کاربرد نانوحسگرها در صنعت برق و انرژی

1. تعریف حسگر

سیستم‌های اندازه‌گیری در نیروگاه‌ها اصولاً شامل یک حسگر می‌باشند که وضعیت و یا کمیت مورد اندازه‌گیری (موردسنجش) را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌نمایند، همان‌طور که در شکل 1 نشان داده‌شده است. حسگر جزئی از سیستم اندازه‌گیری است. البته اصطلاحات مبدل و حسگر غالباً و اصولاً در رشته ابزار دقیق و کنترل با هم تعویض می‌شوند، اما از نظر تخصصی مبدل یک وسیله کلی است و حسگر یک جزئی از مبدل است. لذا مبدل‌ها یا فقط از یک حسگر تشکیل‌شده و یا شامل حسگر و اجزاء دیگر می‌باشند. بندرت سیگنال‌های خروجی حسگرها و یا مبدل‌ها به همان صورتی که هستند مورداستفاده قرار می‌گیرند و غالباً سیگنال‌های خروجی مبدل، توسط مدارهای آماده‌سازی سیگنال پردازش‌شده و به‌صورت قابل‌استفاده‌ای درمی‌آیند. حسگرها قلب مبدل‌ها می‌باشند که به ما توانایی اندازه‌گیری و کنترل پارامترهای مختلف محیطی مانند دما، فشار و … را می‌دهند ]1. [

جایگاه حسگر در سیستم کنترل

 

حسگر المان حس کننده‌ای است که کمیت‌های فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما و … را به کمیت‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. عملکرد حسگرها و قابلیت اتصال آن‌ها به دستگاه‌های مختلف ازجمله PLC باعث شده است که حسگر بخشی از اجزای جدانشدنی دستگاه کنترل خودکار باشد. حسگرها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث کنترل وضعیت عملکرد دستگاه‌ها می‌شوند] 2. [

تقسیم‌بندی حسگر

با توجه به نوع نیاز موجود در صنعت انواع حسگرها ساخته و به بازار مصرف عرضه می‌شوند که تقسیم‌بندی‌های متنوعی را ایجاد می‌نماید، تقریباً تمامی انواع حسگرهای جدید که ساخته می‌شوند را می‌توان در تقسیم‌بندی زیر قرارداد [4 و 3. [

الف: تقسیم‌بندی بر اساس نوع عملکرد

ب: تقسیم‌بندی بر اساس نوع کاربرد

ج: تقسیم‌بندی بر اساس خروجی

د: تقسیم‌بندی بر اساس موادی که حسگرها از آن‌ها ساخته می‌شوند

در ادامه و در جدول ۱ این تقسیم‌بندی به همراه معرفی حسگرهایی که در هر دسته قرار می‌گیرند، آمده است.

 

 جدول 1– انواع تقسیم‌بندی حسگرها

تقسیم‌بندی بر اساس نوع عملکرد	تقسیم‌بندی بر اساس نوع کاربرد	تقسیم‌بندی بر اساس خروجی	تقسیم‌بندی بر اساس موادی که حسگرها از آن‌ها ساخته می‌شوند
حسگرهای تماسی حسگرهای حرارتی حسگرهای مقاومتی حسگرهای ولتاژی حسگرهای جریانی حسگرهای خازنی حسگرهای حرارتی حسگرهای القایی حسگرهای نوری و لیزری حسگرهای شیمیایی حسگرهای مغناطیسی	شمارش: القایی، خازنی، نوری حرکت: نوری، خازنی سطح: نوری خازنی پیوستگی: نوری انحراف: نوری، خازنی تردد: نوری، القایی سرعت: القایی، خازنی فاصله: القایی شیمیایی: خازنی، القایی حرارت: بی متال، مقاومتی	حسگر با خروجی آنالوگ حسگر با خروجی دیجیتال	سیلیکون فلزات گالیوم آرسناید کوارتز سرامیک پلاستیک پلیمرها

 

کاربردهای حسگر در صنعت برق

امروزه سیستم قدرت متشکل از اجزای مهم مانند ترانسفورماتورها است. برای تضمین قابلیت اطمینان تغذیه این سیستم، استفاده از سیستم نگهداری قوی برای اجزا مختلف سیستم قدرت، امری ضروری محسوب می‌شود. برای تحلیل و ارزیابی سلامت ترانسفورماتورها از راه دور، کامپیوتر در نقاط مختلف شبکه قرارگرفته است آنالیز گازهای حل‌شده در روغن که یکی از روش‌های اصلی پایش ترانسفورماتور است، با بررسی گازهای حل‌شده در روغن و شناخت ارتباط انواع عیوب با گازهای تولیدی در اثر آن‌ها، می‌توان عیب احتمالی ترانسفورماتور را تخمین زد. خطاهای مختلف در صورت وقوع در اطراف و درون ترانسفورماتور قابل پیش‌بینی خواهند بود. تشخیص خطا با تحلیل گازهای محلول ([1]DGA) انجام می‌گیرد که یکی از روش‌های اثبات‌شده در دهه‌های اخیر است] 5. [

 

اندازه‌گیری pH در نیروگاه‌های برق بسیار اهمیت دارد به‌عنوان مثل در برج‌های خنک‌کننده کندانسورها و پساب‌ها و قسمت‌های دیگر نیروگاه مقدار pH آب باید اندازه‌گیری و کنترل شود. برای این منظور از حسگرهای اندازه‌گیری pH استفاده می‌شود] 7 و 6. [

 

از کاربردهای نیروگاهی حسگرهای پیزوالکتریک می‌توان به سطح سنج‌های مخازن، فلومترهای خطوط انتقال سیال، ارتفاع‌سنج‌های مخازن، شتاب سنج‌ها و ارتعاش سنج‌های سامانه‌های دینامیکی، عیب‌یابی و بررسی نشتی قطعات با حسگرهای اولتراسونیک اشاره کرد که با استفاده از نانوذرات PZT می‌توان به عملکرد با دقت بالاتر دست پیدا کرد] 8. [

با استفاده از حسگرهای گازی برای آنالیز دود، میزان اکسیژن و منواکسید کربن در خروجی دودکش بویلر اندازه‌گیری می‌شود. در این حالت می‌توان تنظیمات هوا و سوخت را انجام داد و سیستم را در بهترین حالت و بالاترین راندمان تنظیم کرد. نتیجه این عملیات کاهش مصرف سوخت خواهد بود] 9. [

 

 

عیب‌یابی ماشین‌های دوار یکی از چالش‌های مهم بخش نگهداری و تعمیرات کارخانه‌ها تولیدی است. در نیروگاه‌ها نیز توربین‌ها ماشین‌های دوار هستند که عیب‌یابی و نگهداری از آن در کارایی و کم کردن هزینه تولید برق تأثیر بسزایی دارد. حسگرهای لرزشی زمانی که ارتعاشات شفت مخصوصاً در یاتاقان در مرحله تحریک بشدت بالا رفته و گاهی از حدود هشدار و خطر تجاوز کند، دستور توقف ماشین را صادر می‌کند. با اندازه‌گیری و آنالیز ارتعاشات شفت از طریق حسگرهای نصب‌شده روی قطعه مشکل توربین تشخیص داده می‌شود. می‌توان با تشخیص درست عیب جلوی هزینه‌های گزاف ناشی از انجام تعمیرات بی‌مورد و توقف تولید را گرفت] 10. [

 

برخی از کاربردهای حسگر در نیروگاه‌ها و هدف استفاده از آن‌ها در زیر آورده شده است] 11 [:

اندازه‌گیری سطح آب کندانس در کندانسور اصلی

اندازه‌گیری دبی حجمی با استفاده از فلومترهای ویژه بر روی خطوط گاز ورودی به نیروگاه

اندازه‌گیری سطح آب در پیش گرم‌کن‌های فشار کم و زیاد و نیز بویلر درام

اندازه‌گیری جریان عبوری در خطوط Unloading و جبران سازی حرارتی

اندازه‌گیری سطح آب ذخیره‌شده در مخازن نیروگاه به روش Ultrasonic

فلومترهای ویژه اندازه‌گیری دبی بخار

 

2. چالش‌های موجود در سیستم‌های قدرت و کاربرد حسگرهای نانوساختار در حل آن‌ها

حسگرها در نیروگاه‌های حرارتی نقش کلیدی در کنترل و مراقبت از تجهیزات ایفا می‌کنند و موجب افزایش طول عمر قطعات می‌شوند. به‌طورکلی چالش‌های حسگرها در نیروگاه را می‌توان تحت موارد زیر برشمرد:

• دقت پایین حسگرها
• سرعت پاسخ‌دهی کم حسگرها
• مقاومت کم حسگرها در شرایط مختلف
• حساسیت کم حسگرها
• پاسخ‌دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما، قدرت یونی محیط و …
• تکرارپذیری و صحت کم حسگرها

 

حسگرهای موجود در صنعت برق هرچه مشکلات کمتری داشته باشند کنترل و بررسی بهتری روی قطعات صورت می‌گیرد و طول عمر قطعات افزایش می‌یابد. یک حسگر ایدئال باید خصوصیات زیر را داشته باشد] 12 [:

1. سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه هدف باشد.
2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه موردنظر عمل کند.
3. قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5. سرعت پاسخ‌دهی بالایی داشته باشد. (درحد میلی‌ثانیه)
6. عدم پاسخ‌دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما، قدرت یونی محیط و … داشته باشد.

 

3. راهکار فناوری‌نانو برای رفع چالش‌ها

فناوری‌نانو، دانش کاربردی است که زمینه‌های گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. ریز کردن مواد و رساندن آن‌ها به مقیاس نانو منجر به ایجاد خواص و ویژگی‌های جدید در آن‌ها می‌شود. استفاده از مواد نانومتری در صنایع مختلف باعث بهبود کیفیت و افزایش طول عمر قطعات خواهد شد. به‌طورمعمول به موادی نانوساختار گفته می‌شود که حداقل یکی از ابعاد آن‌ها کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر باشد. [13]

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوست، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک‌تر و دارای قابلیت‌های بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می‌شود. به‌طوری‌که در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس‌اند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطر کوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی برخوردارند. به‌طوری‌که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می‌دهند] 14. [

به‌طور صریح این قبیل مزایای نانوحسگرها باعث شده است که به‌عنوان فرصتی وسوسه‌انگیز برای بازار تلقی شوند. نانوحسگرها به‌طور ذاتی کوچک‌تر و حساس‌تر از سایر حسگرها می‌باشند. همچنین این ظرفیت را دارند که قیمت تمام‌شده آن‌ها کمتر از قیمت تمام‌شده حسگرهای موجود در بازار باشد] 15. [

 

————————————

[1] Dissolved gas analysis (DGA)

 

برای مثال اگر قیمت حسگرهای صنعتی متداول امروزی، چند 10 هزار دلار باشند، برای نانوحسگرهایی که بتوانند همان کار را انجام دهند به‌صورت نظری چند 10 دلار برآورد می‌شود. نانوحسگرها همچنین هزینه جاری را نیز کاهش می‌دهند؛ زیرا به‌طور ذاتی برق کمتری مصرف می‌کنند] 16. [

درنهایت ازآنجایی‌که نانوحسگرها هزینه‌های خرید و اجرا را کاهش می‌دهند؛ ممکن است به‌کارگیری آن‌ها به‌صورت آرایه‌ها و توده‌ها مقرون‌به‌صرفه باشد و همچنین بتوانند به شکل فراگیر و حتی اضافی در قطعات کاربرد پیدا کنند؛ به‌طوری‌که اگر یک نانوحسگر از کار بیفتد و از مدار خارج شود، بتوان از آن صرف‌نظر کرد و ضریب امنیت در حد مطلوبی باقی بماند، زیرا تعداد زیادی نانوحسگر دیگر در سیستم می‌توانند کار آن را به عهده بگیرند. در مورد نانوحسگرها نیز، تفاوت چشمگیر در خواص نوری، مغناطیسی و الکتریکی نانومواد نسبت به حالت توده خود مشاهده می‌شود. نانوحسگرها می‌توانند برای ساخت و توسعه حسگرهای باکیفیت  بالا و بی‌نهایت حساس برای محاسبه دما، فشار و لرزش  در شرایط نامساعد، به کار گرفته شوند. حسگرهای نوین ازنظر اندازه کوچک بوده  و همچنین این قابلیت رادارند که در دماها و فشارهای بالا نیز کار کنند.

در همین راستا، سامانه‌های تشخیص آنلاین و پیشرفته‌ای ساخته‌شده است که می‌توانند داده‌های مربوط به دما و مقدار تجمع برخی از گازهای حلال در روغن ترانسفورماتور را با کمک حسگرهای غیر مهاجم فناوری‌نانو ثبت کنند. بعد از شناسایی و موقعیت‌یابی این سیگنال‌ها، داده‌ها به نزدیک‌ترین ایستگاه برای ذخیره در ابرکامپیوترها ارسال خواهند شد. برای تحلیل و ارزیابی سلامت ترانسفورماتورها از راه دور، کامپیوتر در نقاط مختلف شبکه قرارگرفته است.

 

نانوحسگرها

نانوحسگرها در ابعاد نانومتری به دلیل کوچکی و نسبت سطح بزرگ از دقت و میزان واکنش‌پذیری بـالایی برخوردارنـد. به‌طوری‌که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می-دهند.

دو نمونه از مواد نانوساختار که در حسگرها زیاد استفاده شده‌اند، نانوساختارهای کربنی مانند نانولوله‌ها و نانوذرات پالادیم می‌باشند. نانولولـه کربنـی را می‌توان به‌صورت یک صفحه گرافیت فرض کرد که به شکل اسـتوانه درآمده است. جذب سطحی گاز در نانولوله بر هدایت الکتریکی آن اثر می‌گذارد که اساس کار حسگرها است] 18. [در شکل زیر روند ورود نانوفناوری به فناوری ساخت سنسور مشاهده می‌شود.

با استفاده از فناوری‌نانو و لیتوگرافی نسل جدیدی از حسگرها به صنعت عرضه شده است که علاوه بر کارایی بالا دارای صحت و دقت بهتری نسبت به حسگرهای قدیمی‌تر است. این حسگرها بخشی از فناوری نانوالکترومکانیک و میکرو الکترومکانیک هستند.

سامانه‌های نانو الکترومکانیکی[1]NEMS فناوری سامانه‌های بسیار کوچک در ابعاد نانومتر است.NEMS یک گام جلوتر از سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی MEMS[2] است. NEMS معمولاً شامل ترکیبی از ترانزیستورها (الکتریکی) و حسگرها و موتورها (مکانیکی) است. نانوحسگرها و میکرو حسگرها دارای فناوری ساخت مشابهی می‌باشند و از فناوری‌نانو در ساخت ماسک لیتوگرافی آن‌ها استفاده می‌شود] 19. [

استفاده از نانوساختارها در ساخت حسگرهای مختلف در سال‌های اخیر] 20. [

 

در ادامه به ابتدا به معرفی سامانه‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی و روش ساخت آن‌ها می‌پردازیم و سپس برخی از کاربردهای فناوری‌نانو و سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی در ساخت حسگرهای اندازه‌گیری پارامترها و فاکتورهای مختلف پرداخته شده است.

 

سامانه‌های نانو الکترومکانیکی و سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی MEMS & NEMS) (

 

سامانه‌های نانو الکترومکانیکی و میکروالکترومکانیکال دارای روش ساخت مشابهی هستند و سیلیسیوم یک ماده مناسب برای ساخت این قطعات است. زیرا این ماده خواص فیزیکی و مکانیکی مناسب برای ماشین‌کاری دارد. همچنین Si ارزان‌قیمت و به‌وفور در معادن یافت می‌شود. معمولاً این حسگرها بر روی ویفرهای سیلیکونی ساخته می‌شوند که این ویفرها تک کریستال می‌باشند. سپس لایه‌هایی که حسگر از آن‌ها ساخته می‌شود بر روی ویفر سیلیکونی نشانده می‌شود و روی آن‌ها با استفاده از پوشش‌دهی چرخشی لایه فتورزیست را لایه نشانی می‌کنیم. فتورزیست[3] ماده‌ای پلیمری است که با برخورد پرتو می‌تواند در برابر اچ شدن مقاوم‌تر یا ضعیف‌تر شود و این مسئله بستگی به نوع فتورزیست دارد. به‌وسیله یک ماسک با الگو مشخص و یک منبع پرتو می‌توانیم الگوی خاصی را بر روی بر روی فتورزیست منتقل کنیم و قسمت‌هایی از فتورزیست را با اچ کردن از بین ببریم و با استفاده از ماده ویژه اچ لایه‌های زیر فتورزیست، آن‌ها را هم اچ کنیم و بعد از حذف فتورزیست الگویی از لایه اصلی داشته باشیم. با چند مرحله انجام این کار و ایجاد لایه‌های با جنس‌های مختلف بر روی‌هم با الگوهای مشخص حسگر ساخته می‌شود. در شکل زیر مراحل ساخت حسگر به‌صورت شماتیک مشاهده می‌شود]21 [.

 

———————————————————–

[1] Nanoelectromechanical systems

[2] Microelectromechanical systems

[3] Photoresist

 

 

روش ساخت حسگرهای میکرو و نانو الکترومکانیکی]21 [.

 

 

 

• لایه نشانی روی ویفر سیلیکونی و لایه نشانی فتورزیست
• تاباندن نور جهت لیتوگرافی و انتقال الگو خاص با استفاده از ماسک روی فتورزیست
• اچ کردن فتورزیست و لایه‌برداری قسمت‌های اضافی
• اچ کردن زیر لایه که فتورزیست روی آن قرار گرفته
• اچ کردن فتورزیست

برای ساخت یک حسگر ممکن است چندین بار مراحل بالا جهت لایه نشانی لایه‌های مختلف انجام شود به‌عنوان نمونه شکل زیر ساخت یک حسگر مشاهده می‌شود]21 [.

 

مراحل ساخت یک حسگر]22 [.

  

نانوحسگرهای گازی

ساخت نانوحسگرهای گازی یکی از موضوعات قابل‌توجه در دهه‌های اخیر به جهت کاربردهای فراوان آن‌ها در صنایع مختلف غذایی، شیمیایی، بهداشتی، نظامی و حتی تحقیقات فضایی بوده است. نشت گازهای مهلک یکی از خطرات روزمره زندگی صنعتی است. متأسفانه هشداردهنده‌های موجود در صنعت اغلب بسیار دیر موفق به شناسایی این‌گونه گازهای نشتی می‌شوند. نمونه‌هایی از این نوع حسگرها از نانولوله‌های تک لایه به ضخامت حدود یک نانومتر ساخته‌شده‌اند و می‌توانند مولکول‌های گازهای سمی را جذب کنند. آن‌ها همچنین قادر به شناسایی تعداد معدودی از مولکول‌های گازهای مهلک در محیط هستند. این‌گونه حسگرهای گازی برای شناسایی گازهای آمونیاک و دی‌اکسید نیتروژن که ازجمله گازهای سمی به شمار می‌روند، با موفقیت آزمایش‌شده‌اند.
همچنین طی سال‌های اخیر نانوحسگرهای اکسیدهای فلزی توجه زیادی را در حوزه علوم پایه و کاربردی به خود جلب کرده‌اند. این حسگرها عمدتاً از نیمه‌هادی‌های اکسید فلزی همچون نانو اکسید قلع، نانو اکسید روی و نانو اکسید مس ساخته می‌شوند. نمونهٔ آزمایشی این حسگرها قادر به شناسایی آنی مولکول‌های آمونیاک و دی‌اکسید نیتروژن در غلظت ppm 20 (یعنی 20 قسمت در یک‌میلیون قسمت) است. محققان مدعی‌اند که این حسگرها برای شناسایی به هنگام آلاینده‌های هوا و حتی مولکول‌های آلیِ موجود در فضا کاربرد خواهند داشت] 23. [

یکی از سازوکارهای حسگر گازی شناسایی بر اساس جذب و تغییر جرم است. به این صورت که از یک تیرک باضخامت کمتر 150 نانومتر که با اعمال جریان متناوب با فرکانس مشخص در حال نوسان است، ساخته شده‌اند، سطح این تیرک توانایی جذب یک یا چند گاز مشخص را دارد. با جذب گازها وزن تیرک تغییر می‌کند و موجب تغییر فرکانس نوسان تیرک می‌شود. با اندازه‌گیری تغییر فرکانس نوسان توسط دو قطعه اندازه‌گیری متصل به تیرک با ابعاد نانو که خاصیت پیزو رزیستیو[1] دارند می‌توان به غلظت گاز موجود در محیط دست یافت. در شکل زیر نمونه این حسگر مشاهده می‌شود] 24. [

 —————————-

[1] piezoresistive

 

نانوحسگر تشخیص گاز] 24 [

 

در سال 2004 شرکت Applied Nanotech یک حسگر تشخیص هیدروژن درونی ترانسفورماتور با استفاده از نانوذرات آلیاژ پالادیم روی یک زیرلایه دی‌الکتریک ساخت. شکل زیر تصویر میکروسکوپ الکترونی از این حسگر را نشان می‌دهد ]25 [.

 

تصویر میکروسکوپ الکترونی از یک حسگر گازی نانوذرات پالادیم بر روی یک سطح دی‌الکتریک]25 [

نتایج تجربی نشان می‌دهد که حسگرهای مبتنی بر نانوذرات آلیاژ پالادیم توانایی تشخیص هیدروژن در روغن ترانسفورماتور را از 20 تا 4000 ppm دارند و می‌تواند سطح گاز H₂ را کمتر از 10 ثانیه تشخیص دهد. این فنّاوری بسیار کوچک است و مانند یک مربع کوچک چند میلی‌متری است که می‌توان به‌راحتی در کنار ترانسفورماتور آن را جا داد و به‌طور مداوم و مستمر شرایط ترانسفورماتور را کنترل کرد.

دیگر حسگری که برای تشخیص گازهای متان، CO و H₂ داخل روغن ترانسفورماتور اخیراً توسط محققان ساخته‌شده است، به‌صورت یک‌لایه نازک از جنس منگنز دوپ شده با نانوذرات ZnO است. این سنسور توانایی تشخیص CH₄ و H و CO را در دماهایی مختلف دارد و می‌تواند پدیده‌های کرنا، قوس الکتریکی و دمای بیش‌ازحد عایق‌های سلولزی را پیش‌بینی کند ]26 [.

حسگر گازی دیگری با استفاده از نانو میله‌های ZnO ساخته‌شده است که توانایی تشخیصی گاز H₂ را با غلظت 5 تا 100 ppm در روغن ترانسفورماتور دارد. اخیراً حسگری با استفاده از CNT و نیکل دوپ شده با آن ساخته‌شده که توانایی تشخیص گازهای C₂H₂، C₂H₄ و C₂H₆ را دارد. حسگرهای دیگری نیز با نانوذرات SnO₂ و نانولوله‌های کربنی (CNT) ساخته‌شده است ].27 [.

 

نانوحسگرهای فشار

حسگرهای فشار عموماً فشار گاز یا مایع را اندازه می‌گیرند. حسگر فشار معمولاً به‌صورت مبدل کار می‌کند و سیگنالی تابع اثر فشار تولید می‌کند. از این حسگرها روزانه برای کنترل و پایش هزاران کاربرد استفاده می‌شود و می‌توانند به‌طور غیرمستقیم برای اندازه‌گیری سایر متغیرها استفاده شوند. برای مثال: دبی سیال/ گاز، سرعت، سطح مایع و ارتفاع از این متغیرها هستند. چند روش اندازه‌گیری فشار در زیر معرفی‌شده است ]28: [

• گیج‌های کشش پیزو رزیستور

عموماً گیج‌های کشش در یک ساختار مدار پل وتستون اتصال می‌یابند تا خروجی حسگر را حداکثر کنند. این معمول‌ترین فنّاوری به کار گرفته‌شده برای اهداف عمومی اندازه‌گیری فشار است. این فنّاوری‌ها با اندازه‌گیری فشار مطلق، گیج، خلأ و فشار تفاضلی وفق داده می‌شوند]29 [. از اثر پیزو رزیستور در فشارسنج‌ها به این صورت استفاده می‌شود که لایه‌ای از ماده پیزوالکتریک در برابر فشار قرار می‌گیرد و با وارد شدن فشار به این لایه مقاومت تغییر می‌کند، با اندازه‌گیری تغییرات مقاومت لایه پیزو رزیستسو می‌توان به مقدار فشار رسید. معمولاً این نوع فشارسنج‌ها از سیلیکون (مونو کریستالی) و پوسته نازک پلی سیلیکون ساخته می‌شوند.

 

• خازنی

از دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر استفاده می‌شود تا کشش ناشی از فشار اعمالی را تعیین کند. در فنّاوری‌های معمولی از فلز، سرامیک و دیافراگم‌های سیلیکون استفاده می‌کنند. این فنّاوری‌ها برای فشارهای کم‌کاربرد دارند. در حسگر فشار نوع خازنی فشار تفاضلی به دیافراگم اعمال می‌شود که باعث می‌شود دیافراگم به یکی از صفحات خازن نزدیک شده و از دیگری دور شود؛ بنابراین ظرفیت خازن تغییر می‌کند که این تغییر متناسب با فشار اعمال‌شده به دیافراگم است. تغییر ظرفیت خازن توسط مدار الکتریکی و مبدل تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود که در واحدهای فشار کالیبره شده است]29 [.

 

دیافراگم و کاواک فشار برای ایجاد خازن متغیر]30 [.

 

 پیزوالکتریک

از اثر پیزوالکتریک (تغییر  ولتاژ خروجی  یک ساختار کریستالی در اثر اعمال فشار مکانیکی) در برخی مواد خاص مانند کریستال کوارتز برای اندازه‌گیری فشار استفاده می‌شود. این فنّاوری برای اندازه‌گیری فشارهای پویا استفاده می‌شود. کریستال پیزوالکتریک به یک دیافراگم فلزی متصل می‌شود. یک سمت دیافراگم برای اندازه‌گیری فشار، در تماس با سیال فرایند است و سمت دیگر دیافراگم به‌طور مکانیکی به کریستال متصل است. در شکل زیر نمونه‌ای از این دیافراگم مشاهده می‌شود. سیگنال ولتاژ خروجی کریستال دامنه کوچکی دارد (در محدوده میکرو ولت) پس باید یک تقویت کننده با امپدانس ورودی بالا به کار گرفته شود. به‌منظور جلوگیری از اتلاف سیگنال، تقویت‌کننده باید در نزدیکی حسگر نصب شود. کریستال تا دمای ۴۰۰ °F را تحمل می‌کند. تغییرات دما کریستال را تحت تأثیر قرار می‌دهد بنابراین جبران سازی دما باید صورت گیرد]30 [.

دیافراگم فشار که ماده تشکیل‌دهنده دیافراگم از مواد پیزوالکتریک است]29 [.

 

 

رزونانس

اعمال فشار باعث ایجاد تغییر در چگالی گاز می‌شود و آن نیز موجب تغییر فرکانس رزونانس می‌شود. برای استفاده از این فنّاوری می‌توان از ابزار «جمع کننده نیرو» مانند موارد ذکرشده در بالا استفاده کرد. هم‌چنین می‌توان عنصر رزونانس کننده را به‌طور مستقیم در معرض ماده قرارداد. در این صورت نیز فرکانس نوسان وابسته به چگالی ماده است. این حسگرها معمولاً از سیم‌های نوسان کننده، تیوب‌های نوسان کننده، کوارتز، و سامانه‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) ساخته می‌شوند. در کل مشخصه این فنّاوری، خروجی پایدار آن است]31 [.

 

 

 

حسگر لرزه‌نگار

در نیروگاه‌ها با نصب حسگرهای لرزه‌نگار بر روی شفت و یاتاقان قطعات نیروگاه می‌توان لرزش‌های غیرعادی را قبل از ایجاد هر مشکلی شناسایی کرد و قطعات را تعمیر کرد، این مسئله باعث افزایش طول عمر قطعات نیروگاهی می‌شود. به نظر می‌رسد با کاربرد فناوری‌نانو در ایجاد حسگرهای جدید می‌توان ثبت لرزه‌ها را به‌صورت دقیق‌تر انجام داد. زیرا امکان واردکردن نانوحسگرها در لایه‌های مختلف زمین و ثبت لرزه‌ها از موقعیت‌های متنوع‌تر وجود دارد.

در این بخش نوعی حسگر صوتی مورداستفاده قرار می‌گیرد، که ژئوفون نام دارد. این حسگرها با ثبت اطلاعات به‌صورت صوتی و بازیابی آن‌ها پس از عملیات لرزه‌نگاری مورداستفاده قرار می‌گیرند. فناوری‌نانو می‌تواند علاوه بر پیشرفت فوق با نانوساختار کردن ژئوفون‌ها به عملکرد سریع و ثبت اطلاعات صوتی دقیق‌تر منجر گردد.

یکی از انواع حسگرهای میکرو الکترومکانیکی کربنی کارایی مناسبی در گستره وسیعی از بیومواد و مواد شیمیایی دارد. با استفاده از روش تولید این حسگرها می‌توان ساختارهای کربنی میکرو الکترومکانیکی با “ضریب طول[1]“بزرگ‌تر از 10 تولید کرد]32 [.

با کمک نانوفناوری می‌توان گستره وسیعی از MEMSها و NEMSها با “ضریب طول” بالا که قابلیت شارژ / دشارژ شدن توسط یون Li را دارند، تولید کرد. این سیستم‌ها پتانسیل تولید آرایه باتری‌هایی از مواد هوشمند قابل سوئیچ را خواهند داشت.

در دانشگاه تگزاس “شناوری مغناطیسی با دقت بالا “را که در بسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی فناوری‌نانو و سایر فنّاوری‌هایی که بر اساس اندازه‌گیری دقیق حرکات و نیروها کار می‌کنند، موردبررسی قرار داده شده است. این فنّاوری‌ها شامل ساختن ساختارهای نانومقیاس، کاربری در مقیاس اتمی، مونتاژ میکرو قطعات و آشکارسازهای حرکات لرزه‌ای می‌باشند. با توجه به کاربرد گسترده فنّاوری موردنظر در علوم و مهندسی نانو، کاربرد آن در فعالیت‌های بالادستی نفت ازجمله لرزه‌نگاری نیز محتمل است. همچنین شرکت‌های BP و Shell نیز برای کشف و استخراج میدان‌های جدید نفت و گاز از فنّاوری‌های نانو در تصویربرداری لرزه‌ای و لرزه‌نگاری چهاربعدی استفاده می‌کنند. شرکت Texas –Based Input / Output Inc  از MEMS برای تهیه داده‌های لرزه‌نگاری چاه‌های نفت و گاز استفاده خواهد نمود. این ابزار، داده را به‌صورت دقیق‌تر و کم‌حجم‌تر از ژئوفون‌های معمولی ثبت می‌کند]33 [.

 

حسگرهای اندازه‌گیری pH

در حسگرهای اندازه‌گیری pH از عواملی استفاده می‌شود که تغییر pH روی آن‌ها تأثیر داشته باشد و با تغییر pH یک ویژگی در ماده تغییر کند که با اندازه‌گیری تغییرات آن ویژگی مقدار pH به دست آید. با استفاده از نانوسیم‌ها می‌توان pH را اندازه‌گیری کرد و سازوکار عملکرد آن به این صورت است که با تغییر pH مقدار بار مثبت و منفی روی سیم تغییر می‌کند. در شکل زیر ساختار این نانوحسگر مشاهده می‌شود.

حسگر اندازه‌گیری pH با استفاده از نانوسیم]34 [.

می‌توان حسگر را به‌صورت یک ترانزیستور در نظر گرفت که الکترود گیت نانوسیم است و دو الکترود دیگر هم در دوسر سیم وجود دارد. با تغییر بار روی سیم الکترود گیت ولتاژ مثبت یا منفی اعمال می‌کند و ولتاژ در دو الکترود دیگر تغییر خواهد کرد و می‌توان با اندازه‌گیری این ولتاژ در الکترودها مقدار تغییر pH را به دست آورد]34 [.

 

4. محصولات صنعتی

در داخل کشور تحقیقات بسیار زیادی در مورد ساخت و بهینه‌سازی حسگرها صورت گرفته است و سنسورهای مختلف با کارایی‌های متنوع ساخته شده است ولی تابه‌حال شرکتی درزمینهٔ ساخت سنسورها به کمک نانوفناوری وجود نداشته است و در ایران نانوحسگر به‌صورت تجاری تولید نشده است. در جهان محصولات مختلفی از حسگرها وجود دارد که در ساخت آن‌ها از فناوری‌نانو بهره گرفته‌اند، در جدول 2 به معرفی برخی از این محصولات پرداخته شده است.

 

 

 

 

جدول 2– نمونه‌ای از محصولات صنعتی در جهان

تصویر محصول	نام محصول	شرکت
	فشارسنج محیطی بر پایه سیلیکون NPR-101 مدل	NovaSensor
	حسگر فشار مطلق با خروجی دیجیتال مدل NPA 201	NovaSensor
	حسگر فشار مدل NPA	NovaSensor
	حسگر گاز برای بررسی کیفیت هوا مدل CCS811	Hong Kong feng tai co., LTD
	حسگر متان و هیدروژن	Applied Nanotech, Inc
	حسگر گازهای مختلف NO2 H2 O3 مدل MiCS-2714	Fast&Efficient Electronical Components Co.,Ltd
	بدو حساسیت به دما	Liyuan Electronic
	حسگر فشار مدل PCB11 با محدوده 100 کیلو پاسگال تا 2 مگا پاسگال و توانایی کار در دماهای بالا	Liyuan Electronic
	سنسور دیجیتالی کنترل کیفیت هوا مدل iAQ-core	Red Yellow Store
	سنسور هیدروژن بر پایه نانوذرات پالادیوم	Applied Nanotech, Inc

 

تحقیقات و نوآوری در ساخت سنسورهای مختلف با استفاده از فناوری‌نانو به‌صورت روزافزونی در حال رشد است. در جهان پتنت‌های مختلفی در مورد حسگرها به ثبت رسیده است که در ادامه در جدول 3 برخی از این ثبت پتنت‌های آورده شده است.

جدول 3– نمونه‌ای از پتنت ها در مورد نانوحسگرها

خلاصه	مخترع	صاحب‌امتیاز	عنوان	شماره پتنت
ساخت نانوحسگر گازی و استفاده از آن برای ساخت دستگاه پرتابل آنالیز	Anastasia Rigas	AMDT Inc.	ساخت نانوسنسورهای آنالیز گازهای مختلف	US 20120065534 A1
ساخت نانوکامپوزیت نانولوله‌های کربنی و پلیمر جهت ساخت حسگر	Pulickel Ajayan, Emer Lahiff, Paul Stryjek, Chang Y. Ryu, Seamus	Rensselaer Polytechnic Institute	ساخت حسگر با آرایه‌های نانولوله کربنی	US 20110169704 A1
ساخت حسگر با نانوذرات نقره جهت شناسایی مواد مختلف	Margaret Elizabeth Brennan, Gordon James Armstrong, John Moffat Kelly, Aine Marie	The Provost, Fellows And Scholars Of The College Of The Holy And Undivided Trinity Of Queen Elizabeth Near Dublin	ساخت سنسورهای تشخیص و آنالیز با نانوذرات نقره	WO 2004086044 A1
ساخت سنسورهای پلیمری همراه با نانوذرات فلزی	Eran Ofek, Amir Lichtenstein, Noel Axelrod, Vered Pardo-Yissar	Physical Logic Ag	نانوسنسورهای پلیمری	WO 2007057906 A2
ساخت حسگر تشخیص گاز دی‌اکسید کربن	Daniel Chang,et al	Chang Daniel M,et al	نانوسنسور دی‌اکسید کربن و پایش لحظه‌ای دی‌اکسید کربن	US 20070048181 A1
ساخت نانوسنسورهای مختلف با استفاده از نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها	Charles M. Lieber, Hongkun Park, Qingqiao Wei, Yi Cui, Wenjie Liang	President And Fellows Of Harvard College	نانوسنسورها	US 7911009 B2
معرفی روشی برای ساخت نانوسنسورها یا استفاده از نانوساختارهای مختلف	Charles M. Lieber, Ying Fang, Fernando Patolsky	President And Fellows Of Harvard College	نانوسنسورها و فناوری‌های وابسته آن	US 20100087013 A1
ساخت نانوسنسورهایی با عوامل زیستی مانند دیان ای	Lieber, Charles M. Patolsky, Fernando Zheng, Gengfeng	President and Fellows of Harvard College (Cambridge, MA, US)	سنسورهای مقیاس نانو	US 11/501466
ساخت سنسورهایی با استفاده از نانوسیم‌ها و ساختارهای شبیه به ترانزیستور	Lieber, Charles M.at al	President and Fellows of Harvard College (Cambridge, MA, US)	نانو سنسورهای ترانزیستوری با استفاده از نانوسیم و نانولوله کربنی برای ساخت حسگرها و کاربردهای دیگر	US 14/124816
با استفاده از نانوسیم‌ها ا FET ساخت نانوسنسور حساس	Lieber, Charles M. Patolsky, Fernando Zheng, Gengfeng	President and Fellows of Harvard College (Cambridge, MA, US)	سنسورهای نانومقیاس با حساسیت بالا	US 14/030170
ساخت حسگر شیمیایی و زیستی با استفاده از یک تیرک نانومقیاس	Novotny, Vlad Joseph	Novotny, Vlad	نانوسنسورهای شیمیایی و زیستی	US 13/209442
ساخت معرفی مواد برای استفاده در نانوسنسور ها	Clark, Heather A. (Lexington, MA, US) Luo, Yi (Malden, MA, US	Northeastern University (Boston, MA, US)	نانوسنسورهای کامپوزیتی و روش استفاده از آن	US 15/373096
معرفی روشی برای ساخت نانوسنسورهای مختلف	Shim, Jeo-young Jeon, Tae-han Lee, Dong-ho Jeong, Hee-jeong Cho, Seong-ho	SAMSUNG ELECTRONICS CO., LTD. (Suwon-si, KR)	نانوسنسورها و روساخت عملگرهای مشابه آن	US 14/224770
ساخت نانو سنسورهای فشار ممز و نمز	Loic Joet	Commissariat A L’energie Atomique Et Aux Energies Alternatives	سیستم‌های میکرو و نانوالکترومکانیکال برای حسگر فشار و بهبود عملکرد آن	US 20160277847 A1
ساخت حسگر فشار با استفاده از فناوری ممز	Yizhen Lin, Woo Tae Park, Mark E. Schlarmann, Hemant D. Desai	Freescale Semiconductor, Inc.	روش ساخت سنسورهای میکروالکترومکانیکال	US 8316718 B2
ساختار حسگر فشار با استفاده از رزونانس	Kim Phan Le, Willem Frederik Adrianus Besling	Ams International Ag	سنسورهای فشار مبتنی بر رزونانس	US 9383285 B2
ساخت حسگر ممز فشار یا حساسیت کم در مقابل فشار	Antonio Molfese, Luca Coronato, Gabriele	Maxim Integrated Products, Inc.	حسگر فشارسنج میکرو الکترومکانیکال با دقت بالا که نسبت به گرما و تنش حساس نیست	US 9352955 B2
ساخت حسگر ممز با قابلیت این مسئله که هم حسگر فشار و هم حسگر اینرسی باشد	Jia Jie Xia, et al	Globalfoundries Singapore Pte. Ltd.	ترکیب سنسورهای فشار و اینرسی در سیستم میکرو الکترومکانیکال	US9550668 B1

  

خلاصه مدیریتی

می‌توان انتظار داشت که در آینده با ترکیب محرک‌ها و نانوحسگرها بتوان مواد هوشمندی ساخت که در فرایندهای تولید سیستم‌های پیچیده نقش‌های مهمی ایفا کرده و فناوری جدید دیگری را پایه‌ریزی کنند. گرچه موانعی مانند افزایش قیمت، اطمینان‌پذیری از تأثیر و نیز اطمینان از کاربرد آن‌ها در زمینه‌های صلح‌آمیز نیز باید از سر راه برداشته شود. برای تحلیل و ارزیابی سلامت نیروگاه‌های تولید برق می‌توان از حسگرها استفاده کرد و با استفاده از نانوحسگرها می‌توان با دقت و صحت و قیمت کمتری این ارزیابی را انجام داد. با استفاده از نانوحسگرها در نیروگاه‌ها می‌توان قبل از وقوع مشکلات جدی در سیستم تولید برق آن‌ها را پیش‌بینی کرد و از متوقف شدن نیروگاه جلوگیری کرد و با مانیتورینگ قسمت‌های مختلف عمر تجهیزات را افزایش داد و فاصله بررسی و تعمیرات دوره‌ای را زیاد کرد، تمامی این مسائل به افزایش عمر قطعات و کاهش هزینه تولید برق منجر می‌شود.

 

مراجع:

 

1. ابزار دقیق و اجزاء کنترل صنعتی – کتاب- دکتر کمال‌الدین نیک‌روش – دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2. کاربرد سنسورها در اتوماسیون- جزوه – دکتر بهزاد مشیری – دانشگاه تهران
3. https://ekahroba.com/
4. http://defrost.irhttps://ekahroba.com
5. Cargol, T. An overview of online oil monitoring technologies. in Proceedings of the forth annual Weidmann-Acti tachnical conference, San Antonio. 2005
6. http://arkanarzesh.com/
7. http://fa.journals.sid.ir/ViewPaper.aspx?id=26186
8. http://instrucenter.com/fa
9. http://news.tavanir.org.ir/press/press_detail.php?id=18866
10. تشخیص علت و رفع مشکل ارتعاش بالای روتور ژنراتور واحد اول نیروگاه مارون
    مهدی درویش پسند وحید رضایی پنجمین کنفرانس پایش وضعیت و عیب‌یابی

 

11. http://www.aryainstrument.com/index.php?newsid=61
12. http://nanoclub.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=2684&lang=1
13. Muhammad Rafiq, Yuzhen Lv, and Chengrong Li” A Review on Properties, Opportunities, and Challenges of Transformer Oil-Based Nanofluids” Journal of Nanomaterials,2016
14. http://cygnusx-1.blogfa.com/post-195.aspx
15. https://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%AD%D8%B3%DA%AF%D8%B1
16. http://paper.nano.ir/print/1/1099
17. http://naftema.com/news/57402
18. Sinha, N., J. Ma, and J.T. Yeow, Carbon nanotube-based sensors. Journal of nanoscience and nanotechnology, 2006. 6(3): p. 573-590.
19. https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%B3%D8%A7%D9%85%D8%A7%D9%86%D9%87_%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88_%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%85%DA%A9%D8%A7%D9%86%DB%8C%DA%A9%DB%8C
20. A Conceptual Review of Nanosensors Teik-Cheng Lima and Seeram Ramakrishnaa, Naturforsch. 61a, 402 – 412 (2006); received May 17, 2006
21. https://www.memsnet.org/mems/processes/lithography.html
22. https://www.engineersgarage.com/articles/mems-technology
23. http://nanoclub.ir/index.php?ctrl=static_page&lang=1&id=2779&section_id=202
24. Complementary metal oxide semiconductor cantilever arrays on a single chip: mass-sensitive detection of volatile organic compoundsD Lange, C Hagleitner, A Hierlemann, Chem., 2002, 74 (13), pp 3084–3095
25. Zhou, W. Chen, S. Peng, X. Su, Nano-tin oxide gas sensor detectioncharacteristic for hydrocarbon gases dissolved in transformer oil, Int. Conf.High Volt. Eng. Appl. 38 (2012) 4–38, 7.
26. Lu, X. Zhang, X. Wu, Z. Dai, J. Zhang, A Ni-doped carbon nanotube sensorfor detecting oil-dissolved gases in transformers, Sensors (Basel) 15 (2015)13522–13532
27. https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AD%D8%B3%DA%AF%D8%B1_%D9%81%D8%B4%D8%A7%D8%B1
28. http://www.simaticgroup.com/%D8%B3%D9%86%D8%B3%D9%88%D8%B1%D9%81%D8%B4%D8%A7%D8%B1
29. NANOSENSORS PHYSICAL, CHEMICAL, AND BIOLOGICAL Vinod Kumar Khanna
30. https://compliantmechanisms.byu.edu/content/introduction-microelectromechanical-systems-mems
31. حسگر فشار مبتنی بر فیبر نوری تداخل‌سنج Perot-Fabry رضا معینیان، ایرانرضا یدی پور
32. https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AD%D8%B3%DA%AF%D8%B1_%D9%81%D8%B4%D8%A7%D8%B1
33. http://www.nano.ir/index.php?ctrl=paper&actn=paper_view&id=1152&lang=1
34. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400512011707

 

 

 ——————————————

[1] معیاری برای اندازه‌گیری انعطاف‌پذیری یکشی یا ستون در برابر فشار است.

 

 

===================================================================================

برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 

 

تهیه و تنظیم:

گروه ترویج صنعتی برق و انرژی