Sensori per gas combustibile
Probabilmente sono in molti ad aver visto una lampada di sicurezza antifiamma e a conoscerne l’utilizzo come rivelatore di grisù nelle miniere di carbone e nelle fogne sotterranee. Benché in origine queste lampade fossero utilizzate per l’illuminazione, potevano anche essere sfruttate per stimare il livello di gas combustibili, con una precisione del 25-50%, a seconda dell’esperienza, della competenza, dell’età e della percezione del colore dell’utente.
I moderni rivelatori di gas combustibili devono assicurare risultati molto più precisi, affidabili e ripetibili: nonostante i tentativi di superare la soggettività delle misurazioni delle lampade di sicurezza utilizzando ad esempio un sensore di temperatura della fiamma, attualmente questi dispositivi sono stati quasi totalmente sostituiti da apparecchi più moderni ed elettronici.
Tuttavia il dispositivo attualmente più utilizzato, il rivelatore catalitico, costituisce per certi aspetti un’evoluzione delle prime lampade di sicurezza antifiamma, poiché il suo funzionamento si basa anche sulla combustione di un gas e sulla sua conversione in anidride carbonica e acqua.
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Sensore catalitico
Quasi tutti i moderni sensori a basso costo per il rilevamento dei gas combustibili sono del tipo elettrocatalitico. Sono formati da un piccolissimo elemento di rilevamento chiamato “bead”, oppure “Pellistor” o “Siegistor” (gli ultimi due sono marchi registrati di dispositivi in commercio). Sono costituiti da una bobina di filo di platino riscaldata elettricamente, ricoperta da una base ceramica (allumina) e da un secondo strato catalizzatore di palladio o iridio disperso in un substrato di torio.
Il funzionamento di questo tipo di sensori si basa sul principio per cui quando una miscela di aria e gas combustibile passa sulla superficie catalizzatrice calda si verifica la combustione e il calore sprigionato aumenta la temperatura del cosiddetto “bead”. A sua volta ciò altera la resistenza della bobina di platino e può essere misurato utilizzando la bobina come termometro all’interno di un normale circuito elettrico a ponte. Questa variazione della resistenza viene quindi collegata direttamente alla concentrazione del gas nell’atmosfera circostante e può essere visualizzata con un misuratore o un dispositivo simile.
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Uscita del sensore
Per garantire la stabilità della temperatura con condizioni ambientali variabili, i migliori sensori catalitici utilizzano “bead” con adeguate caratteristiche termiche. Sono posizionati nei bracci opposti di un circuito elettrico a ponte Wheatstone, in cui il sensore “sensibile” (solitamente denominato sensore “s”) reagisce ad ogni gas combustibile presente, mentre l’altro sensore di bilanciamento, “inattivo” o “non sensibile” (n-s) non reagisce. Tale inattività viene ottenuta o rivestendo il bead con una pellicola di vetro o disattivando il catalizzatore in modo tale che questo funzioni solo come compensatore di ogni cambiamento della temperatura o dell’umidità esterna.
Un ulteriore miglioramento della stabilità della misura nel tempo, può essere ottenuto mediante l’impiego di sensori resistenti agli avvelenamenti. Questi sensori hanno una maggior resistenza al decadimento causata da sostanze come siliconi e composti alogenati e solforosi e piombo che possono rapidamente inibire temporaneamente o avvelenare permanentemente i sensori catalitici tradizionali.
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Velocità di risposta
Per ottenere il livello di sicurezza necessario, i sensori di tipo catalitico devono essere montati all’interno di un alloggiamento in metallo molto resistente, dietro un rompifiamma. Ciò consente alla miscela di aria e gas di diffondersi nell’alloggiamento e sopra all’elemento sensore caldo, ma impedisce la propagazione di eventuali fiamme nell’atmosfera esterna. Il rompifiamma riduce leggermente la velocità di risposta del sensore, ma comunque esso fornisce una misurazione in pochi secondi dopo il rilevamento del gas. Tuttavia poiché la curva di risposta risulta notevolmente appiattita quando si avvicina alla lettura massima, il tempo di risposta viene solitamente indicato come il tempo necessario per raggiungere il 90% della lettura finale ed è pertanto detto valore “T90”. I valori T90 dei sensori catalitici in genere sono compresi fra i 20 e i 30 secondi.
(N.B. negli Stati Uniti e in alcuni altri paesi questo valore viene spesso definito come la lettura T60 più bassa, pertanto è necessario prestare molta attenzione in fase di raffronto fra le prestazioni di sensori diversi).
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Taratura
La causa più comune di anomalie dei sensori catalitici è legata alla degradazione delle prestazioni provocata dall’esposizione a certi contaminanti. Pertanto è fondamentale che qualsiasi sistema di monitoraggio dei gas sia non solo tarato al momento dell’installazione, ma anche controllato regolarmente e tarato nuovamente se necessario. I controlli devono essere eseguiti utilizzando una miscela di gas standard calibrata e certificata, in modo da poter impostare correttamente i valori dello zero e “span” sul controller.
Codici di buona pratica come EN50073:1999 possono fornire indicazioni sulla frequenza di controllo della taratura e l’impostazione dei livelli di allarme. Normalmente i controlli devono essere eseguiti ad intervalli settimanali per il primo periodo; successivamente la frequenza può essere ridotta via via che si riscontra una buona stabilità della misura. Nei casi in cui sono necessari due livelli di allarme in genere il livello più basso viene impostato al 20-25% del LEL e quello più alto al 50% del LEL.
I sistemi più vecchi (e più economici) richiedono la presenza di due persone per i controlli e la taratura: una per esporre il sensore a un flusso di gas e un’altra per controllare il valore indicato sulla scala dell’unità di controllo. Quindi vengono eseguite le regolazioni agendo sui potenziometri di zero e span del controller finché il valore corrisponderà perfettamente alla concentrazione della miscela di gas.
È necessario ricordare che per eseguire regolazioni all’interno di un involucro antideflagrante si dovrà scollegare preventivamente l’alimentazione elettrica e ottenere il permesso di aprire l’involucro ed agire sui potenziometri interni.
Oggi esistono numerosi sistemi che richiedono la presenza di una sola persona per la taratura e consentono di eseguire tale procedura direttamente sul sensore. Ciò riduce considerevolmente i tempi e i costi della manutenzione, soprattutto quando i sensori si trovano in posizioni difficili da raggiungere, come ad esempio nel caso delle piattaforme petrolifere offshore. In alternativa attualmente sono disponibili sensori a sicurezza intrinseca che consentono di smontare i sensori e di calibrarli in zone più convenienti, ad esempio in laboratori strumentazione.
La sicurezza intrinseca permette lo smontaggio in zona pericolosa ed eventualmente l’installazione di sensori diversi precedentemente calibrati.
Pertanto è possibile eseguire la manutenzione su un sistema “caldo”, risparmiando tempo e denaro rispetto ai sistemi convenzionali.
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Sensore a semiconduttore
I sensori realizzati utilizzando i semiconduttori raggiunsero una notevole popolarità alla fine degli anni ottanta poiché sembravano offrire la possibilità di disporre di un rivelatore di gas universale ed economico. Proprio come i sensori catalitici, funzionano in base al principio dell’assorbimento dei gas sulla superficie di un ossido riscaldato. Si tratta infatti di una sottile pellicola di ossidi metallici (normalmente ossidi dei metalli di transizione o metalli pesanti come lo stagno) depositata su una lastra di silicio mediante lo stesso procedimento utilizzato nella produzione dei chip dei computer. L’assorbimento del gas campione sulla superficie di ossido, seguita dall’ossidazione catalitica, causa una modifica della resistenza elettrica dell’ossido e può essere messa in relazione alla concentrazione del gas campione stesso. La superficie del sensore viene riscaldata ad una temperatura costante di circa 200-250°C per accelerare la reazione e ridurre gli effetti dovuti al cambiamento della temperatura ambiente.
I sensori a semiconduttore sono semplici, abbastanza robusti e possono essere molto sensibili. Sono stati utilizzati con buoni risultati per il rilevamento del gas di acido solfidrico e vengono impiegati comunemente anche per la produzione di rilevatori economici di gas per uso domestico. Tuttavia si sono dimostrati piuttosto inaffidabili per le applicazioni industriali poiché non sono specifici per un determinato gas e possono essere influenzati dalle variazioni della temperatura atmosferica e dell’umidità. Probabilmente devono essere controllati più frequentemente rispetto ad altri tipi di sensori poiché pare che perdano sensibilità nel caso in cui non vengano verificati regolarmente con una miscela di gas e risultano lenti nella risposta e nel recupero dopo l’esposizione a una fuoriuscita di gas.
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Conductivité thermique
Questa tecnica per il rilevamento dei gas è adatta alla misurazione di alte concentrazioni (%V/V) di miscele di due gas. Viene utilizzata principalmente per il rilevamento di gas aventi una conducibilità termica molto superiore a quella dell’aria, ad es. il metano e l’idrogeno. Non è invece possibile rilevare gas con una conducibilità termica vicina a quella dell’aria, ad es. l’ammoniaca e il monossido di carbonio. I gas con una conducibilità termica inferiore a quella dell’aria sono più difficili da rilevare poiché il vapore acqueo può causare interferenze (ad es. anidride carbonica e butano). Con questa tecnica è possibile misurare anche miscele di due gas in assenza di aria.
L’elemento sensore riscaldato viene esposto al campione mentre l’elemento di riferimento è chiuso in un compartimento stagno. Se la conducibilità termica del gas campione è superiore a quella del riferimento la temperatura dell’elemento sensore diminuisce. Se la conducibilità termica del gas campione è inferiore a quella del riferimento la temperatura dell’elemento sensore aumenta. Queste modifiche della temperatura sono proporzionali alla concentrazione del gas nell’elemento campione.
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Rivelatore di gas raggi infrarossi puntiforme
Molti gas combustibili hanno una banda di assorbimento nella zona dei raggi infrarossi dello spettro elettromagnetico della luce e il principio dell’assorbimento di infrarossi è stato utilizzato per molti anni come strumento di analisi in laboratorio. Tuttavia i progressi compiuti a partire dagli anni ottanta nel campo dell’elettronica e dell’ottica consentono di progettare apparecchiature con potenza e dimensioni sufficientemente ridotte da permettere l’utilizzo di questa tecnica anche per i prodotti di rilevamento dei gas per il settore industriale.
Questi sensori offrono una serie di importanti vantaggi rispetto a quelli di tipo catalitico. Ad esempio un’elevata velocità di risposta (normalmente inferiore ai 10 secondi), manutenzione ridotta e controlli estremamente semplificati grazie alla funzione di autocontrollo delle moderne apparecchiature comandate da microprocessori. Inoltre possono essere progettati in maniera tale da non risultare contaminabili, sono a prova d’errore e funzionano correttamente in atmosfere inerti ed in presenza di una vasta gamma di condizioni in termini di temperatura ambiente, pressione e umidità.
Questa metodica si basa sul principio dell’assorbimento di raggi infrarossi con doppia lunghezza d’onda, in base al quale la luce passa attraverso la miscela campione con due diverse lunghezze d’onda, una delle quali è impostata al picco di assorbimento del gas da rilevare, mentre l’altra ha una impostazione diversa. Le due fonti luminose vengono pulsate alternativamente e guidate lungo un percorso ottico comune per poi riemergere prima da una “finestra” antideflagrante e poi attraverso il gas campione. I raggi vengono poi riflessi da un retroriflettore e passano nuovamente attraverso il campione e all’interno dell’unità. Quindi un rivelatore confronta l’intensità dei segnali dei raggi campione e di riferimento e mediante sottrazione è in grado di fornire la misurazione della concentrazione del gas.
Questo tipo di rivelatore può rilevare unicamente molecole di gas biatomici ed è quindi inadatto al rilevamento dell’idrogeno.
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Rilevatore di gas infiammabili a raggi infrarossi a percorso aperto
Il metodo tradizionale per il rilevamento delle fughe di gas consiste nel rilevamento a punto fisso, tramite una serie di sensori singoli posizionati in maniera da coprire un’area o un perimetro. Recentemente sono stati introdotti strumenti che utilizzano la tecnologia laser e a infrarossi sottoforma di un fascio largo (o percorso aperto) che è in grado di coprire una distanza di diverse centinaia di metri. I primi dispositivi a percorso aperto venivano utilizzati in genere per completare il rilevamento a punto fisso, tuttavia gli strumenti di terza generazione oggi vengono spesso utilizzati come metodo principale di rilevamento. Tra le applicazioni per cui sono maggiormente utilizzati figurano i sistemi di produzione e stoccaggio petrolio galleggianti (FPSO), pontili, terminali di carico e scarico, oleodotti, monitoraggio perimetrale, piattaforme offshore e aree di stoccaggio per GNL (Gas Naturale Liquido) o GPL.
I tipi più datati utilizzano fasci con doppia lunghezza d’onda: il primo corrisponde al picco della banda di assorbimento del gas da ricercare mentre il secondo è il fascio di riferimento che si trova vicino, in un’area priva di assorbimento. Lo strumento confronta costantemente i due segnali che vengono trasmessi attraverso l’atmosfera utilizzando o la radiazione retrodiffusa da un retroriflettore o un trasmettitore e un ricevitore separati, soluzione più comune nei modelli più recenti. Qualsiasi variazione nel rapporto fra i due segnali viene misurata come gas. Tuttavia questi modelli possono subire delle interferenze a causa della nebbia: infatti i diversi tipi di nebbia possono influenzare positivamente o negativamente il rapporto fra i i segnali creando le condizioni per un’errata indicazione un valore superiore (allarme) o inferiore (errore) di gas. I modelli più nuovi, quelli di terza generazione, utilizzano un doppio filtro passa-banda con due lunghezze d’onda di riferimento (una per ogni lato del campione) in grado di compensare totalmente le interferenze di ogni tipo di nebbia e pioggia. Altri problemi dei modelli precedenti sono stati superati utilizzando soluzioni ottiche coassiali per eliminare i falsi allarmi causati dal parziale oscuramento del fascio, oltre a lampade per flash allo xenon e rivelatori a stato solido, che rendono lo strumento totalmente immune dalle interferenze della luce solare e di altre fonti di radiazioni quali bruciatori a torcia, saldatura ad arco o fulmini.
I rivelatori a percorso aperto attualmente misurano il numero totale delle molecole di gas (cioè la quantità di gas) all’interno del fascio. Si tratta di un valore differente rispetto a quello della concentrazione di gas fornito per un singolo punto e pertanto viene espresso in termini di LEL / metro.
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Sensore elettrochimico
I sensori elettrochimici per specifici tipi di gas possono essere utilizzati per il rilevamento dei più comuni gas tossici, ivi compresi CO, H2S, Cl2, SO2, per una vasta gamma di applicazioni di sicurezza. I sensori elettrochimici sono compatti, richiedono una potenza minima, offrono una linearità e una ripetibilità eccezionali e in genere hanno una durata notevole, compresa per lo più fra uno e tre anni. I tempi di risposta, indicati con T90 (il tempo necessario per raggiungere il 90% della risposta finale), sono generalmente di 30-60 secondi e i limiti minimi di rilevamento variano da 0,02 a 50 ppm, a seconda del tipo di gas target.
In commercio esistono numerosi modelli di celle elettrochimiche, ma molti hanno in comune le seguenti caratteristiche:
Tre elettrodi a diffusione attiva di gas sono immersi in un comune elettrolita, spesso una soluzione concentrata acquosa acida o salina, per garantire una conduzione efficiente degli ioni tra gli elettrodi di lavoro e i controelettrodi.
A seconda del tipo di cella il gas da misurare viene o ossidato o ridotto sulla superficie dell’elettrodo di lavoro. Questa reazione altera il potenziale dell’elettrodo di lavoro rispetto all’elettrodo di riferimento. La principale funzione del circuito elettronico di comando collegato alla cella è minimizzare la differenza di potenziale facendo passare la corrente tra gli elettrodi di lavoro e i controelettrodi, con la corrente misurata proporzionale alla concentrazione del gas target. Il gas entra nella cella mediante una barriera di diffusione esterna che è porosa per i gas ma impermeabile per i liquidi.
Molti modelli includono una barriera di diffusione capillare per limitare la quantità di gas che entra in contatto con l’elettrodo di lavoro, mantenendo così il funzionamento “amperometrico” della cella.
Per il corretto funzionamento di tutte le celle elettrochimiche è necessaria una minima concentrazione di ossigeno: quindi tali dispositivi risultano inappropriati per alcune applicazioni di monitoraggio dei processi. Nonostante l’elettrolita contenga una certa quantità di ossigeno disciolto, che consente il rilevamento a breve termine (minuti) del gas target in un ambiente privo di ossigeno, è fortemente consigliabile che il getto del gas di calibrazione contenga aria come componente principale o diluente.
La selettività rispetto al gas da misurare si ottiene mediante l’ottimizzazione dell’elettrochimica (cioè della scelta del catalizzatore e dell’elettrolita), oppure inserendo nella cella dei filtri che assorbano fisicamente certe molecole del gas interferente o che reagiscano chimicamente con esse per aumentare la specificità rispetto al gas target. È importante consultare il manuale del prodotto adeguato per comprendere gli effetti dei potenziali gas interferenti sulla risposta della cella.
Poiché nelle celle elettrochimiche è necessario inserire elettroliti acquosi, il prodotto ottenuto sarà sensibile alle condizioni ambientali sia in termini di temperatura che di umidità. Per risolvere tale problema il sistema Surecell™ comprende due serbatoi di elettrolita che consentono di compensare gli incrementi e le perdite di elettrolita che si verificano in ambienti con temperatura elevata e alto tasso di umidità o temperatura bassa e basso tasso di umidità.
Normalmente la durata di un sensore elettrochimico è garantita per due anni, ma in generale la vita utile di questo prodotto risulta più lunga. Fanno eccezione i sensori per ossigeno, ammoniaca e acido cianidrico, in cui i componenti della cella vengono consumati per poter far funzionare il meccanismo di reazione necessario per il rilevamento.
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Chemcassette®
Chemcassette® si basa sull’utilizzo di una striscia assorbente di carta filtrante che funge da substrato di reazione a secco. Questo substrato agisce come mezzo sia di raccolta che di analisi del gas e può essere utilizzato in modalità di funzionamento continuo. Questo sistema si basa su tecniche di colorimetria classiche e ha limiti di rilevamento estremamente bassi per ciascun gas. Può essere utilizzato con ottimi risultati per una vasta gamma di sostanze altamente tossiche, compresi diisocianati, fosgene, cloro, fluoro e numerosi idruri gassosi utilizzati nella produzione di semiconduttori.
La specificità del rilevamento e la sensibilità si ottengono mediante l’impiego di reagenti chimici con formulazione speciale, che reagiscono unicamente con il/i gas campione. Le molecole del gas campione, quando vengono fatte passare attraverso Chemcassette® con una pompa del vuoto, reagiscono con i reagenti chimici secchi e formano una macchia colorata specifica per quel determinato gas. L’intensità della macchina è proporzionale alla concentrazione del gas reagente: maggiore è la concentrazione del gas, più scura sarà la macchia. Regolando attentamente l’intervallo di campionamento e la portata con cui il campione viene a contatto con Chemcassette® si possono raggiungere rapidamente livelli di rilevamento misurabili in parti per miliardo (cioè 10 -9).
L’intensità della macchia viene misurata con un sistema elettroottico che riflette la luce dalla superficie del substrato alla fotocellula posizionata obliquamente rispetto alla fonte luminosa. Quindi, via via che la macchia si sviluppa, la luce riflessa si attenua e la riduzione di intensità viene rilevata dal fotorivelatore sotto forma di segnale analogico. Quindi il segnale viene convertito in formato digitale e presentato come concentrazione di gas utilizzando una curva di taratura generata internamente e un libreria software adeguata. Le formulazioni di Chemcassette® costituiscono un sistema di rilevamento unico, che non è solo rapido, sensibile e specifico: si tratta infatti del solo sistema in grado di lasciare una traccia fisica (la macchia sul nastro della cassetta) della fuga o della liberazione di gas.
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Raffronto fra le diverse tecniche di rilevamento dei gas
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