تا بارگذاری کامل صفحه صبر کنید...

۲۷ اسفند

تحلیلی بر آشکارساز‌های شعله و گاز

همانطور که می­دانیم، با توجه به توسعه روزافزون صنعت و همچنین پالایشگاه‌ها و محیط‌های مرتبط به صنعت نفت و گاز، حفاظت و مراقبت در برابر خطرات ناشی از نشت گاز و یا انفجار و حریق در این اماکن از اهــمیت بــالایی بـرخـوردار می‌بـاشد…

آشنـایی بـا انواع سیستم‌هـای آشکارساز حـریق و گـاز و نحوه عملکرد آنها جهت انتخاب بهینه، برای متخصصین دست‌انـدرکـار بسیـار حـائز اهـمیت می‌بـاشد. در این راستـا ذیـلاً ضمن بررسی ساختار کلی داخلـی یک آشکارساز، تــحلیلی بــر انواع آشکارسازهـای شعلـه و گـاز ارائه می‌گردد.

با توجه به توسعه روزافزون صنعت و همچنین پالایشگاه‌ها و محیط‌های مرتبط به صنعت نفت و گاز، حفاظت و مراقبت در برابر خطرات ناشی از نشت گاز و یا انفجار و حریق در این اماکن از اهــمیت بــالایی بـرخـوردار می‌بـاشد. آشنـایی بـا انواع سیستم‌هـای آشکارساز حـریق و گـاز و نحوه عملکرد آنها جهت انتخاب بهینه، برای متخصصین دست‌انـدرکـار بسیـار حـائز اهـمیت می‌بـاشد. در این راستـا ذیـلاً ضمن بررسی ساختار کلی داخلـی یک آشکارساز، تــحلیلی بــر انواع آشکارسازهـای شعلـه و گـاز ارائه می‌گردد.

ساختار داخلی یک آشکارساز

معمولاً در محیط های صنعتی با توجه به کاربرد های مختلف گازهای سمی و قابل اشتعال، به منظور جلوگیری از بروز حادثه برای پرسنل یا تجهیزات، از این سیستمها استفاده می گردد. لازم به ذکر است نوع گاز مورد فرآورش یا مصرفی، می تواند بر اساس کاربرد و نوع فعالیت صنایع متفاوت باشد؛ بنابرای طراحی سیستم آشکار ساز گاز، متناسب با ویژگی های محیط مورد نظر صورت می پذیرد.

بطـور کلی هـر آشکارساز از چنـدین بـخش تـشکیل می‌شـود که مـهمترین بخش آن سنسور (حساسه) آن می‌باشد که وظیفه تشخیص شاخص مورد نظر را به عهده دارد. اطلاعات کسب شده توسط سنسور بصورت داده‌های آنالوگ بوده که معمولاً این اطلاعات توسط مدارات حالت‌دهنده (Conditioning Circuits) تبدیل به بازه مقادیر قابل فهم برای مدارات تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) و یا پردازشگرها می‌شود، پس از دیجیتال شدن، اطلاعات برای پردازش به ریزپردازشگرهای داخلی آشکارساز ارسال می‌گردند و بعد از تحلیل این اطـلاعــات و اخــذ نــتیجه مــقتضی در ایـن بـخش، خـروجی به مـدارات انتقـال داده برای ارسال به پردازنده و کنترل‌کننده کلی سیستم تحویل مـی‌شود که بـسته به نـوع ایـن مـدارات داده‌هـا به پروتکل‌های ارتباطی مختلف تبدیل و ارسـال می‌گردند.

انواع آشکارساز‌های گاز

در تشخیص نوع گاز، انتخاب سنسور بسته به نوع کاربرد و انتظاری که از سیستم داریم بسیار مهم می‌باشد چنانچه نوع سنسور و به طریق اولی دتکتور گاز نامناسب انتخاب شود عملکرد تمامی سیستم با اختلال همراه خواهد بود. باید توجه نمود که هر سنسوری مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارا می‌باشد، انتخاب نادرست سنسور احتمال خروج از بازه عملکـرد مـناسب و بـرخورد به محـدودیت‌ها و بعضاً خروجی‌هـای غیـردقیق و نا به هنـگام را در بر خواهد داشت.

در اینجا به تحلیل سه نوع از معمول‌ترین سنسورهای گاز خواهیم پرداخت که دانستن دقیق روش عملکردی آنها برای انتخاب درست آشکارساز گازی بسته به کاربرد آن ضروری می‌باشد.

آشکارساز گاز الکتروشیمیایی

سنسورهای الکتروشیمیایی اغلب برای تشخیص اکسیژن و گازهای سمی بکار می‌روند اساس کارکرد آنها بر پایه وقوع واکنش شیمیایی در ماده الکترولیت درون سنسور بر اثر وجود گاز هدف می‌باشد، این واکنش باعث ایجاد ولتاژ مابین کاتد و آند که در ماده الکترولیت سنسور قرار گرفته‌اند می‌گردد که معمولاً این ولتاژ، خطی و متناسب با میزان تجمع گازِ هدف می‌باشد، پس عمر سنسور نیز بطور معکوس با چگالی گاز اطراف سنسور و همچنین زمان متناسب خواهد بود. در مورد این سنسورها کالیبراسیون مداوم جهت جبران‌سازی افت سیگنال خروجی سنسور بر اثر طول عمر آن ضروری است.

از آنجایی که سنسورهای الکتروشیمیایی بسیار حساس به میزان حجم گاز هستند، توانایی تـــشخیص میــــزان گــازِ هــــدف در مقیــاس PPM ( درصـد در مـیلیون ) و حتـی PPB ( درصد در بیلیون ) را دارا می‌باشند.

سنسورهای از نوع جسم سخت‌ نیز برای تشخیص گازهای سمی و احتراق‌پذیر از دیگر انواع سنسور اینگونه آشکارسازها است .

گاهی اوقات به این‌گونه سنسورها، سنسورهای اکسید فلز نیمه‌رسانا نیز گفته می‌شود چرا که در بـرخورد گـاز مـورد نظر با سطح تماس سنسور، مشخصات هدایت الکتریکی سنسور تـغییر کرده و امـپدانس کلی آن کـاهش می‌یابد که تغییر میزان این امپدانس بیانگر مقدار گاز تجمع یافته در اطراف سنسور می‌باشد. در اینجا سیگنال خروجی از سنسور غیرخطی بوده و بطور معکوس با میزان تجمع گاز متناسب است. خروجی سنسور پس از پردازش توسط مدارات حالت‌دهنده و پردازشگر، سیگنال خروجی آشکارساز را تشکیل می‌دهد.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • قیمت نسبتاً پایین دارند.
  • دقت و حساسیت بسیار بالا دارد.
  • گازهای قابل تشخیص عبارتند از: اکسیژن، هیدروژن، سولفید، منواکسیدکربن، دی‌اکسیدنیتروژن و دی‌اکسیدگوگرد.

و محدودیت‌های آن عبارتند از:

  • سنـسور برای انجام واکنش و در نتیجه عملکرد دقیق به مقدار ثابتی رطوبت نیاز دارد.
  • عمر سنسور محدود است.
  • مواد خارجی بر عملکرد سنسور تأثیر نامطلوب داشته و آن را مسموم می‌کنند.

آشکارساز گاز با سنسور کاتالیزوری (Catalytic)

سنسور این کاشف از یک دانه از ماده کاتالیزوری که باعث تسریع واکنش گازهای هیـدروکربنی که اغلـب احتـراق‌پذیر و خطرناک می‌باشند، تشکیل شده است؛ که این ماده در اطـراف یک سیم رسانا در یک پایه موازی از مدار پل وتستون و در مجاورت گازهای احتــراق‌پذیـر هیـدروکربنی و دانه دیگـر بـه عنوان مـرجع در شـاخه مـوازی دیـگر پل که در مـجاورت گـاز قـرار نـدارد نصب می‌گردد. در مجاورت این ماده گازهای احتراق‌پذیر در حد پایین‌تر از حد پایین انفجاری(LEL) که از قبل تعیین شده، واکنش نشان داده و حرارت حاصل از این واکنش باعث انبساط سیم رسانا و در نتیجه کاهش مقاومت و افزایش هدایت آن می‌شود، این امر باعث ایجاد ولتاژ تفاضلی در خروجی پل شده که این ولتاژ بطور خطی متناسب با میزان گاز می‌باشد.

چنانچه میزان گاز از حد بالای انفجار(UEL) عبور کند این ماده اشباع شده و خروجی معکوس و نادرست خواهیم داشت، پس تنظیم و کالیبراسیون مدون سنسور این کاشف بسیار مهم می‌باشد. مدارات حالت‌دهنده و پردازشگر، خروجی کاشف را بسته به میزان گاز مورد نظر حس شده توسط سنسور ایجاد می‌نمایند.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • قیمت نسبتاً پایین دارد.
  • به تمامی انوع گازهای هیدروکربن احتراق پذیر حساس می‌باشد.

و محدودیت‌های آن عبارتند از:

  • سنسور کاشف نیازمند کالبیراسیون مداوم می‌باشد.
  • هیدروکربن‌های هالوژنه باعث ایجاد ذرات نمک در اطراف سنسور شده و عملکرد آن را محدود می‌نمایند.
  • مواد اولیه نظیر سرب اثرات نامطلوب بر عملکرد سنسور دارند و سنسور را مسموم می‌کند.
  • عمر سنسور محدود است.

آشکارساز گاز مادون قرمز

آشکارساز گاز مادون قرمز موضعی

این آشکارساز دارای یک محفظه نمونه‌برداری می‌باشد که گازهای پراکنده شده در این محفظه مورد تابش اشعه مادون قرمز قرار می‌گیرند، با عبور اشعه از میان گاز برخی از طول موج‌های اشعه توسط ذرات هیدروکربنی گاز جذب می‌شوند که مقدار این جذب متناسب با میزان ذرات هیدروکربن گاز تجمع یافته در محفظه نمونه‌برداری و به طریق اولی محیط اطراف آشکارساز می‌باشد. موج با مشخصات تغییر یافته توسط یک گیرنده مادون قرمز در طرف دیگر محفظه دریافت می‌گردد. شدت تغییرات مشخصات نور مادون قرمز بر اثر جذب طول موج‌های آن توسط ذرات گازهای هیدروکربنی در مقایسه با مشخصات یک تشعشع مرجع که در معرض این گازها قرار ندارد، از طریق مدارات حـالت‌دهنـده و پردازشگرهای داخلی کاشف محاسبه گشته و سیگنال خروجی کاشف را بسته به میزان تجمع این گازها در محیط اطراف آشکارساز، شکل می‌دهند.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • حساس به انواع گازهای هیدروکربنی می‌باشد.
  • در مقابل گازهای سمی و آسیب رسیدن به خود سنسور مصون می‌باشد.
  • نگهداری آن ساده و کم هزینه می‌باشد.
  • طول عمر سنسور زیاد می‌باشد.
  • کالیبراسیون ساده دارد.

و محدودیت‌های آن عبارتند از:

  • به گازهای غیر هیدروکربنی مثل هیدروژن حساس نمی‌باشد.

آشکارساز گاز مادون قرمز برای محیط‌های وسیع

اساس کار این کاشف مانند مدل موضعی می‌باشد با این تفاوت که فرستنده و گیرنده مـوج مـادون قـرمـز جـدا از یــکدیگر می‌باشند یعنی دتکتور از دو قسمت فرستنده و گیرنده تشکیل می‌شـود که در مسـافت‌هـای زیـاد در مقـابل یـکدیگر قـرار می‌گیـرند و یک مـحیط بـزرگ ( حدود ۱۵۰ متر در برخی مدل‌ها) را تحت پوشش خود قرار می‌دهند. این آشکارسازها برای حفاظت محیط‌های اطراف پالایشگاه در مقابل خروج توده‌های عظیم گازی مناسب می‌باشند.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • مناسب برای محیط‌های باز می‌باشند.
  • یک پوشش وسیع دارد که نیاز به دتکتورها و سیم‌کشی اضافی را کاهش می‌دهد.
  • نگهداری آن ساده و کم‌ هزینه است.
  • زمان تشخیص سریع دارند.

و محدودیت‌های آن عبارتند از:

  • به گازهای غیرهیدروکربنی مثل هیدروژن حساس نمی‌باشند.

انواع آشکارسازهای شعله

این نوع از آشکارسازها جهت تشخیص شعله آتش و باتوجه به نوع اشعه ساطع شده از آن مورد استفاده قرار می گیرند که ممکن است این اشعه ها قابل رویت یا غیر قابل رویت توسط چشم انسان باشد. فن‌آوری نوری تشخیص شعله در مواردی که احتیاج به تشخیص سریع حریق و حفاظت از یک محوطه باز مطرح است بسیار کارآمد می‌باشد، ولی در انتخاب بهینه سیستم فاکتورهای متعددی را باید در نظر گرفت که درک صحیح از چگونگی عملکرد آشکارساز از مهمترین این فاکتورها می‌باشد.

آشکارساز شعله مادون قرمز تک فرکانسی

آشکارساز تک فرکانسی به طول موج ناشی از تشعشعات در باند باریکی در حدود ۴/۴ میکرون حساس بوده، که همین امر اساس روش تشخیص آن می‌باشد. این کاشف از سنسور پیرو الکتریک استفاده می‌کند که حساس به تغییرات شدت تشعشع نور مادون قرمز بوده و برای جلوگیری از بروز خطا بر اثر نورهای چشمک‌زن موضعی و جسم داغ از یک فیلتر میان گذر در فرکانس پایین استفاده می‌کند. لازم به توضیح است که آشکارساز شعله مادون قرمز ناشی از سوختن سوخت‌های هیدروکربنی در همین باند می‌باشد. توجه به این نکته نیز حائز اهمیت است که تشعشعات مادون قرمز نور خورشید در این باند توسط اتمسفر زمین جذب می‌شود و لذا نور خورشید به عملکرد آشکارساز تأثیری ندارد.

پــس از تـشخیص شعلـه تـوسط سنـسور، مـدارات حــالت‌دهنده و پـردازشگـر، سیگنـال خـروجی آشکارساز را بـرای اعـلام هشدار ایجاد می‌نمایند.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • در مقابل آلوده کننده‌ها از قبیل روغن، گرد و غبار و کثیفی مصون می‌باشد.
  • سرعت تشخیص بسیار بالا (کمتر از ۳۰ میلی ثانیه) دارد.
  • به نورهای ناشی از خورشید، جوشکاری، جرقه، اشعه X، رعد و برق حساس نمی‌باشد.

و محدودیت آن عبارت است از:

  • بـرای آتش‌های غیرکربنی مناسب نیست.
  • آب باران، بخار آب و یا یخ زدگی ممکن است باعث بسته شدن لنز دتکتور شود.
  • انواع نامرغوب آن در مقابل تشعشعات پراکنده عکس‌العمل نشان می‌دهند.

آشکارساز شعله مادون قرمز با طیف چندگانه

در این حالت آشکارساز دارای چند سنسور می‌باشد که هر کدام دارای یک فیلتر میان گذر بوده که اجازه رسیدن تشعشع مادون قرمز با طول موج مشخص را به سنسور می‌دهند.

در مورد حریق‌های هیدروکربنی تشعشع مادون قرمز عبوری از باند مجاز یکی از فیلترها در مقایسه با سایر فیلترها بیشتر می‌باشد که مدارات الکترونیک و پردازشگر داخل دتکتور اختلاف شدت تشعشع دریافت شده توسط سنسورها را به یک نسبت تبدیل کرده و درصورت وجود همین نسبت در هر لحظه و بطور همزمان بین تمامی سنسورها، مدارات پردازنده، سیگنال خروجی دتکتور را برای اعلام هشدار ایجاد می‌نمایند.

با این روش دتکتور تشعشع قوی لحظه‌ای ناشی از یک منبع حرارتی را به عنوان تشعشع ناشی از آتش نمی‌پذیرد چرا که در اینجا نسبت بین شدت تشعشعات مادون قرمز رسیده به سنسورها رعایت نگردیده است.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • تمامی خواص مدل تک فرکانسی را دارا می‌باشد.
  • حداقل هشدار نادرست را دارد.
  • به تشعشعات ناشی از جسم سیاه حساس نمی‌باشد.
  • پوشش وسیع برای تشخیص دارند (۶۰ متر در برخی مدل‌ها).

و محدودیت آنها عبارتند از:

  • سرعت تشخیصپایین‌تر نسبت به مدل تک فرکانسی دارد .
  • فقط حسـاس به آتش‌های نـاشی از سـوخت‌های هیـدروکربنی بوده و سایر شعله‌های ناشی از سوختن فلزات، آمونیاک، هیدروژن و سولفور را تشخیص نمی‌دهد چرا که این‌گونه حریق‌ها به اندازه کافی اشعه مادون قرمز برای تحریک سنسورهای این کاشف تولید نمی‌نمایند.

آشکارساز شعله ماوراءبنفش (UV)

آشکارساز شعله ماوراءبنفش از یک مجرای حساس به تشعشعات تابیده شده با طول موج در بازه ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ انگسترم برای تشخیص شعله استفاده می‌کند.

دانستن این نکته نیز حائز اهمیت است که طول موج اشعه ماوراءبنفش تابیده شده توسط خورشید که به زمین می‌رسد از حدود ۲۸۰۰ انگسترم شروع می‌شود، پس چنانچه رنج تشخیص سنسور وسیع باشد، توسط اشعه ماوراء بنفش خورشید تحریک می‌گردد، در نتیجه این گونه آشکارسازها برای محیط‌های داخلی مناسب می‌باشند ولی سنسورهای با رنج محدودتر از ۱۸۰۰ تا ۲۵۰۰ انگسترم نیز وجود دارند و تقریباً تمامی انواع آتش، تشعشعات با این طول موج را ایجاد می‌نمایند. ضمناً تشعشعات ماوراءبنفش خورشید در این حوزه توسط اتمسفر زمین جذب می‌شوند، لذا نور خورشید به عملکرد این گونه سنسورها اثری ندارد و استفاده از آنها در محیط‌های داخلی و خارجی بلامانع می‌باشد.

سنسور ماوراءبنفش در پاسخ به تشعشعات دریافتی در پهنای باند مذکور، یک قطار پالس تولید می‌کند که فرکانس این پالس‌ها بسته به شدت اشعه ماوراءبنفش رسیده به سنسور متغیر می‌باشد. مدارات حالت‌دهنده و پردازشگر سیگنال خروجی آشکارساز را براساس فرکانس این قطار پالس، ایجاد می‌نمایند.

در کل با یک انتخاب مناسب، آشکارساز شعله ماوراء بنفش یک کاشف همه منظوره با قابلیت اطمینان خوب، سرعت تشخیص بالا و خطای کم می‌باشد.

نقاط قوت این دتکتور عبارتند از:

  • حـریق نـاشی از رنج وسیعی از سوخت‌های متفاوت از قبیل هیدروکربن (مایع، جامد، گاز)، فلزات، سولفور، هیدروژن، هیدرازن، آمونیاک و … را تشخیص می‌دهد.
  • سرعت تشخیص بالا (کمتر از ۱۰ میلی ثانیه) دارد.
  • در برخی انواع به تشعشعات خورشید حساس نیست.

و محدودیت‌های آنها عبارتند از:

  • بر اثر تشعشعات ناشی از جوشکاری از نوع قوس الکتریکی تحریک می‌شود.
  • احتمال تحریک بر اثر جرقه، قوس‌های الکتریکی، اشعه X و رعد و برق وجود دارد.
  • در مدل‌های دارای سنسور با رنج وسیع بر اثر اشعه ماوراءبنفش خورشید تحریک می‌شوند.
  • بـرخی گـازها و بخارات ممکن است مانع رسیدن اشعه ماوراءبنفش به سنسور شود.

آشکارساز شعله ترکیبی مادون قرمز و ماوراءبنفش

این آشکارساز دارای یک سنسور مادون قرمز تک فرکانسی و یک سنسور ماوراء بنفش بوده که هر یک بطور مستقل همانطوری که قبلاً توضیح داده شد عمل می‌نمایند حال آنکه مدارات الکترونیکی و پردازشگر داخلی دتکتور، سیگنال‌های خروجی هر دو سنسور را بطور همزمان مورد پردازش قرار داده و در نتیجه خروجی هر دو سنسور بطور همزمان ملاک عملکرد آشکارساز خواهد بود که این امر باعث افزایش قابلیت اطمینان می‌گردد.

باید خاطر نشان کرد که دتکتور بر اثر تحریک هر دو سنسور تحریک می‌شود و با توجه به این نکتـه که سنسور ماوراءبنفش تقریباً تمامی انواع حریق‌ها را تشخیص می‌دهد ولی سنسور مادون قرمز محدودیت در تشخیص حریق‌های ناشی از فلزات، آمونیاک، هیدروژن و سولفور را دارد، پس دتکتور ترکیبی نیز در مورد حریق ناشی از این گونه مواد محدودیت دارد.

در مجموع این آشکارساز برای محل‌هایی که آتش هیدروکربنی محتمل بوده ولـی تـشعشعـات نــاشی از حریق‌های کنترل شده پراکنده غیرهیدروکربنی، جســم داغ، اشعـه X، جـوشکاری الکتـریکی نیز وجـود دارد توصیه می‌شود.

نقاط قوت این کاشف عبارتند از:

  • حداقل آلارم خطا را دارد.
  • سرعت تشخیص بالا (کمتر از ۵۰۰ میلی ثانیه) دارد.
  • به تشعشعات ناشی از خورشید، جوشکاری، قوس الکتریکی، اشعه X، جسم داغ جرقه و رعد و برق حساس نمی‌باشد.

و محدودیت‌های آن عبارتند از :

  • برای آتش‌های غیر کربنی مناسب نیست.
  • برخی گازها و بخارات ممکن است مانع رسیدن اشعه ماوراءبنفش به سنسور UV شود.