طراحی، ساخت و تحلیل عملکرد حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ و کاربرد آن در بینی الکترونیک

تحلیل گاز به دلیل کاربردهای فراوان و متنوع از اهمیت بالایی برخوردار است. کنترل کیفیت مواد غذایی و محصولات کشاورزی، تشخیص بیماری ها، پایش آلودگی های محیطی، تشخیص مواد منفجره و مواد شیمیایی سمی، تحلیل محصولات پتروشیمی، تشخیص آتش سوزی و شامه مصنوعی از جمله این کاربردها هستند. سامانه های کروماتوگرافی گاز و طیف نگاری جرمی از حدود 60 سال پیش برای تحلیل گاز مورد استفاده قرار می گیرند و اخیرا با استفاده از حسگرهای گاز نیمه هادی سامانه هایی تحت عنوان “بینی الکترونیکی” برای این کار توسعه یافته اند. سامانه های کروماتوگرافی-طیف نگاری به دلیل حجم زیاد و قیمت بالا برای بسیاری از کاربردهای فوق مناسب نیستند. سامانه های بینی الکترونیکی نیز از رانش حسگرها رنج می برند. با وجود تلاش هایی که برای کوچک سازی سامانه های کروماتوگرافی-طیف نگاری و بهبود عملکرد سامانه های بینی الکترونیکی انجام شده است، همچنان نیاز به یک سامانه تحلیل گر گاز با قیمت مناسب و اندازه کوچک بی جواب مانده است. در کار حاضر، فرآیند نفوذ و جذب ملکول های گاز در لوله های مایکروفلوئیدیک مورد بررسی قرار گرفته از نتایج حاصل برای تحلیل گازها استفاده شده است. این کار با استفاده از یک “حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ” انجام می گیرد: نمونه ی گاز مورد نظر به صورت آنی به ابتدای لوله اعمال می شود و پاسخ حسگر گاز به صورت تغییرات زمانی تراکم گاز در انتهای لوله ثبت می شود. به دلیل تفاوت در ضرایب نفوذ و جذب، الگوهای متفاوتی برای گازهای مختلف حاصل می شود. با استفاده از اطلاعات متمایز کننده ای که از الگوهای ثبت شده استخراج می شود، نوع گاز و ترکیب مخلوط های گازی تعیین می گردد. نمونه های مختلفی از حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ طراحی و ساخته شد. مدلی برای پیش بینی پاسخ های گذرای حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ به گازهای خالص و مخلوط های گازی به دست آمد. با شبیه سازی این مدل، اثر پارامترهای مختلف، چون ابعاد لوله، جنس لوله، نوع گاز و تراکم گاز بر تفاوت پاسخ های ناشی از گازهای مختلف بررسی شد. از نتایج حاصل برای اصلاح ساختار حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ و بهبود عملکرد آن استفاده شد. آزمایش های متعددی برای ارزیابی عملکرد حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ انجام شد. از مدل نفوذ-جذب، روش های کلاسیک شناسایی الگو و یک روش ابداعی مبتنی بر خطی سازی پاسخ ها برای تحلیل نتایج آزمایش ها استفاده گردید. در نهایت امکان تشخیص 24 گاز خالص و تعیین نسبت برخی از مخلوط های دوتایی و سه تایی آنها با استفاده از سامانه ساخته شده نمایش داده شد. در قسمت آخر نیز منابع خطا شناسایی شده تاثیر آنها به صورت تئوری و عملی بررسی گردید. حسگر گاز مجهز به لوله نفوذ به دلیل قیمت مناسب و ابعاد کوچک گزینه مناسبی برای تحلیل گاز است. این سلول حسگری، به همراه یک سامانه اعمال گاز، به صورت یک بینی الکترونیکی قابل استفاده می باشد.