סוגי חיישני גז ויישומיהם בציוד זיהוי וניטור גז
עם התפתחות התעשייה הפטרוכימית, הוגדלו סוגי וטווחי היישום של גזים דליקים, נפיצים ורעילים. ברגע שגזים אלו ידלפו במהלך הייצור, ההובלה והשימוש, זה יגרום להרעלה, שריפה ואפילו תאונות פיצוץ, שיסכנו באופן חמור את חיי האנשים ואת בטיחות הרכוש. בשל יכולת הפיזור של הגז עצמו, לאחר שמתרחשת דליפה, הגז יתפזר לאורך פני הקרקע בפעולת כוח רוח חיצוני ושיפוע ריכוז פנימי, וייצור פיצוץ בעירה או אזור סכנה רעיל באתר התאונה, וירחיב את אזור מסוכן.
ברגע שמתרחשת תאונת דליפת גז, יש לנקוט באמצעים מתאימים בהקדם האפשרי כדי למזער את אובדן התאונה. איתור בזמן ואמין של תכולת גזים מסוימים באוויר, אמצעי תיקון בזמן ויעיל ושיטות סילוק נכונות לצמצום תאונות הנגרמות כתוצאה מנזילה הם תנאים הכרחיים להימנעות מרכוש גדול ונפגעים. זה מציב דרישות גבוהות יותר לציוד גילוי וניטור גז. כגלאי גז חשוב, חיישן גז פותח מאוד בשנים האחרונות. הפיתוח של חיישן גז הופך את היישום שלו ליותר ויותר נרחב.
סקירה כללית של חיישן גז
מדינות זרות החלו לחקור ולפתח חיישני גז בשנות ה-30. בעבר, חיישני גז שימשו בעיקר לאיתור ואזעקה של גז פחם, גז נפט נוזלי, גז טבעי וגז במכרות. נכון להיום, סוגי הגזים שיש לגלות התרחבו מהגזים המפחיתים המקוריים (H2, C4H10, CH4) לגזים רעילים (CO, NO2, H2S, NO, NH3, PH3).
ישנם סוגים רבים של חיישני גז. על פי חומרי חישת הגז השונים ומאפייני חישת הגז המשמשים, ניתן לחלק אותו לסוג מוליכים למחצה, סוג אלקטרוליט מוצק, סוג אלקטרוכימי, סוג בעירת מגע, סוג פולימר וכו'.
חיישן גז מוליכים למחצה
חיישן זה משתמש בעיקר בחומרים הרגישים לגז מוליכים למחצה. מאז שיצא חיישן גז תחמוצת המתכת המוליך למחצה בשנת 1962, נעשה בו שימוש נרחב בשל יתרונותיו של רגישות גבוהה ותגובה מהירה, והפך לאחד החיישנים הגדולים והנפוצים ביותר בעולם. על פי הדרכים השונות לזיהוי הכמות האופיינית של חישת הגז, היא מתחלקת לשני סוגים: סוג התנגדות וסוג לא התנגדות.
חיישן גז מוליכים למחצה התנגדות פועל על ידי זיהוי השינוי של חיישן הגז עם תכולת הגז. חומרים רגישים לגז קרמי תחמוצת מתכת משמשים בעיקר. עם המחקר והפיתוח של חומרים חדשים כגון תחמוצות מתכות מורכבות ותחמוצות מתכות מעורבות בשנים האחרונות, המאפיינים וטווח היישום של חיישן גז זה שופרו מאוד. לדוגמה: חיישן גז WO3 יכול לזהות טווח ריכוזי NH3 מ-5ppm ל-50ppm, חיישן גז ZnO-CuO רגיש מאוד ל-200ppm CO.
חיישני גז מוליכים למחצה שאינם התנגדות פועלים על פי העיקרון שהזרם או המתח של חיישן הגז משתנים עם תכולת הגז. ישנם בעיקר סוג דיודות MOS וסוג דיודות צומת, וחיישן גז מסוג צינור אפקט שדה. רוב גזי הגילוי הם גזים דליקים כמו מימן וסילאן.
חיישן גז אלקטרוליט מוצק
חיישני גז אלקטרוליט מוצק משתמשים בחומרי חישת גז אלקטרוליטים מוצקים בתור אלמנטים חישת גז. העיקרון הוא שהחומר הרגיש לגז יוצר יונים בעת מעבר דרך הגז, ובכך יוצר כוח אלקטרו-מוטיבי, ומודד את הכוח האלקטרו-מוטיבי למדידת ריכוז הגז. בשל המוליכות הגבוהה, הרגישות הטובה והסלקטיביות של חיישן זה, נעשה בו שימוש נרחב, והוא נכנס כמעט לכל תחומי הפטרוכימיה, הגנת הסביבה, כרייה וכו', שני רק לחיישני גז מוליכים למחצה מתכת תחמוצת. לדוגמה, YST-Au-WO3 למדידת H2S, NH בתוספת 4CaCO3 למדידת NH3 וכו'.
יצירת קשר עם חיישן גז בעירה
ניתן לחלק אותו לסוג בעירה מגע ישיר וסוג בעירה מגע קטליטי. עקרון הפעולה שלו הוא: כאשר החומר הרגיש לגז מומרץ, הגז הדליק מתחמצן ונשרף בפעולת זרז, והחום שנוצר מחמם את חוט החימום, ובכך משנה את ערך ההתנגדות שלו, ומודד את שינוי ההתנגדות. כדי למדוד את ריכוז הגז. חיישן זה יכול למדוד רק גזים דליקים ואינו רגיש לגזים בלתי דליקים. לדוגמה, חיישנים המיוצרים על ידי ציפוי זרזים פעילים Rh ו-Pd על חוט Pt הם בעלי מאפיינים רחבי טווח, כלומר, הם יכולים לזהות גזים דליקים שונים. חיישן גז הבעירה במגע יציב מאוד בטמפרטורת הסביבה ויכול לזהות את רוב הגזים הדליקים עם הגבול התחתון של הפיצוץ. הוא נמצא בשימוש נרחב בניטור ואזעקה של גזים דליקים במפעלים פטרוכימיים, מספנות, מנהרות מכרות, חדרי אמבטיה, מטבחים וכו'.
חיישן גז פולימרי
חיישני גז המשתמשים בחומרי חישת גז פולימריים פותחו מאוד בשנים האחרונות. כאשר חומר חישת הגז הפולימרי נתקל בגז מסוים, ישתנו תכונותיו הפיזיקליות כגון התנגדות, קבוע דיאלקטרי, מהירות התפשטות גל אקוסטית משטח החומר ומשקל החומר. ישנם בעיקר פולימרים phthalocyanine, LB film, phenylcyanine acetylene, polyvinyl alcohol-phosphoric acid, polyisobutylene, aminoundecyl silane, וכו'. לחומרים פולימריים לחישת גזים יש תפקיד חשוב באיתור גזים רעילים וטריות המזון בשל קלות פעולתם, תהליך פשוט, סלקטיביות טובה בטמפרטורת החדר, מחיר נמוך ושילוב קל עם חיישני מיקרו-מבנה והתקני גל אקוסטיים משטחים. על פי תכונות חישת הגז של החומרים המשמשים, ניתן לחלק את סוג החיישן הזה ל: חיישני גז עמידים פולימריים המודדים את ריכוז הגז על ידי מדידת התנגדות של חומרים חושי גז; חיישני גז מסוג סוללת ריכוז המודדים את הכוח האלקטרו-מוטורי כדי לקבוע את ריכוז הגז על ידי יצירת תא ריכוז כאשר החומר חושף הגז סופג גז; חיישני גז גל אקוסטיים על פני השטח המיוצרים על בסיס העיקרון שמהירות ההתפשטות או התדירות של גלי הקול על פני החומר משתנה לאחר שהפולימר חושף הגז סופג גז; לחיישן הגז הפולימרי רגישות גבוהה למולקולות גז ספציפיות, סלקטיביות טובה, מבנה פשוט, ניתן להשתמש בטמפרטורה רגילה ויכול להשלים את החסר של חיישני גז אחרים.
