تقدم التجارب النظام المصمم لقياسات الخصائص العابرة لمستشعر الغاز، بحيث تم اختيار مستشعر الأكسجين الكهروكيميائي (SK-25F) للقياسات من حيث التطبيق في الرعاية الصحية وضمان سلامة الإنسان في مرافق الإنتاج الصناعي والمختبرات. الهدف من هذه الدراسة هو تصميم نظام آلي لقياس وظيفة [G (s)] العابرة لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية ولتحديد النموذج الرياضي من عينة الاستشعار.
تحليل الخصائص الديناميكية لمستشعر غاز الأكسجين الكهروكيميائي
غالباً ما نواجه استخدام غازات الاستشعار الكهروكيميائية في الأعمال العلمية، حيث أن المستشعرات الكهروكيميائية هي مستشعرات كيميائية حيث يقترن المستقبل والمحول الكهربائي، كما هو محدد من قبل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC)، كذلك أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية هي الأكثر حساسية وانتقائية وغير مكلفة ويمكن استخدامها على نطاق واسع للمراقبة البيئية مثل الكشف عن التسرب ومراقبة الانبعاثات والسلامة من الحرائق.
كما تُستخدم المستشعرات الكهروكيميائية في أنظمة قياس تركيز الغاز المحمولة الرخيصة، وهناك عدد من المزايا وراء الاستخدام الواسع لهذه المستشعرات مقارنة بالأجهزة الثابتة للمختبرات الكبيرة، بحيث تكمن الميزة الرئيسية لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية في سهولة النقل والسعر المنخفض، مما يساهم في القدرة على مراقبة الغازات المختارة بسهولة داخل المنصات المختلفة، مثل “المدن الذكية”.
كذلك يعد تطوير أجهزة منخفضة التكلفة ومحمولة ومنخفضة الطاقة لرصد الملوثات المحمولة جواً خطوة حاسمة نحو تطوير نماذج جودة الهواء المحسّنة وتقدير أفضل للتأثيرات الصحية لتعرض الإنسان والحيوان، بحيث انخفض سعر نظام الاستشعار المختبري إلى عشرات الآلاف من اليورو وهو غير قابل للتحويل، كذلك أسعار أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية في حدود عشرات ومئات اليورو، وسيكون الوزن في حدود عشرات الجرامات.
قراءات أجهزة الاستشعار المعلقة في الآلات المتحركة
تؤثر هذه الظاهرة بشكل كبير على نتائج القياس في حالة أجهزة الاستشعار المعلقة على آلة متحركة، على سبيل المثال مركبة جوية بدون طيار، وفي هذه الحالة يحدث أن التغيير الزمني لتركيز الغاز المقاس أثناء الحركة يتجاوز نطاق التردد لجهاز الاستشعار الكهروكيميائي، لذلك يبقى من الضروري معرفة وظيفة النقل لأجهزة الاستشعار لأنها تؤثر بشكل مباشر على خطأ القياس.
كما أن الطريقة الأكثر وضوحاً لتحسين الاستجابة الديناميكية هي طريقة التصميم المتأصل، وفي حالة أجهزة الاستشعار من الدرجة الأولى؛ فإنه يمكن تقليل ثابت الوقت عن طريق تقليل نسبة الكتلة الى المساحة، وهناك طريقة أخرى ممكنة هي طريقة التعويض الديناميكي المفتوح الحلقة، وبالنظر إلى عنصر أو نظام غير معوض؛ فإنه يتم إدخال عنصر تعويضي في النظام، بحيث تفي وظيفة النقل الشاملة بالشرط المطلوب.
بالإضافة الى أن المشكلة الرئيسية في هذه الطريقة هي في زمن الاستقرار المستمر، ولزيادة عرض النطاق الترددي يمكن أن تستند إلى مبدأ مرشح، بحيث يكمل العمل المقدم المعرفة الحالية في مجال المعلمات الديناميكية لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية، حيث إنه يجلب منظوراً جديداً لقياس تركيز الغاز مع احترام خصائصها الديناميكية، كذلك الهدف من هذا العمل هو تصميم نظام آلي لقياس الوظيفة المؤقتة [G (s)] لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية ولتحديد النموذج الرياضي من عينة من أجهزة الاستشعار.
أساليب معرفة مهمة مستشعر الغاز المطلوب
تم استخدام مستشعرات الأكسجين العشرة (SK-25F) للقياس في هذا العمل، كما أن هذا هو جهاز استشعار الأمان الصناعي للسلامة الشخصية والصناعية. بسبب المعلمات المذكورة أعلاه، بحيث تم اختيار (SK-25F) لدراسة عن كثب، ما أن المستشعر عبارة عن بطارية من الرصاص والأكسجين تشتمل على أنود رصاص وكاثود أكسجين مصنوع من الذهب وإلكتروليت حامض ضعيف.
أيضاً تدخل جزيئات الأكسجين الخلية الكهروكيميائية من خلال “غشاء راتينج” فلور غير مسامي ويتم تقليلها عند القطب الذهبي باستخدام الإلكتروليت الحمضي، بحيث يتناسب التيار الكهربائي الذي يتدفق بين الأقطاب الكهربائية مع تركيز الأكسجين في خليط الغاز الذي يتم قياسه، كما تتم قراءة الفولتية الطرفية عبر الثرمستور (لتعويض درجة الحرارة) والمقاوم كإشارة، وذلك مع التغير في الفولتية الناتجة التي تمثل التغيير في تركيز الأكسجين.
كذلك توجد فقاعة هواء صغيرة الحجم داخل جسم المستشعر لتعويض التأثير الداخلي من تغيرات الضغط، كما أن وتفاصيل البناء موضحة في الشكل التالي (1)، بحيث يمكن أن يكون حساس (SK25F) حساساً للغازات المختلفة، وبالتالي يجب توخي الحذر لاستخدام الغاز الصفري بشكل صحيح، كما تنص الشركة المصنعة على أن استخدام ثاني أكسيد الكربون بنسبة (100٪) لن يسبب أي تداخل ولن يتلف المستشعر، ولهذا السبب؛ فإنه يتبع ملاءمة استخدام هذا الغاز عند قياس الخصائص المؤقتة لأجهزة الاستشعار (SK25F).
نظام القياس المصمم لمعايرة صمامات الغاز الكترونياً
بناءً على المعلومات المذكورة أعلاه، تم تصميم نظام معايرة، كما ويظهر الرسم التخطيطي الهوائي في الشكل التالي (2) ويتم التحكم في النظام إلكترونياً في مكان صمام الملف اللولبي، بحيث تم استخدام صمامات الفراغ (Festo MHA1-2X2.2G)، ونظراً لوقت التبديل السريع الذي يصل إلى (7) مللي ثانية، كذلك صمام التحكم في التدفق النسبي (VEMD-L6-14-20-D21)، بحيث يتم التحكم فيه عن طريق إشارة إدخال الجهد الكهربائي (0-10) فولت، وهو مقياس التدفق الشامل يتم تعويض درجة الحرارة.
أيضاً يتم التحكم في إجراء القياس بواسطة متحكم دقيق وفقاً لمخطط الكتلة في الشكل التالي (3)، وبالنسبة للقياس نفسه؛ فإنه يجب ضبط تدفق الغاز المطلوب عبر رأس المستشعر بحيث تنص الشركة المصنعة على معدل تدفق بحد أدنى (0.2 – 0.3 dm3 / دقيقة) لتحقيق وقت استجابة (15) ثانية، كما نستخدم معدل التدفق (1.0 dm3 / min)، بحيث يتم تزويد المستشعر بالغاز الصفري أثناء استقرار الخرج، بحيث يبدأ القياس بتحويل الغاز الصفري إلى الهواء ويبدأ تسجيل البيانات.
أيضاً تصف معايرة أجهزة الاستشعار حالياً تعويض الخصائص الثابتة التي تركز على الحالات المستقرة، بحيث تُستخدم المستشعرات لقياس متغيرات الإدخال المتغيرة ديناميكياً، لذلك من أجل القياسات الدقيقة؛ فإنه من الضروري معرفة الخصائص الديناميكية ليس فقط لجهاز الاستشعار، ولكن أيضاً للنظام المقاس بأكمله، كما تقدم هذه الدراسة طريقة دقيقة لقياس وتقييم الخصائص المؤقتة لأجهزة الاستشعار الكهروكيميائية.
وبناءً على المادة المعروضة؛ فإنه يمكن ملاحظة أنه بالإضافة إلى القياس الدقيق لكمية خرج المستشعر الكهربائي، كذلك القياس الدقيق لوقت أخذ العينات يعتبر ضروري أيضاً لقياس الخصائص الديناميكية، ولهذا الغرض تم الاقتراب من نظام معقد تم تطويره.
وأخيراً من النتائج المقاسة والخصائص المؤقتة المحددة؛ تم الوصول الى أن المستشعر الكهروكيميائي لا يمكن وصفه بشكل صحيح من خلال وظائف النقل العالمية القياسية من الرتبتين الأولى والثانية، لذلك كان من الضروري استخدام دالة النقل من الدرجة الخامسة بصفر واحد في حالتنا. علاوة على ذلك، بحيث تم تأكيد الافتراض حول دقة إنتاج المستشعر، لأنه بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها.
