متان که جزء تشکیل‌دهنده اصلی گاز طبیعی است، نقش مهمی در گرمایش زمین و تغییرات اقلیمی دارد. جلوگیری از نشت متان از خطوط لوله انتقال و سایر فعالیت‌های تولید نفت و گاز، یک راه حل ممکن برای کاهش انتشار گاز متان است. به منظور شناسایی و رفع نشت متان، به سنسورها و دتکتورهای قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه نیاز است. سنسورهای نوری، حسگرهای کالریمتری، سنسورهای پیروالکتریک، سنسورهای اکسید فلز نیمه رسانا و حسگرهای الکتروشیمیایی از جمله انواع سنسور و دتکتور گاز متان هستند. در این قسمت از مجله تدبیر، قصد داریم بیشتر در مورد انواع آشکارساز گاز متان بحث کنیم.
گاز متان چیست؟
متان (CH4) یک هیدروکربن بدون بو و رنگ و جزء تشکیل‌دهنده اصلی گاز طبیعی است. متان همچنین یک گاز گلخانه‌ای است، بنابراین وجود آن در جو بر دما و سیستم آب و هوای زمین تأثیر می‌گذارد. متان از انواع منابع انسانی (متأثر از فعالیت‌های انسانی) و طبیعی منتشر می‌شود. منابع انتشار انسانی شامل دفن زباله‌ها، سیستم‌های تولید نفت و گاز، فعالیت‌های کشاورزی، استخراج ذغال سنگ، فرآیندهای صنعتی و غیره است.
پس از دی اکسید کربن، متان دومین گاز گلخانه‌ای فراوان در جو زمین است که ۱۶درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهان را به خود اختصاص می‌دهد. متان ۲۸ برابر بیشتر از CO2 در به دام انداختن گرما در جو قوی‌تر است. در طول دو قرن گذشته، غلظت متان در جو دو برابر شده که عمدتاً به خاطر فعالیت‌های انسانی است.
دتکتور گاز متان چیست؟
از آنجایی که متان بدون رنگ و بو است، تشخیص آن بدون ابزار مناسب امکان‌پذیر نیست. دتکتور گاز متان دستگاهی است که می‌تواند با دقت بالا غلظت این گاز انفجاری را اندازه‌گیری کند. آشکارساز گاز متان تقریباً مانند دتکتور دود معمولی عمل می‌کند و با استفاده از یک حسگر داخلی، غلظت متان موجود در هوا را اندازه‌گیری می‌کند. اگر غلظت متان موجود در هوا از سطح مشخصی فراتر برود، دتکتور زنگ هشدار را فعال می‌کند تا همه را از خطر آگاه کند.
انواع دتکتور گازی
به طور کلی، دتکتورهای گازی را به دو دسته اصلی طبقه‌بندی می‌کنند که عبارتند از:
- دتکتور گازی ثابت
- دتکتور گازی قابل حمل
دتکتور گازی ثابت (Fixed Gas Detector)
دتکتورهای گازی ثابت به طور دائم در انواع محیط‌های کاری و فضاهایی که گازهای خطرناک جمع می‌شوند، نصب می‌گردند. آن‌ها برای نظارت مستمر بر غلظت گازها طراحی شده‌اند و معمولاً باید به یک منبع تغذیه وصل شوند. بسته به اینکه گازها از سطح زمین به بالا می‌آیند یا برعکس، دتکتورهای گازی ثابت باید در ارتفاع مناسب نصب شوند. بیشتر دتکتورهای گازی ثابت بر روی سقف یا دیوار نصب می‌شوند تا مانع مسدود شدن فضای رفت و آمد نشوند.
دتکتور گازی قابل حمل (Portable Gas Detector)
همانطور که از نام آن برمی‌آید، این نوع دتکتورهای گازی را می‌توان با خود حمل کرد. دتکتورهای پرتابل معمولاً فقط چند صد گرم وزن دارند و دارای گیره‌ای هستند که به سرعت می‌توان آن‌ها را مثلاً به یقه و کمر کاربر وصل کرد. دستگاه بایستی در ناحیه تنفس یا فاصله حدوداً ۲۵ سانتی‌متری از بینی و دهان فرد استفاده شود. به این ترتیب، می‌توان اطمینان حاصل کرد که حسگر در معرض همان هوایی قرار دارد که فرد تنفس می‌کند. در غیر این صورت، نتایج ممکن است نادرست باشد.
انواع سنسور و دتکتور گاز متان
انواع سنسور و دتکتور گاز متان عبارتند از:
- سنسورهای اپتیکال یا نوری
- سنسورهای کالریمتری
- سنسورهای پیروالکتریک
- سنسورهای اکسید فلز نیمه رسانا
- سنسورهای الکتروشیمیایی
سنسورهای نوری
یکی از رایج‌ترین انواع سنسور و دتکتور گاز متان، سنسورهای اپتیکال یا نوری هستند. حسگرهای نوری تغییرات در نور مرئی یا امواج الکترومغناطیسی را که از برهم‌کنش آنالیت با بخش گیرنده ناشی می‌شود، تشخیص می‌دهند. در اندازه‌گیری انتشار گاز، پراکندگی یا جذب مکانیسم‌های اصلی تشخیص غلظت گاز در سنسورهای اپتیکال هستند.
با وجود این، طیف‌سنجی جذبی مادون قرمز (IR) رایج‌ترین تکنیک مورد استفاده برای حسگرهای اپتیکال متان است. پیوندهای شیمیایی دارای طول موج باند جذب خاصی هستند که امکان شناسایی گاز متان توسط حسگر مادون قرمز را ممکن می‌سازد.
مزایا:
- مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی
- توانایی عملکرد بدون اکسیژن
- یک روش غیرمخرب است
معایب:
- هزینه بالا
- حساسیت پایین
سنسورهای کالریمتری
سنسورهای کالریمتری برای تشخیص متان و سایر گازهای قابل احتراق در کاربردهای مختلف مانند معادن ذغال سنگ، حفاری، میادین فرآوری نفت و محل‌های دفن زباله استفاده می‌شوند. سه نوع حسگر گاز کالریمتری وجود دارد که عبارتند از:
- حسگر کاتالیزوری
- حسگر جاذب
- حسگر هدایت حرارتی
حسگرهای کالریمتری متان اغلب از یک سنسور دما، یک محفظه احتراق کاتالیزوری و یک دستگاه گرمکن تشکیل می‌شوند. حسگر کالریمتری اینطور عمل می‌کند که یک واکنش شیمیایی یا فرآیند جذب فیزیکی باعث جذب یا آزاد شدن گرما می‌شود. مهم‌ترین بخش در سنسور کالریمتری، ماده‌ای است که با گاز برهم‌کنش دارد. یک لایه سطحی از جنس پلاتین، پالادیوم یا رودیوم به عنوان کاتالیزور برای واکنش احتراق استفاده می‌شود.
مزایا:
- هزینه پایین
- طراحی ساده
- توانایی عملکرد در شرایط سخت
معایب:
- مستعد ترک خوردن
- احتمال مسمومیت با کاتالیزور
- مصرف انرژی بالا
سنسورهای پیروالکتریک
یکی دیگر از انواع سنسور و دتکتور گاز متان، حسگرهای پیروالکتریک هستند که از تشخیص تابش الکترومغناطیسی در طول موج‌های خاصی استفاده می‌کنند. سنسورهای پیروالکتریک اغلب به عنوان هشداردهنده‌های اعلام حریق، آشکارسازهای لیزری، آنالیزورهای حرارتی یا آنالیزورهای گاز استفاده می‌شوند.
سنسور پیروالکتریک انرژی الکترومغناطیسی یا حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سنسور از یک بستر دی‌الکتریک استفاده می‌کند که بین دو الکترود قرار گرفته است. هنگامی که ماده پیروالکتریک دچار تغییر دما می‌شود، یک جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌کند. از ولتاژ جریان می‌توان برای یافتن ترکیب گاز استفاده کرد.
مزایا:
- توانایی عملکرد بدون اکسیژن
- حساسیت و پاسخ‌دهی خوب
- محدوده اندازه‌گیری گسترده
معایب:
- قیمت بالا
- مصرف انرژی زیاد
سنسورهای اکسید فلز نیمه رسانا
سنسورهای اکسید فلز نیمه رسانا (SMO) حسگرهای هدایت الکتریکی هستند که گاز متان را بر اساس واکنش اکسیداسیون شناسایی می‌کنند. گاز متان بر روی لایه حسگر فعال جذب شده و باعث تغییر در مقاومت الکتریکی می‌شود که با استفاده از آن می‌توان غلظت گاز را تعیین کرد. سنسورهای اکسید فلز نیمه رسانا به دو نوع طبقه‌بندی می‌شوند که عبارتند از:
- سنسور SMO نوع n (دی‌اکسید قلع، اکسید آهن)
- سنسور SMO نوع p (اکسید نیکل، اکسید کبالت)
حسگرهای SMO متان عمدتاً از نوع n هستند، زیرا الکترون‌ها به طور طبیعی توسط فضاهای خالی اکسیژن تولید می‌شوند. هنگامی که حسگر در معرض یک گاز کاهنده مانند متان قرار می‌گیرد، سطح سنسور مولکول‌های گاز را جذب می‌کند که مانع پتانسیلی را کاهش و غلظت الکترون‌ها را افزایش می‌دهد. این در حالی است که مقاومت الکتریکی کاهش یافته و نهایتاً، زنگ هشدار فعال می‌شود.
مزایا:
- قیمت پایین
- وزن کم
- مقاومت بالا
معایب:
- انتخاب‌پذیری ضعیف
- نرخ ریکاوری پایین
- وابستگی زیاد به دما و رطوبت
سنسورهای الکتروشیمیایی
سنسورهای الکتروشیمیایی حسگرهای شیمیایی هستند که در آن گیرنده و مبدل جفت می‌شوند. سنسورهای الکتروشیمیایی به عنوان یکی از انواع سنسور و دتکتور گاز متان، حساسیت بالایی دارند و ارزان قیمت هستند. از حسگرهای الکتروشیمیایی به طور گسترده برای پایش محیطی مانند تشخیص نشت، نظارت بر انتشار و ایمنی در برابر آتش نیز استفاده می‌کنند.
طراحی حسگر شامل یک الکترود است که در آن متان تحت واکنش اکسیداسیون قرار می‌گیرد. یک الکترود دیگر نیز به عنوان الکترود ضد عمل می‌کند. این دو الکترود توسط یک سیال الکترولیتی به هم متصل می‌شوند تا خنثی بودن بار را در سیستم حفظ کند. جریان اندازه‌گیری‌شده بین دو الکترود غلظت گاز متان را مشخص می‌کند.
مزایا:
- قابلیت عملکرد در دماهای بالا
- انعطاف‌پذیری زیاد
معایب:
- هزینه بالا
- حساسیت و زمان پاسخ‌دهی پایین
یک دتکتور گاز متان مناسب چه ویژگی‌هایی باید داشته باشد؟
به طور کلی، یک دتکتور گاز متان ایده‌آل بایستی دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- هزینه پایین
- انتخاب‌پذیری و حساسیت بالا
- طول عمر بالا
- فرآیند ساخت و تولید ساده
- مقاومت بالا در مقابل رسوب
- گستره تشخیص بالا
سؤالات متداول انواع سنسور و دتکتور گاز متان
دتکتور گاز متان چیست؟
دتکتور گاز متان دستگاهی است که با استفاده از یک حسگر داخلی، غلظت گاز متان موجود در هوا را اندازه‌گیری می‌کند.
انواع دتکتور گازی کدامند؟
آشکارسازهای گازی به دو دسته اصلی طبقه‌بندی می‌شوند که عبارتند از دتکتورهای گازی ثابت و قابل حمل یا پرتابل.
سنسورهای گاز متان به چند نوع دسته تقسیم می‌شوند؟
حسگرهای اپتیکال، کالریمتری، پیروالکتریک، اکسید فلز نیمه رسانا و الکتروشیمیایی از انواع سنسورهای گاز متان هستند.
