مستشعر الغاز الكهروكيميائي

أجهزة استشعار الغاز الكهروكيميائية هي أجهزة كشف الغاز التي تقيس تركيز الغاز المستهدف عن طريق أكسدة أو اختزال الغاز المستهدف عند قطب كهربائي وقياس التيار الناتج.

بدأ السيد ناويوشي تاغوتشي أبحاثه عام 1962، ليصبح أول شخص في العالم يطور جهازًا شبه موصل قادرًا على كشف التركيزات المنخفضة للغازات القابلة للاشتعال والمختزلة عند استخدامه مع دائرة كهربائية بسيطة. تُعرف الأجهزة القائمة على هذه التقنية باسم "مستشعرات غاز تاغوتشي" (TGS). ^{[ 1 ]}

تحتوي المستشعرات على قطبين أو ثلاثة، وأحيانًا أربعة، متصلة بمحلول إلكتروليتي . تُصنع الأقطاب عادةً بتثبيت طبقة سميكة من معدن ثمين على غشاء مسامي كاره للماء . يتصل القطب العامل بكل من المحلول الإلكتروليتي والهواء المحيط المراد رصده، عادةً عبر غشاء مسامي. يُعد الحمض المعدني أكثر أنواع الإلكتروليتات استخدامًا ، ولكن تُستخدم أيضًا محاليل إلكتروليتية عضوية في بعض المستشعرات. توضع الأقطاب والهيكل عادةً داخل غلاف بلاستيكي يحتوي على فتحة لدخول الغاز والتوصيلات الكهربائية.

ينتشر الغاز داخل المستشعر، عبر الجزء الخلفي من الغشاء المسامي، وصولًا إلى قطب العمل، حيث يتأكسد أو يُختزل. ينتج عن هذا التفاعل الكهروكيميائي تيار كهربائي يمر عبر الدائرة الخارجية. بالإضافة إلى قياس الإشارة وتضخيمها ومعالجة الإشارات الأخرى، تحافظ الدائرة الخارجية على فرق الجهد عبر المستشعر بين قطب العمل والقطب المضاد في حالة المستشعر ثنائي الأقطاب، أو بين قطب العمل وقطب المرجع في حالة الخلية ثلاثية الأقطاب. عند القطب المضاد، يحدث تفاعل مساوٍ ومعاكس، فإذا كان قطب العمل مؤكسدًا، فإن القطب المضاد يكون مختزلًا.

تُتحكم شدة التيار بكمية الغاز المستهدف المؤكسد عند قطب العمل. تُصمم المستشعرات عادةً بحيث يكون إمداد الغاز محدودًا بالانتشار ، وبالتالي يكون خرج المستشعر متناسبًا خطيًا مع تركيز الغاز . يُعد هذا الخرج الخطي إحدى مزايا المستشعرات الكهروكيميائية مقارنةً بتقنيات الاستشعار الأخرى (مثل الأشعة تحت الحمراء)، التي يجب جعل خرجها خطيًا قبل استخدامها. يسمح الخرج الخطي بقياس أكثر دقة للتركيزات المنخفضة ومعايرة أبسط بكثير (يكفي خط أساس ونقطة واحدة).

يوفر التحكم بالانتشار ميزة أخرى. إذ يسمح تغيير حاجز الانتشار لمصنّع المستشعر بتخصيصه لنطاق تركيز غاز مستهدف محدد. إضافةً إلى ذلك، ولأن حاجز الانتشار ميكانيكي في الأساس، فإن معايرة المستشعرات الكهروكيميائية تميل إلى أن تكون أكثر استقرارًا بمرور الوقت، وبالتالي تتطلب الأجهزة القائمة على المستشعرات الكهروكيميائية صيانة أقل بكثير من بعض تقنيات الكشف الأخرى. من حيث المبدأ، يمكن حساب الحساسية بناءً على خصائص انتشار مسار الغاز إلى المستشعر، على الرغم من أن الأخطاء التجريبية في قياس خصائص الانتشار تجعل الحساب أقل دقة من المعايرة باستخدام غاز اختبار. ^{[ 2 ]}

بالنسبة لبعض الغازات، مثل أكسيد الإيثيلين ، قد تُشكل الحساسية المتبادلة مشكلةً، إذ يتطلب أكسيد الإيثيلين محفزًا نشطًا للغاية في قطب العمل وجهد تشغيل عالٍ لأكسدته. لذلك، ستُظهر الغازات الأكثر قابلية للأكسدة، مثل الكحولات وأول أكسيد الكربون، استجابةً أيضًا. يُمكن التغلب على مشاكل الحساسية المتبادلة باستخدام مرشح كيميائي، على سبيل المثال، مرشحات تسمح بمرور الغاز المستهدف دون عوائق، ولكنها تتفاعل مع المواد المتداخلة الشائعة وتزيلها.

رغم المزايا العديدة التي توفرها المستشعرات الكهروكيميائية، إلا أنها لا تُناسب جميع الغازات. فنظرًا لأن آلية الكشف تعتمد على أكسدة الغاز أو اختزاله، فإن هذه المستشعرات عادةً ما تكون مناسبة فقط للغازات النشطة كهروكيميائيًا، مع إمكانية الكشف عن الغازات الخاملة كهروكيميائيًا بشكل غير مباشر إذا تفاعل الغاز مع مادة أخرى داخل المستشعر، مما يُنتج استجابة. ^{[ 3 ]} تُعد مستشعرات ثاني أكسيد الكربون مثالًا على هذا النهج، وهي متوفرة تجاريًا منذ عدة سنوات.

يمكن أيضًا استخدام الحساسية المتبادلة لأجهزة الاستشعار الكيميائية الإلكترونية لتصميم مصفوفات أجهزة الاستشعار الكيميائية ، والتي تستخدم مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار المحددة التي تتفاعل بشكل متبادل للكشف عن بصمات الغازات المستهدفة في الخلائط المعقدة.

• كاشف أول أكسيد الكربون
• معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) - Forschungsstelle für Brandschutztechnik: KAMINA - مصفوفات دقيقة لمستشعر الغاز لتحليل الدخان السريع
• قطب نشر الغاز