مروری بر شیوه های مختلف پیاده سازی فن آوری جذب اشعه فروسرخ

امروزه ردیابی گازهای سوختی با بهره گیری از فن آوری جذب اشعه فروسرخ یا Infra Red Absorption به عنوان یکی از مطمئن ترین شیوه های ردیابی گازهای سوختی ثابت در دنیا مورد استفاده گسترده قرار گرفته است. این فن آوری دارای مزایای بسیار زیادی است که به تعدادی از آنها اشاره می کنیم :

• زمان پاسخ گویی بسیار کوتاه
• عدم نیاز به وجود اکسیژن
• عدم مسمومیت حسگر
• عدم آسیب دیدگی حسگر در غلظت های بالا
• عملکرد ایمن به طور Fail Safe
• زمان بی عیبی (MTBF) طولانی
• هزینه های اندک نگهداری
• عمر طولانی حسگر (به طور مشخص منابع تابش اشعه فروسرخ)
• قابلیت استفاده در سیستم های SIL2 یا SIL3 (در بعضی گونه ها)
• عدم امکان وجود هشدار کاذب (در بعضی گونه ها)
• عدم نیاز به کالیبراسیون (در بعضی گونه ها)

این ویژگی های بارز و بسیار مفید فن آوری جذب اشعه فروسرخ باعث گردید استفاده از آشکارسازهایی که از فن اوری Catalytic Combustion استفاده می کنند به طور قابل ملاحظه ای کاسته شود.

اما به راستی آنچه ما در بازار امروز می  یابیم، کلیه ویژگی های فوق الذکر را دارا می باشند؟

هدف این مقاله بررسی این موضوع و بیان شیوه های مختلف پیاده سازی فن آوری جذب اشعه فروسرخ در گونه های متفاوت آشکارسازهای فروسرخ می باشد.

 فن آوری جذب اشعه فروسرخ چگونه کار می  کند؟

تابش فروسرخ به قسمتی از طیف امواج الکترومغناطیسی گفته می شود که طول موج آنها بلندتر از دامنه نور مرئی و کوتاه تر از دامنه امواج رادیویی باشند. به شکل شماره 1 توجه نمایید.

گازهایی که دارای اتم های ناجور هسته می باشند اشعه فروسرخ را جذب می کنند. بنابراین می توان غلظت گازهایی مانند منوکسیدکربن ، متان ، دی اکسید گوگرد و ... را توسط اشعه فروسرخ اندازه گیری نمود. اما گازهایی مانند اکسیژن ، هیدروژن ، هلیم و کلر که دارای مولکول های جور هسته می باشند را نمی توان با استفاده از این تکنیک اندازه گیری کرد. ابتدایی ترین آشکارسازهای فروسرخ ، گاز را به محفظه نوری هدایت می کنند که در یک طرف منبع تابش اشعه فروسرخ و در انتهای دیگر حسگر فروسرخ قرار گرفته است. به شکل شماره 2 مراجعه نمایید.

 همانطور که در شکل شماره 3 نشان داده شده هر چه غلظت گاز بیشتر شود اشعه فروسرخ بیشتر جذب بندهای اتم های ناجور هسته می شوند و حسگر اشعه فروسرخ افت شدت اشعه فروسرخ را اندازه گیری می نماید و غلظت گاز مورد نظر بر این پایه اندازه گیری می گردد. طول موج اشعه تابانده شده برای ردیابی گازهای مختلف تغییر می کند. برای مثال جهت ردیابی گاز متان طول موج اشعه تابانیده شده برابر با 3/3 میکرون می باشد.

شیوه های پیاده سازی فن آوری جذب اشعه  فروسرخ

به طور کلی دو شیوه برای پیاده سازی این فن آوری وجود دارد که به شرح هر یک از آنها می پردازیم :

• شیوه دو مسیر ، دو طول موج یا Dual Path , Dual Wavelength
• شیوه تک مسیر یا Single Path

این دو شیوه پیاده سازی به طور بسیار چشمگیری چه از لحاظ ویژگی های فنی مانند زمان پاسخ گویی و پایداری و چه از لحاظ هزینه ساخت با یکدیگر متفاوت هستند و طبیعتاً هر یک مورد استفاده خاص خود را دارند.

شیوه دو مسیر ، دو طول موج یا Dual Path , Dual Wavelength

در این شیوه منابع تابش در درون بدنه دستگاه تعبیه شده اند و اشعه های فروسرخ تولید شده در دو مسیر منتشر می شوند. به شکل شماره 4 توجه نمایید. مسیر اول در داخل دستگاه می باشد ( از لنز به سمت چپ حرکت کنید.) و مسیر دوم ، محل عبور گاز و حد فاصل بین لنز و آینه بازتاباننده می باشد. ( از لنز به سمت راست حرکت نمایید.)

در شکل شماره 5 نمونه ای از آشکارساز فروسرخ را می بینید که سنسورها در بدنه آن تعبیه گشته است و شیوه پیاده سازی Dual Path را تشکیل می دهد. نکته حائز اهمیت این است که در بعضی از انواع این دستگاه ها منابع تابش به طوری تعبیه می گردند که از لحاظ مکانیکی نیز دارای پایداری بسیار عالی در برابر لرزش می باشند.

در این شیوه پیاده سازی همواره از دو اشعه فروسرخ با طول موج های متفاوت استفاده می شود. استفاده از این دو اشعه بخش دو طول موج یا Dual Path را تشکیل می دهد.

• Signal Beam
• Reference Beam

Signal Beam (که در شکل شماره 4 به رنگ قرمز نشان داده شده است) در اثر برخورد با گاز سوختی مقداری از انرژی خود را از دست می دهد و Signal Detector این مقدار را اندازه گیری می نماید و متناسب با آن غلظت گاز را معین می نماید. اما Beam Reference(که در شکل شماره 4 به رنگ آبی نشان داده شده است) تحت تاثیر گاز مد نظر قرار  نمی گیرد و جهت تست صحت عملکرد دائمی دستگاه به صورت خودکار مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال جهت آزمایش اجزای داخلی آشکارساز یا برای آزمودن مقدار کثیفی آینه بازتاباننده.در این آشکارسازها زمان پاسخ گویی برای 90% غلظت گاز (T90) با اعمال کردن گاز 50% LEL کمتر از 5 ثانیه می باشد.در بعضی از انواع اشکارسازهای فروسرخ این مقدار در شرایط برابر می تواند حتی به 6/1 ثانیه نیز کاهش یابد. در این آشکارسازها زمان پاسخ گویی برای 20 % غلظت گاز (T20) با اعمال کردن گاز 50% LEL کمتر از 1 ثانیه می باشد.

عموماً این آشکارسازها دارای ظاهری متقارن می باشند و کلیه بدنه آنها تنها از یک جنس مانند فولاد ضد زنگ  (Stainless Steel) ساخته می شود . این دسته از آشکارسازهای فروسرخ کلیه مزیت های یک آشکارساز واقعی را که می تواند در صنایع حساس مانند صنایع نفت و گاز مورد استفاده قرار گیرد را دارا می باشند.

شیوه تک مسیر یا Single Path

عامل اصلی استفاده از این پیاده سازی آن است که این امکان برای کارخانه سازنده بوجود می آید که با تهیه یک محفظه (Housing) مشترک انواع آشکارسازهای گازهای سوختی ، سمی و اکسیژن را تولید نماید. بدین مفهوم که محفظه دستگاه برای کلیه آشکارسازهای گازهای سوختی ، سمی و اکسیژن یکسان است و تنها نوع سنسور آن بر حسب نیاز تعویض می گردد. از آن جایی که دیگر منابع تابش نمی توانند در داخل دستگاه تعبیه گردند لذا امکان پیاده سازی شیوه دو مسیر ، دو طول موج یا Dual Path , Dual Wavelength وجود ندارد.

این شیوه پیاده سازی اساساً نگارش اقتصادی آشکارسازهای فروسرخ با پیاده سازی شیوه دو مسیر ، دو طول موج Dual Path , Dual Wavelength می باشد که تنها با استفاده از شیوه های بازار یابی امکان فروش آن در صنایع حساس مانند نفت و گاز وجود دارد. همانطور که گفته شد حسگر (Sensor) این آشکارسازها در داخل بدنه دستگاه تعبیه نمی گردد و به طور کلی این آشکارسازها دارای یک محفظه مربعی شکل می باشند که حسگر آن به صورت استوانه ای طویل به آن متصل شده است. مشخصه دیگر این آشکار سازها این است که بعضاً جنس بدنه سنسور از بدنه دستگاه متفاوت می باشد. برای مثال یک پیکره بندی شایع استفاده از حسگر با بدنه فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) و محفظه آلومینیومی می باشد. این شیوه پیاده سازی کاملاً شبیه به شکل شماره 1 می باشد و مشخصه اصلی این شیوه پیاده سازی زمان پاسخ گویی بسیار طولانی آن می باشد. زمان پاسخ گویی برا ی90% غلظت گاز (T90) با اعمال کردن گاز 100% LEL ( به جای 50% LEL ) در این نوع آشکارساز بیش از 30 ثانیه می باشد!

اصولاً این اعداد بر روی بروشورهای تیلیغاتی این دستگاه ها یافت نمی شوند زیرا که زمان پاسخ گویی برای 20% غلظت گاز (T20) یا 40% غلظت گاز (T40) نوشته شده است. عموماً این مقادیر به ترتیب برابربا 5 و 7 ثانیه می باشد که 5 بار کمتر از آشکارسازهایی هستند که به شیوه دو مسیر ، دو طول موج یا Dual Path , Dual Wavelength ساخته می شوند.

متاسفانه زمان طولانی پاسخ گویی این آشکارسازها تنها مسئله این نوع پیاده سازی نیست بلکه دقت پایین در اندازه گیری، عمر کم حسگر آنها و نیاز مداوم به کالیبراسیون و آزمایش از دیگر مواردی است که می بایست در مورد امکان استفاده این دستگاه در صنایع حساس تامل بیشتری نمود.

نتیجه گیری

 از آنجایی که نوع پیاده سازی تک مسیر یا Single Path ویژگی های بسیاری از یک آشکارساز فروسرخ واقعی را دارا نمی باشد ، موارد استفاده از این شیوه در صنایع عمومی مانند تصفیه پساب ، صنایع غذایی مانند نوشابه سازی و مخابرات می باشد. این نوع پیاده سازی نمی تواند حتی جایگزین مناسبی برای آشکارسازهای کاتالیستی در صنایع نفت و گاز باشد.

از طرف دیگر در مواردی که ایمنی از درجه اهمیت خاصی برخوردار می باشد ، مانند صنایع نفت و گاز جهت نصب در سکوهای نفتی ، ایستگاه های تقویت فشار و ... استفاده از فن آوری جذب اشعه فروسرخ با پیاده سازی شیوه دو مسیر، دو طول موج یا Dual Path , Dual Wavelength بسیار مفید بوده ، ضریب ایمنی را به شدت افزایش می دهد و هزینه های نگهداری آنها بسیار ارزان قیمت می باشد. در بعضی  موارد حتی این آشکارسازها نیاز به کالیبراسیون نیز ندارند و ده ها سال  می توانند مورد استفاده قرار گیرند.