تطوير مجسات دائمة لمراكز الإنتاج المحلي من أجل البيئة الصناعية الهشة

أجهزة الاستشعار العضوية الثابتة ذات المحتوى الفولطي لطلب الشروط الصناعية

إن المراكب العضوية المفلورة هي مواد كيميائية مرتكزة على الكربون، وهي مواد تتبخر بسهولة في درجة حرارة الغرف، وفي البيئات الصناعية، تنشأ الأوعية العضوية المتطايرة من الطلاءات، والمذيبات، والوقود، ووكلاء التنظيف، والتجهيز الكيميائي، ويمكن أن يتسبب التعرض المطول للمركبات العضوية في مشاكل الجهاز التنفسي، والآثار العصبية، بل وحتى السرطان، مما يجعل الرصد الموثوق به حجر الزاوية في السلامة المهنية، وامتثال البيئة البيئية.

التحديات الرئيسية في نشر أجهزة الاستشعار الصوتية في هارش الصناعية

وتشكل البيئات الصناعية مزيجا من الإجهاد الذي يمكن أن يعرّض أداء أجهزة الاستشعار للخطر، فهم هذه التحديات هو الخطوة الأولى نحو تصميم أجهزة الاستشعار التي تنجو وتُقدّم بيانات موثوقة على مدى سنوات من التشغيل.

الإجهاد الحراري وطول درجة الحرارة

فالعمليات الصناعية العديدة تعمل في درجات حرارة تتجاوز نطاق المواد الإلكترونية الاستهلاكية النموذجية، وقد تتعرض أجهزة الاستشعار التي توضع بالقرب من الأفران أو المفاعلات أو أكوام العادم لضوء حرارة مستمرة فوق 100 درجة مئوية؛ وجيم، في حين أن المنشآت الخارجية في المناخ البارد يمكن أن تنخفض إلى أدنى من 20 درجة؛ وتقلل تقلبات درجة الحرارة إلى التأثير على الممتلكات الكهربائية لمواد الاستشعار، وخط الأساس، وأجهزة التجميل الكيميائية للتفاعلات الغازات غير المزيف.

ارتفاع درجة الهضم والتكثيف

وتشكل الرطوبة عاملاً رئيسياً للتدخل في العديد من تكنولوجيات الاستشعار عن طريق التحلل الضوئي، إذ يمكن للجزيئات المائية أن تتنافس مع تحليلات الأهداف لمواقع الاستيعاب، أو أن تغير طريقة سلوك أفلام أكسيد المعادن، أو أن تتخلل المكونات الحساسة وتتسبب في وجود دوائر قصيرة، وفي بيئات مثل مطاحن الورق، ومصانع تجهيز الأغذية، وأبراج التبريد، تتجاوز المعاطف الرطبة نسبياً 90 في المائة.

التلوث والتصويب الكيميائيان

ولا تحتوي الغلاف الجوي الصناعي على الأوعية المشبع بالفلور فحسب بل تحتوي أيضا على غازات تفاعلية مثل كبريتيد الهيدروجين، والكلور، والأمونيا، وثاني أكسيد الكبريت، ويمكن لهذه المركبات التآكلية أن تهاجم الكهروديس المغناطيسي، والثبات، والمساكن، بل إن التركيزات المنخفضة على مدى الأشهر يمكن أن تتدهور الأداء، وتتسبب المعاطف الواقية من البوليمرات الخفية الكيميائية (مثل، واختيار الاصطناعي).

المادة وتراكم الدوق

وتشترك الجسيمات ذات الدوافع والسوائب والجسيمات المحمولة جوا في التعدين وإنتاج الأسمنت والصناعات المعدنية والزراعة، ويمكن للجسيمات أن تستنسخ نسيجات الاستشعار، ونشر الغازات المغلقة، والأسطح الحساسة جسديا، وفي أجهزة الاستشعار الضوئية للغاز، وأجهزة التفريغ والتفريغ، وتخفض كثافة الإشارات.

Mechanical Vibration and Shock

وتولد أجهزة ثقيلة وأجهزة ضغط ومركبات تهتز باستمرار يمكن أن تُشَدَّد مفاصل المبيعات، وأجهزة اتصال مطلية، وتضر بالنظم الميكانيكية الدقيقة الهشة، وتُعد أجهزة الاستشعار التي يتم تركيبها على الأسلحة الآلية، وأحزمة النقل، أو الأجهزة المحمولة التي تُستخدم حمولات الصدمة أثناء التشغيل.

Interference from Non-Target Gases

ويحتوي الهواء الصناعي على مزيج معقد من الغازات، وقد يلبي أيضا جهاز الاستشعار المصمم لكشف البنزين، التلوين أو السيلين أو الإيثانول، مما يؤدي إلى حساسية شاملة، وفي حين أن الانتقائية هي هدف رئيسي، فإن بعض التداخل لا يمكن تجنبه في البيئات المتعددة العناصر، وقد تستخدم أجهزة الاستشعار الدائمة صفائف من عناصر انتقائية جزئيا، مقترنة بمؤشرات تقديرية على النمط، تُعزز الأوراميات البديلة.

أجهزة التحكم في الطاقة في مواقع التطهير عن بعد

ولا يمكن الوصول بسهولة إلى العديد من المواقع الصناعية للحصول على الطاقة والبيانات، إذ يجب أن تعمل أجهزة الاستشعار التي توضع على خطوط الأنابيب أو خزانات أو في الأماكن المحصورة على البطاريات أو حصاد الطاقة، ويصبح استهلاك الطاقة عاملاً قابلاً للدوام لأن التغيرات المتكررة في البطاريات أو دورات إعادة شحن توقف الرصد وزيادة تكاليف الصيانة، كما أن تكنولوجيات الاستشعار ذات القدرة المنخفضة مثل الخلايا الكهروكيميائية أو حرائق أكسيد المعادن المقاومة تعمل في طريقة نقية.

الابتكارات المادية التي تؤدي دوراً دائماً في تطوير أجهزة الاستشعار التابعة لمراكز البحوث الحيوية

وقد أدت التطورات الأخيرة في مجال علوم المواد إلى ظهور طبقات للاستشعار تجمع بين الحساسية العالية والاستقرار الاستثنائي في ظل ظروف قاسية، وهذه المواد تعيد تشكيل قدرات أجهزة الاستشعار الصناعية التجارية لمركبات الكربون العضوية الثابتة.

مادة غرافين وأجهزة إبطال مفعولها

(أ) أن هيكل متغيرات (Gavene) يوفر نسبة عالية من السطح إلى الحجم بشكل غير عادي، مما يجعلها حساسة للغاية بالنسبة للجزيئات المُحتضنة، غير أن الغرافيين البكرينية تفتقر إلى الانتقائية، وقد طور الباحثون عوامل الارتداد الوظيفي للأداء المشتق؛ مثل انخفاض أكسيد الغرافيني (rGO) المُثبتة بأدوات الفلزية المُثَمدة؛

بنية أوكسيد نانو

كما أن بعض الأوكسيد النانوية التي تُنتج عن الناموسيات النانوية، مثل ثاني أكسيد القصدير، وثالث أكسيد التنغستن، وأكسيد الأنديوم (In2O3) هي مواد لأجهزة الاستشعار لدى المركبات العضوية منذ عقود، وتعتمد عملياتها على التغيرات في المقاومة الكهربائية عندما تركز الغازات المستهدفة على السطح، وقد أدى التحدي إلى تحسين الاستقرار في درجات الحرارة العالية والتخفيف من الانجراف الناجم عن الرطوبة.

Polymers and Hybrid Composites

وتُتيح البوليمرات السلوكية، مثل البولينيل، والبوليبيروفلور، وPEDOT، المرونة وعملية تحديد الغرف، ولكنها عانت تاريخيا من ضعف الاستقرار الطويل الأجل، وتُحدث تركيبات جديدة تربط بين سلاسل البوليمر أو تُدمج فيها في مصفوفة غير عضوية قوية (مثلاً، نانووب ثاني أكسيد التيتانيوم) تحسين القدرة على الطباعة الحرارية والكيميائية.

المقتنيات الوقائية والفنية

وحتى أكثر المواد استشعارية استقراراً تعود بالفائدة من طبقة وقائية ترشّح الجسيمات والغازات التآكل دون إعاقة الأوعية الدموية، وتصبح المعاطف الزوليت فعالة للغاية لأن مجهريها الرسمي يتيح للجزائط التي تُستخدم على أساس الحجم والشكل أن تُمر بينما ترفض الملوثات الأكبر، ويمكن للمحتكرات التي تُجمّع ذاتياً أن تُحدث خلاياً من الهيدروفوريّة، مما يحول دون حدوث هجوم على طبقة من الماء.

الهندسة المحتوية على أجهزة الاستشعار والالكترونيات

ولا يشكل عنصر الاستشعار سوى جزء واحد من جهاز استشعار دائم للمركبات العضوية الثابتة، ويجب أن تكون الأجهزة الإلكترونية المحيطة بها، والوصلات، والإسكان على نفس مستوى المتطرفات البيئية.

إغلاق المخازن والمطهّرات

أما المساكن الصناعية التي تُقيَّم بواسطة رموز حماية الحركات، فبالنسبة للبيئات الغبارية والمبتلة، فإن IP66 أو IP67 (الضوء إلى الحوافظ، أو القذف المؤقت، هي عادة، أما بالنسبة للمناطق التي توجد بها أجواء متآكلة، فإن الحرق المصنوع من الصلب أو الهاستيل الخفيف يُفضَّل في أماكن التركّز الهندسيّة.

الإدارة الحرارية

وتولد الإلكترونيات الحرارة، وفي البيئات الساخنة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة داخل الضمائر الحدود الآمنة للبطاريات والتحكمات الدقيقة، وتُحدث سمات التبريد المُتسرِّبة مثل البواليع الحرارية، والقنابل الحرارية، والمساعدة في التنسيب المُكوني الدقيق، وبالنسبة للمجسِّسات التي تسخن عمدا عنصر الاستشعار (مثل أجهزة الاستشعار أكسيد المعادن)، فإن العزل الحراري أمر حاسم لمنع انتشار الحرارة إلى الأجهزة الإلكترونية الداعمة.

مقاومة التأشيرات والقابلية للثقة

وتحمي مركبات التخدير والملابس المطابقة مفاصل المبيعات والأسلاك من الدهون التي تسببها الاهتزاز، وبالنسبة للمستشعرات التي تحتاج إلى أن تكون موصلات ذات جودة عالية من IP68 مع آليات القفل، تمنع قطع الاتصالات العرضية، وتزيل بعض التصميمات الأسلاك كليا باستخدام الانقلابات اللاصقة لنقل الطاقة والبيانات، التي تبسط أيضا الإحلال في المناطق الخطرة.

الوحدات والصيانة الميدانية

وتصمم أجهزة الاستشعار الدائمة لخدمة سهلة، حيث يؤدي عنصر الاستشعار والمرشح والإلكترونيات الى خفض وقت الانقطاع عن العمل في الميدان، مثلا، الى أن رئيس الاستشعار الذي يوضع في قاعدة ثابتة يسمح بالمبادلات السريعة للعنصر المستنفد دون إعادة ترتيبه، وهذا النهج شائع في أجهزة كشف الغاز التجاري المستخدمة في صناعة النفط والغاز.

تعزيز الحساسية والطول مع تجهيز الإشارات

ولا تكفي التحسينات في المواد والمعدات وحدها دون تجهيز إشارات ذكية لاستخراج قياسات موثوقة من نواتج الاستشعار المزعج أو المنجرف.

التدرج والتعويض عن الهضم

ويظهر العديد من أجهزة الاستشعار عن أكسيد المعادن تغيرات في مقاومة خط الأساس تصل إلى عدة مئات في المائة مقارنة بمدى حرارة التشغيل ورطوبة الطبق، حيث تستخدم الخوارزميات المتقدمة درجات الحرارة والرطوبة على متن السفينة في قراءات نموذجية وطرح هذه الآثار، وتوفر جداول البحث المستمدة من معايرة واسعة النطاق في الغرف البيئية تعويضات على مدى التشغيل الكامل، وتستخدم بعض المجهزين شبكات الظواهر العصبية لتعلم الروابط غير الخطية، وتحقيق أداء مماثل للصكوك المختبرية.

Automatic Baseline Correction (ABC)

وعلى مدى أشهر من التشغيل، يؤدي التسمم التدريجي لسطح الاستشعار أو عصر المكونات إلى انجراف خط الأساس.

تشخيص الذات ورصد الصحة

ويحتاج المستعملون الصناعيون إلى الثقة في مستشعراتهم، إذ يمكن للتشخيصات القائمة في البناء أن تكشف عن إخفاقات الحرارة أو الدوائر القصيرة أو تدهور عنصر الاستشعار، مثلاً عن طريق قياس مقاومة أثر الحرارة أو تشغيل نبض الغاز الداخلي للاختبارات، يمكن للمجس أن يبلغ عن حالته الصحية الخاصة به، ويحذر هذا التشخيص الذاتي العاملين في مجال الصيانة قبل أن ينتج المجس بيانات غير صحيحة.

Data Fusion with Environmental Sensors

وتُنشئ قراءات التوليد المختلط مع البيانات المستمدة من مادة الجسيمات، ودرجة الحرارة، والرطوبة، وأجهزة استشعار سرعة الرياح صورة شاملة لنوعية الهواء، ويمكن أن تؤدي الخوارزميات الخاصة بدمج البيانات إلى الحد من الإنذارات الكاذبة الناجمة عن الأحداث العابرة وتحسين تمركز المصادر، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يُعدّل التأثير المفاجئ في الأوعية التي تصطدم بارتفاع درجة الحرارة وتوجه الرياح بصورة متزايدة لتأكيد وجود نظم أمان حقيقية بدلا من إحداثها.

التكنولوجيات الناشئة: لاسلكية، ولاسلكية، وأجهزة استشعار ذاتية الدفع

ويقود الاتجاه نحو الصناعة 4.0 والشبكة الصناعية للأشياء (IIoT) الطلب على أجهزة الاستشعار ذات الصلة بالشركة والتي يسهل نشرها وصيانتها.

خيارات التواصل اللاسلكي

بروتوكولات لاسلكية مثل لو راوا وانغ، وشركة إن بي إيوت، وشركة بلوتون للطاقة المنخفضة مناسبة تماما لشبكات الاستشعار الصناعي، وتوفر شركة لو راواين درجة طويلة (حتى عدة كيلومترات) ذات استهلاك منخفض جدا من الطاقة، ومثلاً لربط المصافي أو مجمعات البتروكيماويات، وزيغابي وثريد هما بدائل لشبكات التصميم المصغرة في بيئات المغلقة.

تسخير الطاقة لأغراض عملية الإنقاذ الخالية من الصيانة

وتكثيف تكلفة وكمية استخدام البطاريات المبردة في آلاف أجهزة الاستشعار عبر المصنع، كما أن جمع الطاقة من الطاقة الشمسية أو التدرج الحراري أو الاهتزاز الميكانيكي يوفر مساراً للمستشعرات المستقلة حقاً، وبالنسبة لمستشعرات التوليد التي تحتاج بالفعل إلى تدفئة متواضعة (كما هو الحال في أنواع أكسيد المعادن)، يمكن استعادة حرارة النفايات من العملية نفسها باستخدام المولدات الكهربائية المتطورة لتوليد الطاقة.

الدمج والتحاليل الاصطناعية

ويمكن أن تتيح أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تستخدم في التصفيق والتي تتدفق البيانات إلى السحابة الرصد في الوقت الحقيقي عبر مواقع متعددة، ويمكن أن تنبأ البيانات التاريخية، إلى جانب التعلم الآلي، عندما يرجح أن تتجاوز مستويات التوليد الأوقيانوغرافية والصحية الحدود الآمنة القائمة على جداول الإنتاج أو أنماط الطقس أو إخفاق المعدات، وهذه القدرة التنبؤية تتيح التخفيف من آثار تغير المناخ، وعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة الاستشعار في محل الطلاء أن تخطر مشغلي أجهزة التصفر العادم بالفشل قبل ارتفاع تركيزات المزود بالأجهزة المزود بالأجهزة المزودة.

المستقبل

ولا يزال مجال أجهزة الاستشعار الدائمة لمراكز التوليد في المحيط الهندي يتطور، مدفوعاً بقواعد تنظيمية أشد صرامة، وبضرورة سلامة العمال، وبالدفع نحو العمليات الصناعية التي لا تعمل على الإطلاق.

سائقو الهيئات التنظيمية

وتشديد القيود على التعرض المهني للمركبات العضوية الثابتة في بلدان كثيرة، إذ أن إدارة السلامة والصحة المهنيتين في الولايات المتحدة والمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنيتين توفر مبادئ توجيهية للحد من التعرض المسموح به (المركبات العضوية الثابتة) والحدود الموصى بها للتعرض لفرادى المركبات العضوية (المركبات العضوية الثابتة) وبما أن هذه الحدود تصبح أكثر صرامة، فإن أجهزة الاستشعار يجب أن تكتشف تركيزات أقل من ذي قبل، بالإضافة إلى ذلك.

التكامل مع نظم السلامة

ويجري إدماج أجهزة الاستشعار الصوتية المحتوية على التقلبات في نظم الأمان على نطاق النباتات التي تؤدي إلى إجراء الإنذارات أو عمليات الإغلاق أو عمليات التهوية تلقائيا، ولكي تكون هذه النظم فعالة، يجب أن تكون أجهزة الاستشعار قادرة على الفشل؛ وأي فشل ينبغي أن يؤدي إلى ارتفاع الإشارة بدلا من أن يكون منخفضا.

التعدين والتصنيع المنخفض

وتتيح التطورات في تركيبات نظام الرصد المتعدد الأطراف إنتاج مجموعات أجهزة استشعار ذات تركيز عال منخفض أقل تكلفة وأكثر اتساقا من الأجهزة المجمّعة يدوياً، ويمكن لرقاقة واحدة أن تجمع بين عنصر الاستشعار، والمدفئ، ومجس درجة الحرارة، ومجس الرطوبة، كما أن تقنيات الطباعة مثل الصمامات أو الترسيب الهباء الجوي تتيح تصنيع أجهزة التركز العالية السعة في جميع أنحاء المركبات الفرعية المرنة.

أجهزة الاستشعار المتعددة الأبعاد

ومن المرجح أن تقيس أجهزة الاستشعار في المستقبل ليس فقط الأوعية المحتوية على أوعية الدم فقط بل أيضا بارامترات أخرى مثل أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد النيتروجين والأوزون والجسيمات في وحدة واحدة، وهذا النهج المتعدد المستويات يقلل تكاليف التركيب ويقلل من تكامل النظام، فعلى سبيل المثال، فإن جهاز الاستشعار الذي يبلغ عن وجود أشعة فوق البنفسجية (TVOC) إلى جانب هدف محدد مثل النظام الرسمي يعطي صورة أكمل لنوعية الهواء.

خاتمة

ويتطلب تطوير أجهزة استشعار ذات قدرة عالية على التكيف مع البيئة الصناعية القاسية اتباع نهج على مستوى المنظومة يعالج كل ضعف من مواد الاستشعار إلى المخزن، ولا يمكن أن تؤدي التطورات في المواد النانوية والغطاءات الواقية إلا إلى تحسين الاستقرار الجوهري لعنصر الاستشعار، حيث أن عمليات الكشف المهددة، وتجهيز الإشارات الذكية، والربط اللاسلكية، لا تزال دقيقة ومتيسرة على مدى فترات النشر الطويلة.