نشت گاز پس از کشف اثرات گازهای مضر بر سلامت انسان به یک نگرانی تبدیل شد. قبل از سنسورهای الکترونیکی مدرن، روش‌های تشخیص زودهنگام به آشکارسازهایی با دقت کمتر متکی بودند. در طول قرن 19 و اوایل قرن 20، معدنچیان زغال سنگ قناری ها را به عنوان یک سیستم تشخیص زودهنگام در برابر گازهای تهدید کننده حیات مانند دی اکسید کربن، مونوکسید کربن و متان به داخل تونل ها می آوردند. قناری که معمولاً پرنده ای بسیار خوش آواز است، اگر از این گازها خارج نشود، آواز خواندن را متوقف می کند و در نهایت می میرد و به معدنچیان سیگنال می دهد که به سرعت از معدن خارج شوند.

اولین آشکارساز گاز در عصر صنعتی، لامپ ایمنی شعله (یا لامپ دیوی) بود که توسط سر همفری دیوی (از انگلستان) در سال 1815 اختراع شد تا وجود متان (دمپ آتش یا firedamp) را در معادن زغال سنگ زیرزمینی تشخیص دهد. لامپ ایمنی شعله شامل یک شعله روغن بود که در هوای تازه به ارتفاع خاص تنظیم می شد. برای جلوگیری از اشتعال با این لامپ ها، شعله در داخل یک آستین شیشه ای با یک شعله گیر مشبک قرار داشت. ارتفاع شعله بسته به وجود متان (بالاتر) یا کمبود اکسیژن (کمتر) متفاوت بود. تا به امروز، در نقاط خاصی از جهان، لامپ های ایمنی شعله هنوز در خدمت هستند.

عصر مدرن گازیاب یا Gas Detector در سال‌های 1927-1926 با توسعه حسگر احتراق کاتالیوزوری (LEL) توسط دکتر الیور جانسون (Oliver Johnson) آغاز شد.

دکتر جانسون کارمند شرکت استاندارد روغن در کالیفرنیا (شورون کنونی) بود. او تحقیق و توسعه روشی را برای تشخیص مخلوط های قابل احتراق در هوا برای کمک به جلوگیری از انفجار در مخازن ذخیره سوخت آغاز کرد. یک مدل نمایشی در سال 1926 توسعه یافت و به عنوان مدل A مشخص شد. اولین متر عملی “نشانگر بخار الکتریکی” در سال 1927 با عرضه مدل B شروع به تولید کرد.

اولین شرکت تشخیص گاز در جهان، Johnson-Williams Instruments (یا J-W Instruments) در سال 1928 در پالو آلتو، کالیفرنیا توسط دکتر الیور جانسون و فیل ویلیامز تاسیس شد. شرکت J-W Instruments به عنوان اولین شرکت الکترونیکی در سیلیکون ولی شناخته شده است. در طول 40 سال بعد، J-W Instruments پیشگام بسیاری از “اولین‌ها” در عصر مدرن گازیاب بود، از جمله کوچک‌تر کردن و قابل حمل‌تر کردن ابزارها، توسعه یک گازیاب اکسیژن قابل حمل و همچنین اولین ابزار ترکیبی که می‌توانست گازها/بخارهای قابل احتراق را شناسایی کند.

قبل از توسعه گازیاب‌های الکترونیکی مونوکسید کربن خانگی در دهه‌های 1980 و 1990، حضور مونوکسید کربن با یک کاغذ تزریق شده شیمیایی که در معرض گاز قهوه‌ای می‌شد، شناسایی می‌شد. از آن زمان، بسیاری از فن‌آوری‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی برای شناسایی، نظارت و هشدار نشت طیف وسیعی از گازها توسعه یافته‌اند.

با بهبود هزینه و عملکرد سنسورهای گاز الکترونیکی، آنها در طیف وسیع تری از سیستم ها گنجانده شده اند. استفاده از آنها در خودروها در ابتدا برای کنترل آلایندگی موتور بود، اما اکنون ممکن است از حسگرهای گاز نیز برای اطمینان از راحتی و ایمنی مسافران استفاده شود. حسگرهای دی اکسید کربن به عنوان بخشی از سیستم های تهویه کنترل شده با تقاضا در ساختمان ها نصب می شوند. سیستم‌های حسگر گاز پیچیده برای استفاده در سیستم‌های تشخیص پزشکی، نظارت و درمان، فراتر از استفاده اولیه آنها در اتاق‌های عمل، در حال تحقیق هستند. مانیتورهای گاز و آلارم‌های مونوکسید کربن و سایر گازهای مضر به طور فزاینده‌ای برای استفاده اداری و خانگی در دسترس هستند و از نظر قانونی در برخی از حوزه‌های قضایی مورد نیاز هستند.

در حقیقت گازیاب‌ها برای تشخیص یک گاز تولید می شدند. واحدهای مدرن ممکن است چندین گاز سمی یا قابل احتراق یا حتی ترکیبی را تشخیص دهند. آنالایزرهای گاز جدیدتر می توانند سیگنال های اجزای یک عطر پیچیده را برای شناسایی چندین گاز به طور همزمان تجزیه کنند.

حسگرهای Metal–oxide–semiconductor (MOS) در دهه 1990 معرفی شدند. اولین سنسور گاز MOS شناخته شده توسط G. Sberveglieri، G. Faglia، S. Groppelli، P. Nelli و A. Camanzi در سال 1990 معرفی شد.  سنسورهای MOS از آن زمان به گازیاب‌های محیطی مهم تبدیل شدند.

انواع گازیاب یا Gas Detector

گازیاب‌ها را می‌توان بر اساس مکانیسم عملکرد (نیمه هادی، اکسیداسیون، کاتالیزوری، فوتیونیزاسیون، مادون قرمز و غیره) طبقه بندی کرد.  آشکارسازهای گاز به دو شکل اصلی بسته بندی می شوند: دستگاه های قابل حمل و گازیاب‌های ثابت.

گاز دتکتور‌های قابل حمل برای نظارت بر اتمسفر اطراف پرسنل استفاده می شود و یا به صورت دستی یا روی لباس یا روی کمربند استفاده می شود. این Gas Detectorها معمولاً با باتری کار می کنند. آنها هشدارها را از طریق سیگنال های شنیداری و قابل مشاهده، مانند زنگ هشدار و چراغ های چشمک زن، هنگامی که سطوح خطرناک بخارات گاز شناسایی می شوند، منتقل می کنند.

گازیاب‌های نوع ثابت ممکن است برای تشخیص یک یا چند نوع گاز استفاده شوند. آشکارسازهای نوع ثابت معمولاً در نزدیکی منطقه فرآیند یک کارخانه یا اتاق کنترل، یا منطقه ای که باید محافظت شود، مانند اتاق خواب مسکونی نصب می شوند. به طور کلی، سنسورهای صنعتی بر روی سازه های فولادی نرم از نوع ثابت نصب می شوند و یک کابل آشکارسازها را به یک سیستم کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها (SCADA) برای نظارت مستمر متصل می کند. برای مواقع اضطراری می توان یک اینترلاک تریپ را فعال کرد.

گازیاب ثابث Bosean K-G60

گاز دتکتور فوتیونیزاسیون (Photoionization Gas Detector)

گازیاب‌های فوتیونیزاسیون (PID) از یک لامپ UV با انرژی فوتون بالا برای یونیزه کردن مواد شیمیایی در گاز نمونه استفاده می کنند. اگر ترکیب دارای انرژی یونیزاسیون کمتر از فوتون های لامپ باشد، یک الکترون خارج می شود و جریان حاصل با غلظت ترکیب متناسب است.

انرژی فوتون‌های معمول لامپ شامل ev 10.0، 10.6 ev، و 11.7 ev است. لامپ استاندارد 10.6 ev برای سال ها کار می کند، در حالی که لامپ 11.7 ev معمولاً فقط چند ماه دوام می آورد و تنها زمانی استفاده می شود که گزینه دیگری در دسترس نباشد. طیف وسیعی از ترکیبات را می توان در سطوحی از چند قسمت در میلیارد (ppb) تا چندین هزار قسمت در میلیون (ppm) شناسایی کرد.

طبقات ترکیبات قابل تشخیص به ترتیب کاهش حساسیت عبارتند از:

• آروماتیک و آلکیل یدیدها
• الفین ها
• ترکیبات گوگردی
• آمین ها
• کتون ها
• اترها
• آلکیل برومیدها و استرهای سیلیکات
• استرهای آلی
• الکل ها
• آلدئیدها و آلکان ها
• سولفید هیدروژن
• آمونیاک
• فسفین و اسیدهای آلی

هیچ پاسخی به اجزای استاندارد هوا یا اسیدهای معدنی وجود ندارد. مزایای عمده PID ها حساسیت عالی و سادگی استفاده آنهاست. محدودیت اصلی این است که اندازه گیری ها مختص ترکیب نیستند. اخیراً PIDهایی با لوله های پیش فیلتر معرفی شده اند که ویژگی ترکیباتی مانند بنزن یا بوتادین را افزایش می دهند. PIDهای ثابت، دستی و مینیاتوری با گیره لباس به طور گسترده برای نظارت بر بهداشت صنعتی، هضمات و محیط زیست استفاده می شود.

گاز دتکتور نقطه مادون قرمز (Infrared pointer Gas Detector)

حسگرهای نقطه ای مادون قرمز (IR) از تابش عبوری از یک حجم مشخص گاز استفاده می کنند. انرژی حاصل از پرتو حسگر بسته به خواص گاز خاص در طول موج های خاصی جذب می شود. به عنوان مثال، مونوکسید کربن طول موج های حدود 4.2-4.5 میکرومتر را جذب می کند. انرژی در این طول موج با طول موج خارج از محدوده جذب مقایسه می شود. تفاوت انرژی بین این دو طول موج متناسب با غلظت گاز موجود است.

این نوع سنسور مزیت دارد زیرا برای تشخیص آن نیازی به قرار دادن آن در گاز نیست و می توان از آن برای سنجش از راه دور استفاده کرد. حسگرهای نقطه مادون قرمز را می توان برای شناسایی هیدروکربن ها و دیگر گازهای فعال مادون قرمز مانند بخار آب و دی اکسید کربن استفاده کرد. همچنین قابلیت سنجش از راه دور امکان نظارت بر حجم زیادی از فضا را فراهم می کند.

آلایندگی موتور یکی دیگر از زمینه هایی است که سنسورهای IR در حال تحقیق هستند. این حسگر سطوح بالای مونوکسید کربن یا سایر گازهای غیرعادی را در اگزوز خودرو تشخیص می‌دهد و حتی با سیستم‌های الکترونیکی خودرو برای اطلاع رانندگان ادغام می‌شود.

گاز دتکتور تصویربرداری مادون قرمز (Infrared imaging Gas Detector)

سنسورهای تصویر مادون قرمز شامل سیستم‌های فعال و غیرفعال هستند. برای سنجش فعال، سنسورهای تصویربرداری IR معمولاً یک لیزر را در سراسر میدان دید یک صحنه اسکن می‌کنند و به دنبال نور پس پراکنده در طول موج خط جذب یک گاز هدف خاص می‌گردند.

سنسورهای تصویربرداری IR غیرفعال تغییرات طیفی را در هر پیکسل در یک تصویر اندازه گیری می کنند و به دنبال نشانه های طیفی خاصی می گردند که حضور گازهای هدف را نشان می دهد. انواع ترکیباتی که می توان تصویربرداری کرد مانند ترکیباتی است که با آشکارسازهای نقطه مادون قرمز قابل تشخیص است، اما این تصاویر ممکن است در شناسایی منبع گاز مفید باشند.

گاز دتکتور نیمه هادی (Semiconductor Gas Detector)

حسگرهای نیمه هادی که به عنوان حسگرهای فلز-اکسید-نیمه هادی (MOS) نیز شناخته می شوند،گازها را با یک واکنش شیمیایی که در تماس مستقیم گاز با حسگر رخ می دهد، تشخیص می دهند. دی اکسید قلع رایج ترین ماده ای است که در حسگرهای نیمه هادی استفاده می شود، و مقاومت الکتریکی در حسگر هنگام تماس با گاز نظارت شده کاهش می یابد.

مقاومت دی اکسید قلع معمولاً در هوا حدود 50 کیلو اهم است اما در حضور 1 درصد متان می تواند به حدود 3.5 کیلو اهم کاهش یابد. تغییر مقاومت او برای محاسبه غلظت گاز استفاده می شود. سنسورهای نیمه هادی معمولاً برای تشخیص هیدروژن، اکسیژن، بخار الکل و گازهای مضر مانند مونوکسید کربن استفاده می شوند. یکی از رایج ترین کاربردهای سنسورهای نیمه هادی در سنسورهای مونوکسید کربن است. آنها همچنین در دستگاه های الکل استفاده می شوند. از آنجایی که حسگر باید با گاز در تماس باشد تا آن را تشخیص دهد، حسگرهای نیمه هادی در فاصله کمتری نسبت به آشکارسازهای نقطه مادون قرمز یا اولتراسونیک کار می کنند.

حسگرهای MOS می توانند گازهای مختلفی مانند مونوکسید کربن، دی اکسید گوگرد، سولفید هیدروژن و آمونیاک را شناسایی کنند. از دهه 1990، حسگرهای MOS به آشکارسازهای گاز محیطی مهم تبدیل شدند. اگرچه بیشتر سنسورهای MOS همه کاره هستند، اما از مشکل حساسیت متقاطع با رطوبت رنج می برند. علت چنین رفتاری به برهمکنش یون های هیدروکسیل با سطح اکسید نسبت داده شده است. تلاش هایی برای کاهش چنین تداخلی با استفاده از بهینه سازی الگوریتمی انجام شده است.

گاز دتکتور اولتراسونیک (Ultrasonic Gas Detector)

گازیاب‌های اولتراسونیک به خودی خود گازیاب نیستند. آنها تشعشعات صوتی ایجاد شده را هنگامی که گاز تحت فشار در یک منطقه کم فشار از طریق یک روزنه کوچک (نشتی) منبسط می شود، تشخیص می دهند. آنها از حسگرهای صوتی برای تشخیص تغییرات در نویز پس زمینه محیط آن استفاده می کنند. از آنجایی که بیشتر نشت گازهای پرفشار صدا در محدوده فراصوت 25 کیلوهرتز تا 10 مگاهرتز تولید می کنند، سنسورها می توانند به راحتی این فرکانس ها را از نویز صوتی پس زمینه که در محدوده شنیداری 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز رخ می دهد، تشخیص دهند. گازیاب اولتراسونیک سپس زمانی که انحراف اولتراسونیک از وضعیت عادی نویز پس‌زمینه وجود دارد، زنگ هشدار ایجاد می‌کند.

گاز دتکتور اولتراسونیک نمی توانند غلظت گاز را اندازه گیری کنند، اما دستگاه قادر به تعیین میزان نشت گاز فراری است زیرا سطح صدای اولتراسونیک به فشار گاز و اندازه نشت بستگی دارد. گاز دتکتور اولتراسونیک عمدتاً برای سنجش از راه دور در محیط‌های بیرونی استفاده می‌شوند که شرایط آب و هوایی می‌تواند به راحتی گاز فرار را قبل از رسیدن به گازیاب‌ها که نیاز به تماس با گاز برای تشخیص آن و به صدا درآوردن زنگ خطر دارند، دفع کند.

گازیاب Drager مدل Pac 8500

گاز دتکتور هولوگرافیک (Holographic Gas Detector)

گازیاب‌های هولوگرافیک از بازتاب نور برای تشخیص تغییرات در یک ماتریس فیلم پلیمری حاوی هولوگرام استفاده می کنند. از آنجایی که هولوگرام ها نور را در طول موج های خاصی منعکس می کنند، تغییر در ترکیب آنها می تواند بازتابی رنگارنگ ایجاد کند که نشان دهنده حضور یک مولکول گاز است. با این حال، حسگرهای هولوگرافیک به منابع روشنایی مانند نور سفید یا لیزر و مشاهده گر یا آشکارساز CCD نیاز دارند.

کالیبراسیون گاز دتکتور

تمام گازیاب‌ها گاز باید بر اساس یک برنامه کالیبره شوتستند. از دو فاکتور شکل گازیاب‌ها، دستگاه‌های قابل حمل به دلیل تغییرات منظم در محیطی که تجربه می‌کنند باید بیشتر کالیبره شوند. یک برنامه کالیبراسیون معمولی برای یک سیستم ثابت ممکن است سه ماهه، دوسالانه یا حتی سالانه با واحدهای قوی تر باشد. یک برنامه کالیبراسیون معمولی برای یک گازیاب قابل حمل یک “تست ضربه” روزانه همراه با کالیبراسیون ماهانه است.

تقریباً هر آشکارساز گاز قابل حمل به گاز کالیبراسیون خاصی نیاز دارد در ایالات متحده، اداره ایمنی و بهداشت شغلی (OSHA) ممکن است حداقل استانداردها را برای کالیبراسیون مجدد دوره ای تعیین کند.

تست چالش (bump)

از آنجایی که یک آشکارساز گاز برای ایمنی کارمند/کارگر استفاده می شود، بسیار مهم است که از عملکرد آن مطابق با مشخصات سازنده اطمینان حاصل شود. استانداردهای استرالیا مشخص می کند که به شخصی که با هر گازیاب را کار می کند، به شدت توصیه می شود که عملکرد گازیاب را هر روز بررسی کند و مطابق دستورالعمل ها و هشدارهای سازنده نگهداری و استفاده شود.

یک آزمایش چالشی باید شامل قرار دادن گازیاب در معرض غلظت مشخصی از گاز باشد تا اطمینان حاصل شود که گازیاب پاسخ می‌دهد و آلارم‌های صوتی و تصویری فعال می‌شوند. همچنین مهم است که گازیاب را برای هر گونه آسیب تصادفی یا عمدی با بررسی سالم بودن محفظه و پیچ ها بررسی کنید تا از ورود مایعات و تمیز بودن فیلتر جلوگیری شود که همه این موارد می تواند بر عملکرد گازیاب تأثیر بگذارد.

کیت اصلی کالیبراسیون یا تست چالش شامل گاز کالیبراسیون/تنظیم کننده/ کلاهک کالیبراسیون و شلنگ (که عموماً با گازیاب عرضه می شود) و یک کیس برای ذخیره سازی و حمل و نقل خواهد بود. از آنجایی که از هر 2500 ابزار تست نشده، 1 دستگاه به غلظت خطرناک گاز پاسخ نمی‌دهد، بسیاری از کسب‌وکارهای بزرگ از یک ایستگاه آزمایش/کالیبراسیون خودکار برای آزمایش‌های ضربه‌گیر استفاده می‌کنند و آشکارسازهای گاز خود را روزانه کالیبره می‌کنند.

غلظت اکسیژن

مانیتورهای گاز کمبود اکسیژن برای ایمنی کارکنان و نیروی کار استفاده می شود. مواد برودتی مانند نیتروژن مایع (LN2)، هلیوم مایع (He) و آرگون مایع (Ar) بی اثر هستند و در صورت وجود نشتی می توانند اکسیژن (O2) را در یک فضای محدود جابجا کنند. کاهش سریع اکسیژن می تواند محیط بسیار خطرناکی را برای کارمندان فراهم کند، زیرا ممکن است قبل از از دست دادن ناگهانی هوشیاری متوجه این مشکل نشوند. با در نظر گرفتن این موضوع، داشتن یک مانیتور گاز اکسیژن در هنگام وجود مواد برودتی مهم است. آزمایشگاه ها، اتاق های MRI، داروسازی، نیمه هادی ها و تامین کنندگان برودتی از کاربران معمولی مانیتورهای اکسیژن هستند.

کسر اکسیژن در یک گاز تنفسی توسط حسگرهای اکسیژن الکتروگالوانیکی اندازه گیری می شود. آنها ممکن است به تنهایی مورد استفاده قرار گیرند، برای مثال برای تعیین نسبت اکسیژن در مخلوط نیتروکس مورد استفاده در غواصی، یا به عنوان بخشی از حلقه بازخورد که فشار جزئی اکسیژن را در تنفس مجدد حفظ می کند.

آمونیاک

آمونیاک گازی به طور مداوم در فرآیندهای تبرید صنعتی و فرآیندهای تخریب بیولوژیکی، از جمله تنفس بازدمی کنترل می شود. بسته به حساسیت مورد نیاز، انواع مختلفی از حسگرها استفاده می شود (به عنوان مثال، آشکارساز یونیزاسیون شعله، نیمه هادی، الکتروشیمیایی، غشاهای فوتونی). آشکارسازها معمولاً در نزدیکی حد پایین قرار گرفتن در معرض 25ppm کار می کنند؛ با این حال، تشخیص آمونیاک برای ایمنی صنعتی نیاز به نظارت مداوم بالاتر از حد مواجهه کشنده 0.1٪ دارد.