سامانه f&g چیست؟

با سلام به دوستان ارجمندی که مقالات F&G را دنبال می‌کنند. در فصول قبل لایه درونی کره، ایمنی را به تفصیل مورد بحث قرار دادیم و هم اکنون به لایه ماقبل زیرین یعنی Asset Management & Detection می‌پردازیم که دوستان مشتاق رسیدن به آن بودند. البته این بحث بسیار طولانی است، زیرا تمامی ملزومات و قطعات کنترلی در آن ‌جا دارند و باید به تک‌تک آنها پرداخت. ولی از آنجا که درخصوص آشکارسازهای نشت گاز سوالات بسیاری طرح شد، ابتدا از آنها شروع می‌کنیم و سپس فصل به فصل به کلیه قطعات مثل آشکارسازی دود‌، حرارت‌، شعله و دیگر پارامترهای آتش خواهیم پرداخت. سپس به سراغ تابلوهای کنترل و انواع و اقسام آنها خواهیم رفت و در نهایت به روش طراحی صحیح یک سامانه اعلام حریق می‌پردازیم.

بحث بعدی اطفاء حریق خواهد بود که بسیار طولانی‌تر از این فصل است و شامل تکنولوژی شناخت آتش و طبقه‌بندی انواع آتش خواهد بود. ممکن است از خود بپرسید که آتش انواع و اقسام ندارد و سوختن که عموما همراه با شعله و دود است. ولی خواهید دید که ممکن است آتش‌سوزی نه دود داشته باشد نه شعله. در مجاورت شما اتفاق بیافتد، شما را جزغاله کند و شما از آن خبر نداشته باشید.

لذا به موقع به آن خواهیم پرداخت. پس ابتدا سنسورهای نشت‌یاب گاز:

سنسورهای گاز جهت تشخیص نشت گازهای سمی Toxic Gas Sensor و گازهای قابل احتراق Combustible Gas Sensor به چند روش ساخته می‌شوند که هر کدام مناسب تشخیص یک یا چند نوع گاز هستند. انواع متداول آنها را به شما معرفی می‌کنیم. لیکن چیزی که در همگی آنها مشترک است،

درجه‌بندی میزان گاز است که می‌تواند به صورت‌های زیر انجام شود:

• انداره‌گیری میزان PPM یا جزء در میلیون که معمولاً در رابطه با واحد حجم نمایان می‌شود. مثلاً میلی‌گرم بر لیتر
• اندازه‌گیری در‌صد حجمی Volume rating
• اندازه‌گیری در مقایسه با کمترین حد انفجار lower explosive limit (LEL)
• اندازه‌گیری در مقایسه با بالاترین حد انفجار upper explosive limit (UEL)

شکل ۰۱

سنسورهای تشخیص گاز الکتروشیمیائی Electrochemical Gas Sensors

همانگونه که از اسم آنها پیداست، مبنای کار این سنسورها، تغییرات شیمیائی به وجود آمده در اثر ورود گاز به داخل محفظه اندازه‌گیری آنهاست. این نوع سنسور از چهار بخش تشکیل می‌شود. دو الکترود حسگر‌، یک الکترود شمارش‌گر و یک هادی یونی. این الکترود می‌تواند جامد یا مایع باشد. در حالت عادی همانگونه که از شکل پیدا است، سنسور در حالت تعادل قرار دارد و هیچ‌گونه جریانی از مدار الکتریکی متصل به آن عبور نمی‌کند. وقتی گاز سمی وارد محفظه سنجش می‌شود (مثلاً گاز منو‌اکسید‌کربن CO‌) و در مجاورت سنسورهای سنجش قرار می‌گیرد، در اثر ملکول‌های آب موجود در هوا، در آن اکسیداسیون بوجود می‌آید. یعنی گاز ورودی اکسیده می‌شود. به فرمول زیر دقت فرمائید (فرمول ۱‌)

CO + H_۲O → CO_۲＋ ۲H⁺ + ۲e^– …（۱）

شکل ۲

در اثر این اکسیداسیون الکترود سنجش به الکترود شمارش‌گر اتصال کوتاه شده و موجب عبور جریان در داخل الکترود شمارش‌گر و به وجود آمدن پروتون (H+) می‌شود.

از طرفی تأثیر آن بر الکترود یونی، موجب واکنش دیگری می‌گردد که حاصل آن یون منفی است‌. به فرمول دوم توجه فرمائید:

（۱/۲）O_۲ + ۲H⁺ + ۲e^– → H_۲O …（۲）

پس در نهایت سنسور تبدیل به یک باطری می‌شود که قطب منفی و مثبت دارد. حاصل نهائی واکنش شیمیائی در رابطه زیر نمایان است:

CO + （۱/۲）O_۲ → CO_۲ …（۳）

با اندازه‌گیری تغییرات جریان به وجود آمده در ترمینال‌های خروجی سنسور که تابع میزان چگالی گاز Gas concentration و ضریب نفوذ Gas diffusion coefficient آن است، میزان نشت‌ گاز قابل‌ محاسبه خواهد بود. البته یک مدار الکترونیکی بسیار دقیق که در بر‌گیرنده چندین فیلتر جریانی خواهد بود، جهت اجتناب از خطای سنجش و لغزش تعادلی سنسور لازم است.

در اینجا ما تنها به اصول اولیه کار اشاره نمودیم ولی در آینده اگر مجالی دست داد، به مدارات سنجش نیز می‌پردازیم. تنها به این بسنده می‌کنیم که فرمول کلی انداره‌گیری به صورت زیر است‌:

I = F × (A/σ) × D × C × n …

در این فرمول I خروجی سنسور، F ثابت فارادی، A سطح مقطع لایه فیلم انتشار، σ ضخامت لایه، D ضریب نفوذ گاز مورد سنجش، C غلظت گاز و n تعداد الکترون‌های واکنشی است.

سنسورهای تشخیص گاز کاتالایتیکCatalytic Gas Sensors

این سنسورها از دو المان تشکیل می‌شوند. یک الکترود آشکارساز D که در واقع عنصر کاتالایتیک بوده و نسبت به گازهای قابل‌احتراق حساس است و یک الکترود مقایسه‌گر compensator element که خنثی است. هر دو این الکترودها در واقع عناصر گرم‌شونده با جریان الکتریکی هستند. (شبیه به المنت حرارتی). این دو الکترود در مدار الکترونیکی متصل به آنها، در حالت عادی در تعادل‌اند (‌مثل پل ویتسون) و جریان ثابتی از هر کدام از آنها عبور می‌کند. به دلیل مصرف انرژی در المنت‌های گرمائی، سعی می‌شود این جریان در پائین‌ترین حد نگه داشته شود. (در حد میکرو آمپر)

شکل ۰۳

با ورود گاز قابل‌احتراق به داخل محفظه سنجش و قرارگرفتن آن در مجاورت الکترود‌های گرم، گاز و اکسیژن هوا شروع به سوختن می‌کند. این احتراق در الکترود خنثی هیچ تأثیری نمی‌گذارد ولی موجب تغییرات مقاومتی در الکترود سنجش می‌شود (معمولاً کاهش مقاومت الکتریکی).

شکل ۴

شکل ۵

این تغییرات مقاومتی موجب تغییرات جریان در مدار خروجی شده و قابل‌سنجش خواهد بود.

سنسورهای تشخیص گاز نیمه هادیSemi Conductor Gas Sensors

این سنسور از سه بخش تشکیل می‌شود. بخش فوقانی یک لایه نازک استاتیک ‌دی اکساید Tin Dioxide Layer یا کریستال اکسید قلع با دو عامل اکسیژن قرار گرفته که با اکسیژن هوا در تماس است. این لایه در واقع نقش یک نیمه هادی را ایفا می‌کند. پس از آن یک لایه از آلومینا قرار داشته و در زیر این لایه یک گرم‌کن برقی نصب شده است. لایه بیرونی یا بخش فوقانی، اهداء کننده الکترون است که در حالت معمول یعنی هوای تازه، به دلیل عدم وجود گیرنده الکترون در حالت ثبات قرار دارد و در حقیقت جریانی از مدار الکتریکی متصل به آن عبور نمی‌کند. به شکل زیر توجه فرمائید:

شکل ۶

به محض ورود گاز قابل‌احتراق در مجاورت این لایه، مولکول‌های اکسیژن در اطراف لایه کاهش یافته و موجب به هم خوردن تعادل مدار می‌گردد. میزان جریان عبوری از مدار، تابع میزان ضریب نفوذ گاز است‌. با اندازه‌گیری میزان جریان، چگالی گاز نشت‌یافته قابل‌اندازه‌گیری خواهد بود.

شکل۷

سنسورهای تشخیص گاز نوری Infrared gas sensor NDIR

این سنسورها جدید‌ترین نوع آشکارسازی در جهان هستند که برتری‌های زیادی نسبت به تکنولوژی قدیمی دارند. از جمله برتری‌های این سنسورها، عمر طولانی‌تر آنها نسبت به انواع قبلی است. همانطور که می‌دانید عمر متوسط سنسورهای الکتروکمیکال دو سال‌، کاتالایتیک چهار تا شش سال و سنسورهای نیمه‌هادی ده سال است. زیرا همه آنها گرمکن الکتریکی دارند و المنت گرمکن به مرور زمان فرسوده شده و از بین می‌رود. در حالی که سنسورهای نوری احتیاج به گرمکن نداشته و عمر طولانی دارند.

اساس کار این نوع سنسورها، تفاوت جذب مولکولی نور مادون ‌قرمز توسط گازهای مختلف است. heterolysis molecule این سنسورها از سه بخش  تشکیل می‌شوند. یک منبع نور مادون‌قرمز که معمولاً یک دیود نوری است و دو گیرنده مادون‌قرمز با فیلتر نوری که یکی از آنها مرجع و دیگری اندازه‌گیر است. شبیه آنچه کنترل تلویزیون شما کار می‌کند یا در سنسورهای دود رایج است. با این تفاوت که زوج‌های نوری Infrared couple از نوع متمرکز بوده و در یک محفظه کاملاً تاریک قرار گرفته‌اند و تنها از طریق یک هزارتوی باریک با فضای بیرون در ارتباط هستند. گیرنده مرجع علاوه بر مبنا‌سنجی نور متصاعد‌شده تعبیه شده، وظیفه اندازه‌گیری مداوم سیگنال دریافتی از منبع مادون‌ قرمز را نیز به عهده دارد تا در صورت خاک‌گرفتگی یا کثیفی داخل محفظه کوبل‌های نوری، مراتب را گزارش دهد.

شکل ۰۸

با ورود گاز به داخل محفظه متناسب با تراکم آن بخشی از نور مادون ‌قرمز توسط گاز جذب می‌شود و تعادل کوبل نوری برهم می‌خورد. لذا تغییرات جریان به وجود آمده توسط مدار الکترونیکی مقایسه‌گر قابل‌سنجش خواهد بود. در شکل زیر این تغییرات نمایش داده شده.

شکل ۹

اشکال این نوع سنسورها این است که برای تشخیص برخی از گازها که جذب مولکولی نور را ندارند، مثل هیدوژن یا برخی از گازهای سمی، قابل‌استفاده نیستند. همچنین قیمت آنها بالاتر از انواع قدیمی‌تر است. این سنسورها اصولاً قابل تعمیر یا کالیبره‌شدن نیستند و درصورت نیاز به این کار باید به کمپانی سازنده فرستاده شوند. ولی مزیت بسیار برجسته آنها این است که احتیاج به وجود اکسیژن ندارند. بنابراین جهت تست عدم وجود گاز، پس از تخلیه منابع گاز و لوله‌ها‌ (‌بعد از پرچ‌کردن به وسیله نیتروژن‌) ‌بسیار مناسب هستند.

نکته مهم: برخی مواقع از سنسورهای پرتابل جهت سنجش پاک‌شدن منبع استفاده می‌گردد که موجب سوختن دستگاه می‌شود. علت آن است که عدم وجود اکسیژن یعنی عدم عملکرد گرمکن و عدم عملکرد گرمکن یعنی جریان بسیار زیاد در مدار خروجی و در نتیجه نابودی سنسور. پس جهت تست داخل مخزن یا از لوله نمونه‌بردار استفاده کنید یا از سنسور نوری.

امیدوارم مطالبی که گفته شد مورد استفاده شما عزیزان بوده باشد. تا فصل بعد شما را به ایزد یکتا می‌سپارم.