سنسور گاز مادون قرمز

1. بسم الله الرحمن الرحیم سنسور گاز مادون قرمز استاد راهنما : استاد طوسي ارائه دهنده : سيد مهدي حسيني

2. 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 مادونقرمز 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 .

3. 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 مابرعهده دارند . سنسورهاي گاز نيز از اين قاعده مستثناء نبوده است .باظهوروتكامل تكنولوژي ميكرو الكترونيك ، تكنولوژي در موردسنسورها نيز صادق بوده است .تكنولوژي در مورد سنسورهاي گاز بيش از ٣٠ سال قبل با پيشرفت قطعه اي از كاتاليزر سنسور گاز ( كه پلي استرگفته مي شود ) پيشرفت كرده است . عكس العمل هاي شيميايي كه توسط سنسور تحليل مي شود ، يك سيگنال الكتريكي ايجاد مي كند كه باغلظت 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 .

4. 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 .

5. سنسورها با توجه به ساختار داخلي شان در حالت كلي داراي خواص زير هستند : الف ـ قابليت برگشت پذيري كامل در تغييرات شيميايي پس از اتمام واكنش . ب ـ از بين رفتن خاصيت شيميايي پس از مدتي . ج ـ عدم تمايل براي تجزيه . د ـ مخالفت با عوامل خارجي ديگر .

6. 1ـ2ـ سنسورهاي الكترو شيميايي : 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 . ٢-2- سنسورهاي پلي استر هاي كاتاليزر : 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 مورداستفاده 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 . 3ـ2- سنسورهاي هادي : 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 باشندوزمانهاي پاسخ در حد دقيقه دارند . با وجود اين ، آنها درجه نسبتا بالايي از حساسيت جنبي را نشان مي دهند .

7. 4ـ2ـ سنسورهاي نيمه هادي : 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 تشخيص H2 در دماي اتاق مناسب هستند . فلز مورد استفاده شده معمولا در اين سنسورها پالاديم است . زمينه اصلي كاربرد سنسورهاي نيمه هادي ، بطور خانگي ، سيستمهاي اخطار براي تشخيص CO، راي تشخيص H2S در پالايشگاه ها ، براي آزمايش ميزان الكل در تنفس وبراي اندازه گيري رطوبت نسبي كاربرد دارد . 5ـ2ـ سنسورهاي مادون قرمز : 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 درمورد طراحي آشكار ساز گاز مادون قرمز با محدوده فركانسي مشخص در صفحه بعدي نشان داده شده است .

8. ( شكل – ١ ) مقايسه بين امواج مادون قرمز با امواج ديگر

9. 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 موجهاي بين0/75تا1000 ميكرومتر كه به عنوان تابش زيرقرمز (Infrared radition ) شناخته مي شود . مادون قرمز ( زير قرمز ) نوعي تابش الكترومغناطيسي است كه بر اثر ارتعاش و چرخش اتمها ومولكولهاي ماده در دماهاي بيشتر از صفر مطلق ( صفر درجه كلوين يا ٢٧٣ – درجه سانتيگراد ) توليد مي شود . اگر دماي منبع تابش كننده بيش ازk1000 باشد انرژي گسيل شده به صورت نور قرمز با طول موج حدود0/75 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 .

10. يك سنسور گاز مادون قرمز شامل يك منبع مادون قرمز ( ساطع كننده امواج شامل طول موج هاي جذب شده بوسيلة گاز معين ) و يك آشكارسازمادون قرمز كه توسط يك سلول گازي جدا شده است ، اجزاي اساسي در يك سنسور گاز مادون را تشكيل مي دهد . در سنسورهاي غير مخرب مادون قرمز (NDIR ) 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 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 گازمورد 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 رادر 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 وبدون گاز مشخص شده در آن قسمت " جذب " صورت مي گيرد . مقدار جذب از نسبت سيگنال هاي مادون قرمز زير گاز صفر (گازي كه نمي تواند جذب مادون قرمز شود مانند نيتروژن) Io، و گازي كه علاقه مند به شناسايي آن هستيم IG محاسبه مي شود .

11. در فرمول ( ١ ) نسبت جذب در سنسور گاز مادون قرمز نشان داده شده است : فرمول(1)

12. - اجزاي داخلي سنسورگاز مادون قرمز : طول مسير 2L طول مسيرL1 لامپ حساس1 لامپ مرجع2 فيلتر نوري با فاصله ٢ ميكرو متر (شكل ٢ ) ساختمان داخلي سنسور

13. 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 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(4/2 ميكرون براي (CO2 لامپ ١ ولامپ ٢ در سلول گازي با فاصله معين به ترتيب 1 L و 2 L براي آشكارسازي قرار گرفته اند . براي نمونه وقتي گاز كربن غليظ وارد سلول گازي مي شود ، توسط امواج مادون قرمز منتشر شده از دو منبعي كه پشت سرهم قرار دارند جذب مي شوند .

14. منبع فيلتر فعا ل پنجره هاي نوري آشكار ساز فيلتر اصلي شكافت باريكه عدسي فرنل شكل ( ٣ ) نماي از ساختمان داخلي سنسور گاز مادون قرمز

15. (شكل ٣ ) نحوة قرار گيري منبع مادون قرمز و آشكار ساز در مسير گاز

16. 4 ـ دياگرامي از نحوه اي كاربرد عملي : گاز خروجي گاز ورودي فيلتر حسا س آشكار ساز حساس منبع آشكار ساز اصلي سلول گاز جو سنج فيلتر اصلي بطرف كاربر ( شكل – ٨ ) دياگرام يك سنسور با مدارات جانبي

17. جدول ( ١ ) ميزان جذب چند گاز توسط سنسور گاز

19. 5 - 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 قرمزگرمايي با جذب انرژي مادون قرمز موجب افزايش دما و تغيير يك ويژگي الكتريكي نظير مقاومت مي شود .

20. 6 - مراجع : [ 1 ] - www.ti.com ( Texas Insruments ) [ 2 ] - www.ion-optics.com [ 3 ] - www.generalmonitors.com [ 4 ] ـ اصول و كاربرد سنسورها , پيتر هاپتمن , ترجمه مهندس نويد تقي زادگان و مهندس مهران صباحي , انتشارات آشينا , مهر ۷۸.

21. پایان