P.T.SIGNAL systemy detekcji gazów, mierniki, wykrywacze, systemy parkingowe
P.T.SIGNAL detektory gazów, wykrywacze nieszczelności, systemy bezpieczeństwa pracowników, systemy parkingowe

DETEKTORY GAZÓW, MIERNIKI, SYSTEMY PARKINGOWE
SYSTEMY BEZPIECZEŃSTWA PRACOWNIKÓW




Sensory gazów i oparów w systemach detekcji. Sensor elektrochemiczny, katalityczny, podczerwony, półprzewodnikowy, fotojonizacyjny, konduktometryczny, MPS (Molecular Property Spectrometr).

Sensory gazów.
Technologia i zastosowanie elementów pomiarowych.


Technologie pomiarowe i rodzaje sensorów detekcji gazów.

Aby detekcja gazów była skuteczna i zapewniała bezpieczeństwo obiektu gazy muszą być prawidłowo wykrywane i mierzone. Odpowiadają za to sensory gazów. Dostępne są różne technologie sensorów i każda z nich ma swoje zastosowania, ograniczenia, a nawet okres eksploatacji. Generalną zasadą jest to, że parametry podawane przez producentów (szczególnie okresu użytkowania) dotyczą pracy w czystym powietrzu, orkreślonym ćiśnieniu, temperaturze i wilgotności, a także co bardzo istotne przy zawartości tlenu na poziomie 20,9% v/v. Warunki na obiekcie rzadko są bliskie laboratoryjnym, a w krytycznej sytuacji mogą być skrajnie inne więc ważne aby dobór sensora gazów uwzględniał możliwe scenariusze w danym miejscu. Niektóre sensory gazów nie mogą pracować w atmosferze ubogiej w tlen i kiedy jego ilość spada to ich wskazania mogą być nieprawidłowe, inne są wrażliwe na skoki wilgoności, a niektóre silnie reagują na substancje zakłócające. Poniżej przybliżamy Państwu technologię oraz podstawowe właściwości sensorów gazów. Jednocześnie dla projektantów przygotowaliśmy dział wsparcia, który bezpłatnie pomoże dobrać technologię i urządzenia do Państwa projektu.


Katalityczny sensor gazów.

Budowa katalitycznego sensora gazów.

BUDOWA KATALITYCZNEGO SENSORA GAZÓW

Sensor katalityczny jest zbudowany z 2 sensorów (1)(2), które zawierają spiralę z platynowego drutu rozgrzną do wysokiej temperatury. Jeden z elementów posiada katalizator i reaguje na gaz (2) podczas gdy drugi jest elementem odniesienia i nie reaguje na gaz (1). Gaz pany (3), który dostaje się do sensora spala się (4) na elemencie reaktywnym powodując wzrost temperatury i zmianę przewodności. Powstaje różnica sygnałów, która jest odczytywana przez układ pomiarowy (5) i tym samym detektor sygnalizuje obecność gazu. Zastosowanie 2 elementów umożliwia samoistne kompensowanie zmian warunków zewnętrznych (np. temperatury) ponieważ oba reagują na nie tak samo i nie powstaje różnica. Taka konstrukcja zapewnia dobre właściwości pomiarowe i dużą odporność na warunki zewnętrzne przez co sensor katalityczny jest podstawowym typem sensora stosowanym przy detekcji gazów wybuchowych.
Istnieją jednak ograniczenia stosowania sensorów katalitycznych. Jeżeli podajemy dużo gazu palnego to reakcja spalania zachodzi gwałtownie co prowadzi do zużycia elementu reaktywnego. Tym samym sensorów katalitycznych nie należy stosować w miejscach narażonych na takie zjawiska. Inna wada wynika z praw fizyki. aby spalanie zaszło musi być tlen. Oznacza to, że sensor katalityczny nie będzie działał poprawnie w atmosferze ubogiej w tlen. Oba problemy zachodzą np. przy pomiarach w studzienkach kanalizacyjnych, kanałach czy zbiornikach lub w systemach stacjonarnych np. w przepompowniach ścieków gdzie gazy wybuchowe mogą występować w dużych stężeniach lub atmosfera może być pozbawiona tlenu. W obu przypadkach należy zastosować urządzenia z sensorem podczerwonym (np. przenośne modele Multi Gas Clip IR czy Blackline G7c, w stacjonarnych systemach detektory PolyGard2 IR lub PolyXeta2 IR czy w strefowych Blackline G7 Exo.
Technologia katalityczna nie pozwala także na rozróżnianie gazów palnych jakie mierzymy. Sensor nie umie odróżnić, który gaz spala. Tym samym pomiar może być prawidłowy tylko dla jednego gazu. Taka sytuacja może zachodzić przy pomiarach okresowych węglowodorów (np. przemysł petrochemiczny, chemiczny czy ratownictwo). W takim przypadku należy zastosować sensor MPS (Molecular Property Spectrometr) dostępny w urządzeniach przenośnych G7c lub detektorach strefowych G7Exo.
Sensor katalityczny jest prawidłowym rozwiązaniem w systemach większości obiektów (kotłowniach, halach z promiennikami, ładowalniach akumulatorów, stacjach i bazach paliw, rafineriach, obiektach instrastuktury gazowej, przemyśle lub oczyszczalniach ścieków), a w urządzeniach mobilnych do ochrony osobistej pracowników.


Elektrochemiczny sensor gazów.

Budowa elektrochemicznego sensora gazów.

BUDOWA ELEKTROCHEMICZNEGO SENSORA GAZÓW

Sensor elektrochemiczny realizuje pomiary gazów w oparciu o inne zjawiska. Budowa sensora elektrochemicznego opiera się na 2 lub czasem 3 elektrodach: pracującej (1), równoważącej (2) i opcjonalnie elektrodzie referencyjnej (3) otoczonych elektrolitem (4). Poprzez specjalną membranę regulującą przepływ (6) do środka dostaje się gaz (5). Na skutek kontaktu elektrody pracującej (1) z gazem (7) zachodzą reakcje redukcji lub utleniania, które są równoważone przez elektrodę równoważącą (2). Generowany w ten sposób ruch elektronów powoduje powstanie sygnału elektrycznego, możliwego do pomiaru (8). Niektóre sensory elektrochemiczne mogą mieć także sensor temperatury. Jednocześnie sensor jest zabezpieczony za pomocą filtra mającego ograniczać dostęp wody i zanieczyszczeń.
Przeznaczeniem sensorów elektrochemicznych jest wykrywanie przeważnie gazów toksycznych i tlenu w niskich stężeniach (rzędu ppm), ale istnieją także wyjątki o zakresach nawet kilkudziesięciu tysięcy ppm lub dla innych rodzajów gazów.
Sensory elektrochemiczne mają wiele zalet jak wysoka selektywność (czyli słaba reakcja na inne gazy niż docelowy), liniowa charakterystyka pomiaru oraz wysoka dokładność, powtarzalność i stabilność.
Sama zasada działania może być pewnym ograniczeniem ponieważ jeżeli gazu będzie dużo to reakcja chemiczna będzie zachodzić gwałtownie co prowadzi do przedwczesnego zużycia sensora. Podobnie temperatura pracy nie może być zbyt niska lub zbyt wysoka ponieważ może to powodować zamarzanie lub wysychanie elektrolitu. Stąd sensorów elektrochemicznych nie należy narażać na przekroczenia zakresu pomiarowego lub zakresu temperatur (np. na nieizolowanych poddaszach latem nagrzewanych od słońca). Trzeba też pamietać, że rozwiązaniem (np. w urządzeniach przenośnych) nie jest zwiększanie zakresu pomiarowego ponieważ wtedy rośnie też błąd pomairowy detektora i często przekracza wartość poziomów przewidzianych w przepisach. Przykładowo dla tlenku węgla sensor 1000ppm będzie nieodpowiedni ponieważ przy błędzie na poziomie 3% (30ppm) pomiar 20ppm przewidzianych przez przepisy NDS będzie niemożliwy. Stąd odpowiednim zakresem będzie 0-300ppm lub 0-500ppm.
Sensory elektrochemiczne znajdują zastosowanie w większości obiektów zagrożonych gazami toksycznymi (hale garażowe, chłodnie amoniakalne, oczyszczlanie ścieków, biogazownie, chlorownie, steryliaztornie czy laboratoria), a także w przenośnych urządzeniach detekcyjnych.


Podczerwony sensor gazów IR.

Budowa podczerwonego sensora gazów.

BUDOWA PODCZERWONEGO SENSORA GAZÓW IR

Podczerwone sensory gazów IR (InfraRed) lub inaczej sensory absorpcji podczerwieni NDIR (ang. nondispersive infrared sensor) wykorzystują zjawisko pochłaniania elektromagnetycznej fali promieniowania podczerwonego. Sensor zawiera nadajnik (1) oraz odbiornik (2) podczerwieni. Gaz (3), który trafi do sensora pochłania część fali (4) dzięki czemu sensor może zinterpretować to jako obecność gazu i dokonac pomiaru. W zależności od rodzaju gazu rozróżnia się długość fali dzieki czemu można meirzyć różne gazy.
Brak zachodzącej reakcji chemicznej powoduje, że sensory są całkowicie odporne na przekroczenia zakresu i substancje zatruwające co wykorzystywane jest w pomiarach w studzienkach lub zbiornikach (np. przenośne Multi Gas Clip IR, Blackline G7c lub strefowe Blackline G7 Exo), a także w przepompowniach ścieków lub miejscach o znacznych przekroczeniach (np. stacjonarne MSR PolyGard2 IR Lub PolyXeta2 IR). Sensor podczerwony nie wymaga tlenu do pomiaru i charakteryzuje się wysoka odpornościa na warunki zewnętrzne.
Sensor podczerwony jest droższy niż inne typy sensorów, ale umożliwia dłuższe okresy między kalibracjami (np. zamiast 6 miesięcy w urządzeniach przenośnych mamy 1 rok w modelu Multi Gas Clip IR), a także dłuższy okres eksploatacji (nawet >10 lat).
Sensory podczerwone nie posiadają podgrzewania więc w przypadku pracy w zmiennych warunkach z ujemnymi temperaturami warto zadbać o układ niedopuszczający do zamarznięcia wody wykroplonej wewnątrz komory pomiarowej detektora.
Typowe zastosowania sensorów podczerwonych to pomiary CO2, CH2, LPG. Natomiast nie nadają się do pomiaroó wodoru lub acetylenu.


Półprzewodnikowy sensor gazów.

Budowa półprzewodnikowego sensora gazów.

BUDOWA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO SENSORA GAZÓW

Technologia połrzewodnikowa choć mocno przestarzała wciąż znajduje zastosownie w niektórych aplikacjach. Konstrukcja sensora półprzewodnikowego opiera się na grzałce (1) oraz elemencie półprzewodnikowym z elektrodami (5). W trakcie pracy element jest podgrzewany do wysokiej temperatury co powoduje adsorpcję jonów tlenu i blokowanie przeływu elektronów wewnątrz materiału półprzewodnikowego. Jeżeli w okolicy pojawi się gaz (3) to odbiera on tlen z powierzchni półprzewodnika (4) co powoduje zwiększenie przepływu elektronów i umożliwia układowi pomiar (6). Temperatura ma duże znaczenie dla stabilizacji pracy układu dlatego wstępny czas wygrzewania sensora jest bardzo istotny. Produkowane są różne typy sensorów półprzewodnikowych wykrywających różne gazy w zakresach kilkuset do kilku tysięcy ppm lub w zakresach 0-100%DGW dla gazów palnych.
Zaletą sensorów półprzewodnikowych była niska cena, ale postęp technologiczny pozwolił już na zbliżenie cenowe innych technologii o lepszych właściwościach przez co sensory półprzewodnikowe są wypierane z rynku i stosowane w ograniczonych zastosowaniach.
Stosunkowo prosta konstrukcja sensora ma niestety wiele wad. Sensory półprzewodnikowe są nieliniowe co oznacza, że ich sygnał nie jest proporcjonalny do stężenia gazu, a to stanowi problem szczególnie przy pomiarach gazów toksycznych gdzie konieczne jest przeliczanie średniej ważonej aby spełniać wymogi przepisów NDS i NDSCh gdzie wartości są podawane jako średnie, a nie chwilowe. Normy dla detektorów jak np. PN-EN 50545 dla garazy i tuneli przewidują już zastosowanie jedynie sensora elektrochemicznego. Element półprzewodnikowy może reagować na zmiany wilgoci (szczególnie nagłe), które mogą nie zostać na czas skompensowane przez detektor powodując fałszywe alarmy (szczególnie dotkliwie można to odczuć w oczyszczalniach ścieków lub magazynach). Jednocześnie charakteryzują się one niską selektywnością przez co reagują na wiele substancji i związków chemicznych obecnych w powietrzu. Sensory przebywające cały czas w niewielkiej ilości gazu mają tendencję do uczulania i generaowania fałszywych alarmów co z kolei często można zaobserwować na ładowalnia akumulatorów. W większości aplikacji dużo bezpieczniejszym rozwiązaniem są sensory katalityczne lub elektrochemiczne.
Jednym z zastosowań, w których sprawdzają się sensory półprzewodnikowe jest detekcja czynników chłodniczych - freonów.


Sensor gazów MPS (Molecular Property Spectrometr - Spektrometr Właściwości Molekularnych).

MPS sensor gazów wybuchowych, węglowodorów.

BUDOWA SENSORA GAZÓW MPS

"Eksplozymetr" lub "sensor węglowodorów" to często używane potoczne określenia detektorów gazów palnych. Najczęściej chcielibyśmy aby detektor mierzył "wszystko" albo poprostu "wybuchowość", a tymczasem dostępne technologie owszem wykrywają różne gazy, ale poprawnie mierzą tylko tej jeden, na który zostały skalibrowane. MPS jest inny i wreszcie umożliwia rzeczywisty pomiar poziomu wybuchowego TrueLEL (True - prawdziwy; LEL - Lower Explosive Limit czyli Dolna Granica Wybuchowości) dla różnych gazów wybuchowych lub mieszaniny gazów. Użytkownik dostaje rzeczywistą onformację o zagrożeniu.
To nie jedyna zaleta sensora MPS. Detektor wyposażony w ten sensor jest w stanie rozpoznać i zakwalifikować mierzony gaz do jednej z 6 kategorii co moze stanowic cenną informację dla użytkownika.

Sensor gazów wybuchowych MPS kategorie gazów.

DETEKCJA WĘGLOWODORÓW ZA POMOCĄ MPS

Sensor węglowodorów MPS wykorzystuje technologię mikroukładu elektromechanicznego MEMS (ang. microelectromechanical system), a jego wysokie parametry i dobre właściwości pomiarowe powodują, że jest doskonałym rozwiązaniem dla urządzeń przenośnych jak Blackline G7c czy strefowych jak Blackline G7 Exo. Sensor MPS jest dostępny w przenośnych detektorach wielogazowych, strefowych detektorach gazów oraz systemach bezpieczeństwa pracowników samotnych (lone-worker) marki Blackline Safety.