به نام خدا
دانشگاه نیگاتای ژاپن در سال 2004 سنسور هیدروژنی را ارائه نمود که بر اساس تولید نیروی محرکه الکتریکی یا EMF کار میکند. این سنسور شامل دو الکترود است (شکل یک) که دارای پتانسیل شیمیایی متفاوتی در حضور گاز هیدروژن اند. الکترود اول از ماده ای با پتانسیل شیمیایی بالاتر و الکترود دوم از ماده ای با پتانسیل شیمیایی پائینتری ساخته شده اند. الکترود اول بصورت الکترود آشکارساز گاز هیدروژن عمل میکند و الکترود دوم نقش الکترود مرجع یا استاندارد را داراست. بدین لحاظ در حضور گاز هیدروژن اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود ایجاد میشود که دامنه ی تغییرات آن متناسب با میزان گاز هیدروژن موجود در محیط است. تیمی به سرپرستی پروفسور هارادا Prof Harada این سنسور را طراحی و ساختند.
شکل یک - ساختار سنسور
اساساً سنسورهای الکترولیتی هیدروژنی دارای ساختار پیچیده ای نبوده و تقریباً همگی از یک استراکچر تبعیت میکنند. شکل زیر استراکچر جنرال این سنسورها را نشان میدهد که البته با آنچه دانشگاه نیگاتا طراحی کرده متفاوت است.
از آنجاییکه نسل بعدی سوخت موتورها بسرعت بسمت هیدروژن سوز شدن میل میکند، نیاز به چنین سنسورهایی که بتوانند نشت بسیار اندک هیدروژن را تشخیص داده و به موقع اعلام خطر کنند بسیار ضروری است. میدانیم که ترکیب شدن هیدروژن با اکسیژن در محیط کنترل نشده بسیار خطرناک و توأم با انفجار شدید است.
سنسورهای رایج هیدروژن بیشتر شامل سه نوع نیمه هادی، نوع یونیزه شونده، و نوع احتراقی هستند، بطوریکه میزان هیدروژن موجود در محیط بصورت غیر مستقیم توسط هر یک از این سنسورها اندازه گیری میشود. مثلاً در نوع نیمه هادی تغییرات حجم گاز هیدروژن باعث تغییرات غلظت حاملها، در سنسور یونیزه شونده باعث تغییرات غلظت یونها و در نوع احتراقی فعل و انفعال حرارتی باعث ایجاد بخار آب شده و سپس میزان غلظت آب اندازه گیری و از روی آن غلظت هیدروژن محیط بدست میآید.
همانگونه که مشاهده میشود در هر یک از سنسورهای فوق کمیت تولید شده ی پاسخ سنسور یک کمیت فیزیکی است و برای اهداف کنترلی باید این کمیت بصورت الکتریکی در آید. در نتیجه کل زمان پاسخ سنسور و زمان تبدیل کمیت توسط ترنسدیوسر Transducer در حدود 100 ثانیه و بیشتر خواهد شد. بعلاوه بعنوان مثال در سنسورهای هیدروژن نیمه هادی حداقل میزان و حجم هیدروژن مورد نیاز برای آزاد کردن یک اکسیژن با بار منفی و در نتیجه تغییر در مقاومت سنسور ممکن است آنقدر زیاد باشد که منجر به انفجار شود. مشکل سطح بزرگ مورد نیاز برای فعل و انفعال هیدروژن با لایه اکتیو را نیز به این مشکلات بیافزاییم، در نتیجه نیاز به سنسور هیدروژن حساس به غلظت بسیار کم و زمان پاسخ بسیار بالا بسیار ضروری بنظر میرسد.
سنسور ساخته شده توسط تیم پروفسور هارادا دارای زمان پاسخی کمتر از یک ثانیه است و تنها به چهار الی پنج ثانیه زمان بازیافت یا Recovery نیاز دارد (شکل 2). ولتاژ EMF سنسور در حضور صفر درصد هیدروژن معادل اختلاف پتانسیل شیمیایی اولیه دو الکترود بوده که کمی بیش از 0.8 ولت است و در حضور 0.8 درصد غلظت هیدروژن این میزان به حدود 0.15 ولت میرسد (شکل 3).
سرانجام اینکه این سنسور بواسطه حجم بسیار کوچکی که داشت بهمراه یک تقویت کننده ولتاژ درون یک بسته بندی جای داده شد و روانه بازار گردید (شکل چهار). ابعاد واقعی این محصول به اندازه یک اُپ اَمپ 741 با بسته بندی پلاستیکی است.
شکل چهار - نمایش پایه های سنسور بهمراه تقویت کننده
شکل زیر اسکرین شاتی از فیلم بنمایش درآمده از نحوه عملکرد این سنسور را نشان میدهد که در آن سنسور در یک Test Bed برای انجام آزمایش قرار داده شده است.
این فیلم نحوه عملکرد سنسور و تست آنرا نمایش میدهد. برای کمتر کردن حجم فیلم فرمت آن به flv تغییر داده شده است که با Realplayer ورژن 9 به بالا قابل پخش است. برای دانلود کل گزارش ثبت اختراع و طراحی وساخت این سنسور اینجا را کلیک کنید.
هرگونه نقل قول و اقتباس از مطالب این وبلاگ تنها با ذکر منبع مجاز می باشد.