ساختار و عملکرد آنالایزرهای گازی

مواد جامد یا مایع در اثر دریافت حرارت زیاد، گازهای سمی‌ای متصاعد می‌کنند که محیط اطراف خود را خطرناک می‌کنند. این گازها بسیار شبیه به هوای تنفسی عمل می‌نمایند و از اتمسفر جدا نمی‌شوند

ازجمله این گازهای سمی می‌توان اکسیدهای کربن، اکسیدهای سولفور، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن‌ها و اکسید‌کننده‌ها را نام برد. از آنجا که برای کشف آنها نمی‌توان از یک فرمول یا روش معین استفاده کرد و می‌بایست برای هر یک از آنها روش بخصوصی بکار برد، از ادواتی به نام آنالایزر Analayzer استفاده می‌شود.

بررسی ساختار و عملکرد آنالایزرهای گازی

با توجه به توسعه روزافزون صنعت و همچنین پالایشگاه‌ها و محیط‌های مرتبط با صنعت نفت و گاز، حفاظت و مراقبت در برابر خطرات ناشی از نشت گاز، انفجار و حریق در این اماکن از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. لذا آشنایی متخصصین دست‌اندرکار با انواع سیستم‌های آشکارساز حریق و گاز و نحوه عملکرد آنها جهت انتخاب بهینه، بسیار حائز اهمیت است.

مواد جامد یا مایع در اثر دریافت حرارت زیاد، گازهای سمی‌ای متصاعد می‌کنند که محیط اطراف خود را خطرناک می‌کنند. این گازها بسیار شبیه به هوای تنفسی عمل می‌نمایند و از اتمسفر جدا نمی‌شوند. مسمومیت‌هایی که بواسطه این گازها ایجاد می‌شود، درصورت درمان‌نشدن به‌موقع، موجب مرگ یا آسیب‌رسیدن به بخش‌هایی از سیستم تنفسی و عصبی شخص می‌شود.

گازهای سمی به دلیل آنکه ازطریق استنشاق وارد بدن می‌شوند، به‌راحتی وارد جریان خون شده و پس از چند ثانیه خود را به مراکز عصبی رسانده و اثرات شدیدی از خود بر جای می‌گذارند.

ازجمله این گازهای سمی می‌توان اکسیدهای کربن، اکسیدهای سولفور، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن‌ها و اکسید‌کننده‌ها را نام برد. از آنجا که برای کشف آنها نمی‌توان از یک فرمول یا روش معین استفاده کرد و می‌بایست برای هر یک از آنها روش بخصوصی بکار برد، از ادواتی به نام آنالایزر Analayzer استفاده می‌شود.

چگونگی کشف، آشکارسازی و نیز آگاه‌شدن از انواع بخارها، مایعات و ذرات پراکنده در هوا، توسط شیمیدان‌ها و کارشناسان صنایع نظامی، جدی‌تر به‌کار گرفته می‌شوند. آشکارسازهای گاز با هدف نظارت مداوم بر پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی گازها ساخته می‌شوند تا در کمترین زمان ممکن و در لحظات اولیه نشت گاز خطرناک، هشدار اتوماتیک و در سطحی پیشرفته‌تر کنترل تجهیزات ایمنی و حفاظتی را برعهده گیرند و از بروز حوادث ناگوار جلوگیری نمایند.

بطور مثال در میدان جنگ به آشکارسازهایی نیاز است که نسبت به عوامل شیمیایی، در هر شکل و حالتی، پاسخ دهند. در چنین شرایطی هرگونه هشدار درمورد سموم شیمیایی به‌کارگرفته‌شده و تشخیص نوع آنها، می‌تواند از وقوع یک فاجعه جلوگیری کند.

آنالایزرهای گاز از نظر موارد مصرف، به دو دسته اصلی آنالایزرهای گاز محیط و آنالایزرهای گاز حاصل از احتراق تقسیم می‌شوند که هر کدام آنها نیز به نوبه خود، به ٢ بخش تقسیم می‌شوند:

• آنالایزرهای گازهای محیط به دو بخش محیط صنعتی و هوای پاک تقسیم می‌شوند که بخش اول شامل دتکتورهای گاز و دتکتور تیوب و بخش دوم شامل ایستگاه‌های ثابت و سیار می‌باشند.

• آنالایزرهای گازهای حاصل از احتراق نیز به دو بخش خروجی دودکش صنایع و خروجی اگزوز خودرو تقسیم می‌شوند. آنالایزرهای خروجی دودکش صنایع به دو صورت ثابت و پرتابل می‌باشند که پرتابل آن، علاوه بر استفاده در صنایع نظامی و جنگ‌ها، در صنایع نفت و گاز کاربرد ویژه‌ای دارند.

بطور کلی هر آنالایزر از چندین بخش تشکیل می‌شود که مهم‌ترین بخش آن، سنسور آن می‌باشد که وظیفه تشخیص شاخص موردنظر را به عهده دارد. اطلاعات کسب‌شده توسط سنسور مذکور، به‌صورت داده‌های آنالوگ است که معمولاً این اطلاعات توسط مدارات حالت‌دهنده Conditioning Circuits به بازه مقادیر قابل‌فهم برای مدارات تبدیل آنالوگ به دیجیتالAnalog to Digital Convertor و یا پردازشگرها تبدیل می‌شود.

پس از دیجیتال‌شدن، اطلاعات برای پردازش به ریزپردازشگرهای داخلی آشکارساز ارسال می‌گردند و بعد از تحلیل این اطلاعات و دریافت نتیجه موردنظر در این بخش، خروجی به مدارات انتقال داده، برای ارسال به پردازنده و کنترل‌کننده کلی سیستم تحویل می‌شود که از نظر نوع این مدارات، داده‌ها به پروتکل‌های ارتباطی مختلف تبدیل و ارسال می‌گردند.  

در تشخیص نوع گاز، انتخاب سنسور بسته به نوع کاربرد و انتظاری که از سیستم وجود دارد، بسیار مهم است. چنانچه نوع سنسور و آشکارساز گاز بطور نامناسب انتخاب شوند، عملکرد تمامی سیستم با اختلال همراه خواهد بود. باید توجه نمود که هر سنسور مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارا است. لذا انتخاب نادرست سنسور، احتمال خروج از بازه عملکرد مناسب و مواجهه با محدودیت‌ها و بعضاً خروجی‌های غیردقیق و نابه‌هنگام را در بر خواهد داشت.

آشکارسازی سنجش گازها در این آنالایزرها می‌تواند به شیوه‌های مختلفی صورت پذیرد:

• آنالایزر با لامپ سیگنال Ultra Violet  lamp
• آنالایزر با سنسورهای الکتروشیمیایی
• آنالایزرهای مادون قرمز
• آنالایزر کاتالیزوری
• و …

تمامی آنالایزرها به دو روش زیر، سنجش گاز را انجام می‌دهند که عموماً روش اول کاربرد بیشتری در سنجش گازهای زیست‌محیطی دارد و روش دوم جهت سنجش گازهای کنترلی و پروسه به‌کار گرفته می‌شود.

1. روش استخراجی Extractive  : – از طریق نمونه‌برداری – از طریق آماده‌سازی – از طریق آنالیز

ساختار و عملکرد آنالایزرهای گازی

در این روش باتوجه به شکل، نمونه توسط نمونه‌گیر و با کمک پمپ مکش از محیط مورد‌نظر جذب می‌شود. پس از عبور از مسیری که تحت مجاورت هیتر قرار دارد (Heated Line) و بعد از آن، عبور از خنک‌کننده (Cooler) تا ۵ درجه سانتی‌گراد، به سنسور و یا مهم‌ترین و با ارزش‌ترین قسمت آنالایزر می‌رسد و در آنجا به روش‌های گوناگون که ذکر شد، مورد سنجش قرار می‌گیرد.

البته این نکته قابل ذکر است که در محیط‌های صنعتی، به‌علت مجاورت دائم آنالایزر با گازهای مورد‌نظر، عموماً آشکارساز مادون قرمز (به‌لحاظ دوام، دقت و پایداری بالا و همچنین هزینه مناسب) مورداستفاده قرار می‌گیرد.

بلوک دیاگرام مسیر عبور گاز به درون آنالایزر را مشاهده نمودید. گاز از ورودی وارد دستگاه می‌شود. سلنوئید ولوهای مربوطه تعیین می‌کنند که نمونه یا گاز کالیبراسیون به درون دستگاه منتقل شوند. یک سنسور فشار، میزان فشار نمونه را چک می‌کند و سپس گاز به درون سنسور مادون قرمز Gas FilterCorrelation Infrared GFC-IR دستگاه می‌رسد.

منبع نور به‌صورت یک فیلامان است که وقتی به دمای معینی برسد، طیف طول موج مادون قرمز مشخصی از خود ساطع می‌کند. این نور از یک چرخ‌گردان Correlation Wheel  که دارای سوراخ‌هایی استردشده می‌باشد، عبور می‌کند. سپس از یک پنجره optical filter که فیلتر طول موج خاصی می‌باشد، رد شده و به درون سنسور می‌رسد. دیسک گردنده، چرخش کرده و نور به‌نوبت از درون حفره‌ها به شرح زیر عبور می‌کند:

– یک قسمت کدر مسدود Dark sector

– قسمت دوم که یک حفره خالی است Measure sector

– قسمت سوم که دارای یک سلول پرشده از گازهای در خواستی می‌باشد Reference

با عبور نور از هر یک از این سه قسمت، یک سیگنال الکتریکی خاص از دتکتور خارج می‌شود:

– سیگنال کدر: وقتی نور به قسمت کدر برخورد کرده و نمی‌تواند وارد سنسور دستگاه شود.

– سیگنال اندازه‌گیری: وقتی نور از قسمت خالی چرخ گذشته و با ورود به درون سل که گاز نمونه در آن قرار دارد، در تماس است. در این حالت طول موج‌های خاصی از نور توسط مولکول‌های گازهای موردنظر جذب شده و شدت نور متناسب با غلظت گازها افت می‌کند.

– سیگنال رفرنس: هنگامی که نور ابتدا از سلولی که حاوی گاز مرجع است، عبور می‌کند. در این حال طول موج‌هایی که توسط رفرنس جذب می‌شوند، کاملاً جذب‌شده و حذف می‌گردند. به‌طوری‌که با عبور آن از درون نمونه حاوی گاز نمونه‌گیری‌شده، جذب بیشتری صورت نمی‌گیرد.

گیرنده نور یک سنسور PbSe است که توسط یک المان پلتیر peltier element در دمای سرد ٣۰ درجه سانتی‌گراد، زیر صفر قرار دارد. سیگنال خروجی دتکتور توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال به قسمت پردازنده میکروپروسسوری منتقل می‌شود.

ساختار و عملکرد آنالایزرهای گازی

جذب طول موج مادون قرمز توسط گازهای مختلف

سیگنال‌های فوق برای هر گاز با یکدیگر مقایسه‌شده و پردازنده آنالایزر، محاسبات لازم برای سنجش گاز را انجام می‌دهد.

روش فوق GFC-IR  نام دارد که موردتائید استاندارد آژانس نظارتی در آمریکا با عنوان US-EPA  می‌باشد.

1. روش درون‌پروسهIn-Situ  : سنجش گازهای درون پروسه بدون خروج نمونه

این روش اغلب در پروسه‌های کنترلی سیستم‌هایی مانند سنجش گاز O٢ و Co مورد‌استفاده قرار می‌گیرد. هر چند مشابه نوعExtractive  آن برای سنجش برخی گازها جهت موارد محیط زیستی هم کاربرد دارد که با محدودیت تنوع گاز همراه است و به همین علت برای سنجش در موارد محیط زیستی این روش پیشنهاد نمی‌شود.

در این آنالایزرها از فرستنده و گیرنده بطور مستقیم و در مجاورت گاز استفاده می‌شود که مزیت زمان پاسخ‌دهی کوتاه ولی عیب سرویس دشوار در شرایط سخت، مثلاً در بالای ستون‌ها را می‌توان برای آنها نام برد.

در این نوع آنالایزرها رطوبت گاز داخل ستون در سنجش گاز بسیار موثر است. این رطوبت توسط سنسورهای رطوبتی که در خود این آنالایزرها تعبیه‌شده اندازه‌گیری و ضریبی را در محاسبه و اندازه‌گیری گازها وارد می‌کند که نتیجه نهایی پس از اعمال این ضریب، قابل‌مشاهده است.