Principi tehnologije detekcije plinova

Tehnologija detekcije plinova s vremenom se snažno razvijala. Različite tehnologije kao što su katalitičke, elektrohemijske, infracrvene, ultrazvučne ili MPS tehnologije nude najbolje moguće opcije za analiziranje zraka u okruženju. Oni omogućavaju sigurnu i pouzdanu detekciju plina i osiguravaju maksimalnu zaštitu ljudi, životinja i biljaka

Piše: Zlatko Dičak, direktor, Aurel; E-mail: zlatko.dicak@aurel.hr

Opasni se gasovi u rudnicima stalno nagomilavaju i uzrokuju snažne eksplozije i nesreće. Stoga je potraga za metodama za rano otkrivanje opasnih plinova, kao što su metan i ugljik-monoksid, već u 19. i 20. stoljeću bila od presudne važnosti za zaštitu rudara. Prva metoda detekcije gasa uključivala je kanarinca. Naime, kanarinac se držao u malom kavezu i redovno ga se pratilo. Ako je pokazivao znakove stresa ili bolesti, to je uzimano kao jasan signal prisustva opasnih plinova.

Kasnije su se, umjesto životinja, koristile plamene lampe za određivanje opasnih nivoa koncentracije plina. Rudari bi palili plamen na svježem zraku. Ako bi se plamen smanjio ili počeo gasiti, to je ukazivalo na nizak nivo kisika u zraku. Ako bi se, s druge strane, povećao, to je značilo da je u rudniku prisutan i metan, ali i kisik.

Od tada se tehnologija detekcije plinova snažno razvijala. Danas se precizni, kompaktni i robusni plinski detektori koriste za praćenje opasnih koncentracija gasova i zapaljivih para. Različite tehnologije kao što su katalitičke, elektrohemijske, infracrvene, ultrazvučne ili MPS tehnologije nude najbolje moguće opcije za analiziranje zraka u okruženju. Oni omogućavaju sigurnu i pouzdanu detekciju plina u širokom rasponu primjena i osiguravaju maksimalnu zaštitu ljudi, životinja i biljaka.

Plinski detektori moraju sigurno i kontinuirano pratiti različite gasove i pare u promjenjivim uslovima. To zahtijeva maksimalnu pouzdanost, fleksibilnost i stabilnost kako bi se na najbolji mogući način zaštitili ljudi i postrojenja. Osim toga, ne može se svaki detektor gasa koristiti u svakom radnom okruženju. Stoga je neophodno da provjerite jesu li ispunjene tražene specifikacije uređaja prije upotrebe. Ovi zahtjevi za uređaje objašnjeni su u relevantnim standardima i propisima.

Šta su gasovi?

Materija iznad svoje tačke ključanja se generalno naziva gasom. U tom fizičkom stanju molekule ili atomi se udaljavaju jedni od drugih i potpuno zauzimaju raspoloživi prostor. Za razliku od materije u čvrstom i tekućem stanju, gasovi nemaju čvrstu formu i čvrst volumen. Plinovi se sastoje od roja molekula koje se kreću nasumično i haotično, neprestano se sudarajući jedne s drugima i sa svime oko sebe. One ispunjavaju svaki raspoloživi prostor i, zbog velike brzine kretanja, brzo se miješaju s bilo kojom atmosferom u koju se ispuštaju.

Plinovi mogu biti lakši ili teži od zraka ili imati približno istu gustinu. Mogu imati miris ili biti bez mirisa. Postoje obojeni i bezbojni gasovi. Čak i ako ih ne možete vidjeti, pomirisati ili dodirnuti, to ne znači da ih nema. Plinovi u principu nisu štetni. Oni su, na kraju krajeva, dio Zemljine atmosfere. Tek kada njihova koncentracija pređe kritične nivoe, postoji opasnost od trovanja i eksplozije, a ako padne ispod određenog nivoa, javlja se opasnost od gušenja zbog nedostatka kisika.

Metan je, naprimjer, bez boje i mirisa i teško ga je otkriti. Međutim, kako se ovaj prirodni plin koristi u mnogim domovima za grijanje i kuhanje, svakodnevno je prisutan u životima ljudi. Motori vozila sagorijevaju gorivo i kisik i proizvode otpadne plinove koji sadrže nitrogen-okside, ugljik-monoksid i ugljik-dioksid te predstavljaju opasnost za ljude, životinje i biljke. Oksigen i hidrogen se također moraju kontinuirano detektovati kako bi se ambijentalni zrak održao čistim i spriječile eksplozije kisika.

Materija iznad svoje tačke ključanja se generalno naziva plinom. Gasovi mogu biti lakši ili teži od zraka, imati miris ili biti bez mirisa. Čak i ako ih ne možete vidjeti, pomirisati ili dodirnuti, to ne znači da ih nema

Opasnosti od gasova

Odabir ispravnog principa mjerenja od ključne je važnosti u otkrivanju opasnosti od plina. Svaki princip mjerenja je prikladan za različite zone opasnosti i optimiziran je za otrovne i/ili zapaljive plinove i kisik. U principu, mogu se razlikovati sljedeće opasnosti od plina:

Opasnost od eksplozije zbog prisustva zapaljivih gasova: Gdje god su prisutni zapaljivi plinovi kao što su metan, butan i propan, postoji povećan rizik od eksplozije, naprimjer u petrohemiji, industriji i rafinerijama. Ovdje se koriste senzori s katalitičkim senzorskim elementom za zapaljive plinove.

Višak i manjak kisika: Dok višak kisika čini materijale zapaljivijim, njegov izostanak je opasan po život. Kisik se može potrošiti ili istisnuti drugim gasom. Senzori s elektrohemijskim senzorskim elementom uglavnom se koriste za praćenje nivoa kisika.

Toksičnost: Nesreće od toksičnih gasova mogu nastati u raznim proizvodnim pogonima ili tokom transporta, ali i za vrijeme prirodnih procesa, kao što su procesi truhljenja tokom razgradnje biomase. Ovdje se koriste senzori s elektrohemijskim senzorskim elementom za otrovne plinove.

Osim različitih grupa plinova, odabir odgovarajuće metode mjerenja zavisi od mnogih drugih faktora, kao što je provjera da li su druge opasne supstance prisutne u okolini (unakrsna osjetljivost), da li je kontinuirano mjerenje ili dugotrajno ili kratkoročno mjerenje potrebno te da li su alarmi i upozorenja potrebni ako su granične vrijednosti prekoračene.

Senzori i principi mjerenja

Senzori koriste određena svojstva plina kako bi ih pretvorili u električni signal. U tehnologiji detekcije gasa koristi se pet principa mjerenja: elektrohemijski, katalitički, infracrveni, poluprovodnički i MPS mjerni princip.

Elektrohemijski princip mjerenja

Elektrohemijski senzori često se koriste zbog svoje preciznosti, osjetljivosti i brzog vremena reakcije. Upotrebljavaju se u oblastima kao što su nadzor okoliša, medicinska dijagnostika, kontrola hrane i industrija. Elektrohemijski senzori plina rade na sličan način kao i baterije i koriste se za mjerenje ugljik-monoksida (CO), dušikovog oksida (NO), dušikovog dioksida (NO₂), amonijaka (NH₃) i kisika (O₂). Nadzirani ambijentalni zrak difundira se kroz membranu filtera u tečni elektrolit senzora.

Hemijski proces mjerenja je oksidacija, pri čemu se jedna molekula štetnog plina zamjenjuje jednom molekulom kisika. Reakcija pokreće molekulu kisika u kontraelektrodu, što rezultira strujnim signalom (nA) između mjerne i referentne elektrode. Po pravilu, plinski senzori su specifični, tako da postoji mala – ako uopće i postoji – unakrsna osjetljivost na druge supstance. Prednosti ove metode su linearno mjerenje signala, visoka osjetljivost i manja cijena.

Katalitički princip mjerenja

Katalitička mjerna metoda uključuje mjerenje pomoću senzora pelistora i katalitičkih zrna i pogodna je za mjerenje eksplozivnih plinova i para. U ovoj mjernoj metodi dva platinasta namotaja su ugrađena u keramički sloj i električno povezana preko premosnog sklopa (Wheatstoneov mjerni most). Površina jedne platinaste zavojnice se aktivira katalizatorom koji potiče oksidaciju, dok površina druge platinaste zavojnice nije aktivirana. Struja teče kroz zavojnice, zagrijavajući ih na približno 500°C. Kisik u zraku reaguje sa zapaljivim gasom na površini aktivnog namotaja. Ovo povećava temperaturu i otpor u aktivnoj platinastoj zavojnici, uzrokujući da mjerni most postane neuravnotežen. Ovaj proces se može izmjeriti. Prednosti katalitičke metode mjerenja su mogućnost mjerenja više vrsta zapaljivih plinova, linearni signal, visoka preciznost mjerenja, silikonsko trovanje itd.

Infracrvena metoda mjerenja

Infracrveni princip uključuje mjerenje CO₂, metana itd. pomoću infracrvenih senzora. IR princip koristi pojedinačni apsorpcijski spektar gasa koji se mjeri kao baza i određuje tačnu koncentraciju precizno i ​​kvantitativno. Budući da se svi izmjereni plinovi apsorbiraju u različitim spektralnim rasponima, to rezultira svojevrsnim “otiskom prsta” koji omogućava selektivnu karakterizaciju gotovo bez unakrsne osjetljivosti. Prednosti ovakvog načina mjerenja su: niska unakrsna osjetljivost, visoka preciznost mjerenja, široki mjerni opseg, visoka selektivnost, osjetljivost na prašinu i tačku rose, dug vijek trajanja te niski troškovi održavanja.

Poluprovodnički princip mjerenja

Poluprovodnički senzori se koriste za neke otrovne i eksplozivne plinove. Poluprovodnik na bazi metalnog oksida (kalajni oksid) se nanosi na podlogu. Podloga sadrži elektrode koje mjere otpornost poluprovodnika i grijač koji ga zagrijava na 200 do 400°C. Senzor reaguje na promjene u sastavu okolne atmosfere promjenom otpora poluprovodnika. Reducirajući plinovi kao što su ugljik-monoksid ili hidrogen smanjuju njihov otpor, a osjetljivost poluprovodnika na određeni gas može se promijeniti kroz promjenu temperature. Uz nisku cijenu, prednosti su svestrana upotreba, neselektivnost i robusnost.

MPS mjerni princip

MPS senzorska tehnologija se koristi za detekciju zapaljivih gasova kao što su hidrogen, metan, propan i acetilen, kao i rashladna sredstva. Ovo visokofleksibilno senzorsko rješenje je atraktivno za širok spektar primjena. MPSTM senzori su posebno pogodni za teško dostupna područja, jer mogu raditi dugo vremena bez potrebe za kalibracijom ili održavanjem. Integrisani atmosferski senzor mjeri promjenu termodinamičkih svojstava. Vijek trajanja ovakvih senzora duži je od petnaest godina i nije ih potrebno održavati. Uz to, troše malo energije, visoko su linearni i stabilni te neselektivni.

Zone opasnosti i granice zapaljenja

Mnoge se zapaljive tvari pojavljuju ​​u industrijskim procesima gdje se zapaljivi plinovi i pare oslobađaju kroz ventile ili druge otvore. U svrhu prevencije, takve opasne zone nazivaju se zonama opasnosti (Ex zone), u kojima se smije koristiti samo oprema sigurne kategorije zaštite od zapaljenja. Zaštita od eksplozije je standardizirana širom svijeta i bazirana na trozonskom konceptu. Zone opasnosti su područja u kojima postoji opasna eksplozivna atmosfera. Mogu se razlikovati na sljedeći način:

Opseg eksplozije definisan je donjom granicom zapaljivosti (LFL) i gornjom granicom zapaljivosti (UFL). Donja granica zapaljivosti opisuje najnižu koncentraciju zapaljive supstance u zraku pri kojoj se plamen može pojaviti i proširiti. Gornja granica zapaljivosti opisuje najveću koncentraciju pri kojoj se plamen može zapaliti i samostalno širiti. Međutim, ovdje treba napomenuti da se situacija može brzo promijeniti, naprimjer raspršivanjem mješavine uzrokovane naletom vjetra, pa koncentracija opet može pasti ispod gornje granice zapaljivosti.

Zahtjevi i smjernice

Razina sigurnosnog integriteta (SIL), poznata i kao razina sigurnosnih zahtjeva, međunarodno je priznata mjerena varijabla u području funkcionalne sigurnosti. Razina sigurnosnog integriteta se koristi za procjenu električnih, elektronskih i programabilnih elektronskih sistema i odnosi se na pouzdanost sigurnosnih funkcija. Četiri SIL nivoa se koriste za određivanje potencijalnog rizika za osobe, sisteme, postrojenja i procese. Oni se određuju korištenjem sigurnosnih funkcija uz pomoć sigurnosno instrumentiranog sistema (SIS), koji se može sastojati od različite opreme kao što su senzori, aktuatori i upravljački elementi. Pravi se razlika između SIL1, SIL2, SIL3 i SIL4 nivoa, odnosno najstrožije se mjere koriste ondje gdje je najveći rizik. Ovo su zahtjevi koji određuju vjerovatnoću pojave opasnih slučajnih kvarova.

Funkcionalna sigurnost je dio ukupne sigurnosti uređaja, postrojenja, vozova, automobila ili bilo kojeg drugog složenog automatiziranog sistema. Cilj funkcionalne sigurnosti uvijek je zaštititi ljude, postrojenja i okoliš od kvarova. Bez funkcionalne sigurnosti, vozovi ne bi bili bez nezgoda, hemijska postrojenja ne bi mogla sigurno raditi ili bi se zračni jastuci aktivirali u pogrešnom trenutku.

Certifikati i standardi za plinske detektore

Mnoge primjene zahtijevaju posebne certifikate koji dokazuju da plinski detektori ispunjavaju ekološke zahtjeve kao što su ATEX, ISO, Marine, IEC, EN, SIL itd. Plinski detektori se također znatno razlikuju po svojim tehničkim karakteristikama. Konkretno, ponekad postoje značajne razlike u pogledu funkcionalnosti, kalibracije, vijeka trajanja i pogodnosti za ugradnju kao i jednostavnosti upotrebe.

Širok spektar detektora i metoda za detekciju otrovnih i zapaljivih gasova karakteristika je portfolija njemačkog proizvođača MSR-Electronic. Kompanija proizvodi plinske senzore, kontrolere i uređaje za upozorenje za mnoge primjene, kao što su parking-garaže, tuneli, petrohemijska postrojenja i vozila. Uređaji zadovoljavaju i prevazilaze opće standarde i propise i na taj način mogu garantovati sigurnost postrojenja. MSR-Electronicovu opremu možete pronaći u ponudi njihovog certificiranog partnera, firme Aurel d.o.o. iz Zagreba.