- Sensoren voor brandbare gassen
- Katalytische sensor
- Sensoruitgang
- Reactiesnelheid
- IJking
- Halfgeleidersensor
- Thermische geleidbaarheid
- Infrarood gasdetector
- Open pad brandbare infrarood gasdetector
- Elektrochemische sensor
- Chemcassette
- Vergelijking van gasdetectietechnieken
- Draagbare gasdetectoren
Sensoren voor brandbare gassen
Heel wat mensen hebben waarschijnlijk al wel eens een veiligheidslamp gezien en weten iets over het gebruik als een vroege vorm van ‘vuurdamp’-gasdetector in ondergrondse koolmijnen en riolen. Hoewel de lamp oorspronkelijk was bedoeld als lichtbron, kon het toestel ook worden gebruikt om het niveau aan brandbare gassen te schatten tot op een nauwkeurigheidsgraad van 25-50 % afhankelijk van de ervaring, training, leeftijd, kleurenperceptie enz. van de gebruiker. Moderne detectoren van brandbare gassen moeten veel nauwkeuriger, betrouwbaarder en herhaalbaarder zijn dan dit en hoewel heel wat pogingen werden ondernomen om de metingssubjectiviteit van de veiligheidslamp te verbeteren (bijvoorbeeld door een vlamtemperatuursensor te gebruiken), is het toestel nu helemaal vervangen door modernere elektronische toestellen.
Het toestel dat vandaag de dag het meeste wordt gebruikt, de katalytische detector, is echter in heel wat opzichten een modernere versie van de vroegere veiligheidslamp. Het vertrouwt voor haar werking immers eveneens op de verbranding van een gas en de omzetting ervan in kooldioxide en water.
(Bovenkant)
Katalytische sensor
Bijna alle goedkope sensoren voor brandbare gasdetectie zijn van het elektrokatalytische type. Ze bestaan uit een zeer klein voelelement dat soms een ‘parel’, een ‘Pellistor’ of een ‘Siegistor’ wordt genoemd. De laatste twee zijn eigenlijk geregistreerde handelsmerken voor in de handel verkrijgbare apparaten. Ze zijn gemaakt uit een elektrisch verwarmde platinum draadspoel, eerst bedekt met een keramische basis zoals aluinaarde, daarna voorzien van een buitencoating uit palladium of rhodium katalysator, in een substraat van thorium.
Dit type sensor werkt volgens het principe dat wanneer een brandbaar gas of luchtmengsel over een heet katalytisch oppervlak gaat, verbranding ontstaat. Vervolgens zorgt de ontstane warmte ervoor dat de temperatuur van de ‘parel’ stijgt. Hierdoor wordt de weerstand van de platinumspoel gewijzigd. Dit kan worden gemeten door de spoel als temperatuurthermometer te gebruiken in een standaard elektrische overbrugging. De weerstandsverandering wordt direct gecorreleerd met de gasconcentratie in de omgevingslucht en kan op een meter of een gelijkwaardig apparaat worden weergegeven.
(Bovenkant)
Sensoruitgang
Om een temperatuurstabiliteit te waarborgen onder wijzigende omgevingsvoorwaarden maken de beste katalytische sensoren gebruik van thermische bij elkaar passende parels. Ze bevinden zich aan tegenovergestelde armen van een Wheatstone elektrische overbrugging waarbij de ‘gevoelige’ sensor (meestal gekend als de ‘s’ (van sensitive) -sensor) zal reageren op eventueel aanwezige brandbare gassen, terwijl een balancerende, ‘inactieve’ of ‘ongevoelige’ (n-s-) (van non-sensitive) sensor niet zal reageren). Inactieve werking wordt bekomen door de parel te bekleden met een glasfolie of de katalyst te deactiveren zodat deze alleen zal reageren als compensator ingeval de externe temperatuur of vochtigheid wijzigt.
Een verdere verbetering in de stabiele werking kan worden bekomen door gebruik te maken van gifbestendige sensoren. Deze hebben een betere stijtageweerstand voor stoffen als siliconen, zwavel en loodsamenstellingen die andere types van katalytische sensoren snel kunnen uitschakelen (of ‘vergiftigen’).
(Bovenkant)
Reactiesnelheid
Om tegemoet te komen aan de nodige veiligheidsvoorwaarden moet de sensor van het katalytische type worden gemonteerd in een stevige metalen behuizing achter een vlamvertrager. Hierdoor kan het gas / luchtmengsel zich in de behuizing verspreiden op de warmtesensor, maar wordt de verspreiding van vlammen naar de externe atmosfeer voorkomen. De vlamremmer vermindert de reactiesnelheid van de sensor iets, maar in de meeste gevallen zal de elektrische uitgang enkele seconden na de detectie van het gas een uitlezing geven. Omdat de reactiecurve redelijk wordt uitgevlakt bij het benaderen van de uiteindelijke uitlezing, wordt de reactietijd echter dikwijls aangegeven in termen van tijd tot het bereiken van 90 procent van de uiteindelijke uitlezing. Daarom staat deze uitlezing bekend als de T90-waarde. De T90-waarden voor katalytische sensoren liggen meestal tussen 20 en 30 seconden.
(N.B. in de Verenigde Staten en in sommige andere landen wordt deze waarde dikwijls aangegeven als de lagere T60-uitlezing. Bij het vergelijken van de prestaties van verschillende sensoren moet u hier dus aandacht voor hebben.)
(Bovenkant)
IJking
De meest voorkomende storingen bij katalytische sensoren is prestatievermindering veroorzaakt door blootstelling aan bepaalde soorten vergif. Daarom is het van het grootste belang dat gasbewakingssystemen niet alleen tijdens de installatie worden geijkt, maar dat ze ook regelmatig worden gecontroleerd en indien nodig herijkt. De keuringen moeten worden uitgevoerd met een juist geijkt standaard gasmengsel zodat de nul en de ‘bereik’-niveaus correct op de controller kunnen worden ingesteld.
Praktijkcodes zoals EN50073:1999 kunnen een zekere assistentie verlenen bij de nodige frequentie van de ijkingscontrole en de instelling van het alarmniveau. Meestal moeten wekelijks controles worden uitgevoerd, maar deze periodes kunnen worden verlengd zodra operationele ervaring wordt opgedaan. Daar waar twee alarmniveaus vereist zijn, worden deze meestal ingesteld op 20-25 % LEL voor het onderste alarmpeil en op 50-55 % voor het bovenste alarmpeil.
Bij oudere (en goedkopere) systemen zijn meestal twee personen nodig voor de controle en de ijking, een om de sensor bloot te stellen aan de gasstroom en een tweede voor de uitlezing op de controller. Vervolgens worden aanpassingen uitgevoerd aan de nul- en de bereikpotentiometers van de controller tot de uitlezing perfect overeenstemt met de concentratie van het gasmengsel.
Vergeet niet dat aanpassingen moeten worden uitgevoerd in de vuurbestendige behuizing, de stroom moet eerst worden uitgeschakeld en er moet een vergunning worden aangevraagd om de behuizing te openen.
Vandaag bestaan er een aantal ‘één-mans’ ijksystemen die toelaten om de ijkingsprocedures uit te voeren aan de sensor zelf. Hierdoor worden de onderhoudskosten en de onderhoudstijd aanzienlijk verkleind, in het bijzonder daar waar de sensoren zijn opgesteld op moeilijk bereikbare plaatsen zoals op een off-shore olie- of gasplatform. Daarnaast zijn er momenteel ook sensoren verkrijgbaar die zijn ontwikkeld overeenkomstig alle intrinsiek veilige normen. Hierdoor is het mogelijk om de sensoren te ijken op een geschikte plaats, weg van de plaats van opstelling (bijvoorbeeld in een onderhoudswerkplaats). Omdat ze intrinsiek veilig zijn, kunnen ze vrij worden uitgewisseld met sensoren die ter plaatse moeten worden vervangen, zonder vooraf het systeem uit veiligheidsoverwegingen te moeten uitschakelen.
Daarnaast is onderhoud worden uitgevoerd op een systeem onder spanning wat veel sneller en goedkoper kan dan bij oudere, conventionele systemen.
(Bovenkant)
Halfgeleidersensor
Sensoren die zijn gemaakt van halfgeleidend materiaal werden aan het einde van de jaren 80 steeds populairder en leken op een bepaald moment de mogelijkheid te bieden van een goedkope, universele gasdetector. Net zoals bij katalytische sensoren, werken ze door gasabsorptie aan het oppervlak van een verhit oxide. In feite betreft het een dunne metaaloxidefolie (meestal een oxide van overgangsmetalen of zware metalen zoals tin) afgezet op een siliconenplaatje. Dit is een gelijkwaardig proces asl wat wordt gebruikt in de productie van computerchips. Door absorptie van het monstergas op het oxideoppervlak, gevolgd door de katalytische oxidatie, ontstaat een verandering in de chemische weerstand van het oxidemateriaal en kan worden gecorreleerd met de concentratie van het monstergas. Het oppervlak van de sensor wordt verhit tot op een constante temperatuur van ongeveer 200 tot 250 °C om de reactietijd te versnellen en de effecten van schommelingen in de omgevingstemperatuur te verminderen.
Halfgeleidersensoren zijn eenvoudig, redelijk robuust en kunnen erg gevoelig zijn. Ze worden met een zekere mate van succes gebruikt voor de detectie van waterstofsulfidegas en worden ook vrij veel gebruikt in de productie van goedkope gasdetectoren in privé-woningen. Ze worden echter redelijk onbetrouwbaar bevonden voor industriële toepassingen omdat ze niet erg specifiek zijn voor een bepaald gas en erg gevoelig zijn voor schommelingen in de atmosferische temperatuur en vochtigheidsgraad. Ze moeten waarschijnlijk meer worden gecontroleerd dan andere type sensoren, omdat bekend is dat ze ‘in slaap vallen’ (of gevoeligheid verliezen) tenzij ze regelmatig met een gasmengsel worden gecontroleerd. Bovendien reageren ze traag en herstellen ze moeilijk na blootstelling aan een gaspiek.
(Bovenkant)
Thermische geleidbaarheid
Deze gasdetectietechniek is geschikt voor de meting van hoge (% V/V) concentraties binaire gasmengsels. Ze wordt meestal gebruikt voor de detectie van gassen met een veel hogere geleidbaarheid dan lucht, bijvoorbeeld methaan en waterstof. Gassen met een thermische geleidbaarheid dichter in de buurt van lucht, bijvoorbeeld ammoniak en koolmonoxide, kunnen niet worden gedetecteerd. Gassen met een thermische geleidbaarheid lager dan lucht zijn moeilijker te detecteren omdat waterdamp kan interfereren, bijvoorbeeld kooldioxide en butaan. Mengsels van twee gassen in afwezigheid van lucht kunnen eveneens worden gemeten met behulp van deze techniek.
Het verhitte sensorelement wordt blootgesteld aan het monster en het referentie-element is opgesloten in een afgesloten compartiment. Indien de thermische geleidbaarheid van het monstergas groter is dan deze van het referentiegas, dan daalt de temperatuur van het sensorelement. Indien de thermische geleidbaarheid van het monstergas kleiner is dan deze van het referentiegas, dan stijgt de temperatuur van het sensorelement. Deze temperatuursveranderingen zijn proportioneel met de concentratie van het gas aanwezig bij het meetelement.
(Bovenkant)
Infrarood gasdetector
Heel wat brandbare gassen hebben Absorptiebanden in de infraroodzone van het elektromagnetisch spectrum van licht. Het principe van de infraroodabsorptie werd jarenlang gebruikt als een analytisch laboratoriumtool. Sedert de jaren 80 maakte de vooruitgang op elektronisch en optisch gebied het echter mogelijk om apparatuur te ontwikkelen met een voldoende lage stroom en kleinere afmetingen zodat deze techniek eveneens beschikbaar werd voor industriële gasdetectieproducten.
Deze sensoren beschikken over een aantal belangrijke voordelen in vergelijking met deze van het katalytische type. Ze bieden een bijzonder snelle reactietijd (meestal minder dan 10 seconden), vergen weinig onderhoud en de controle is veel eenvoudiger via het zelfcontrolemechanisme van moderne microprocessorgestuurde apparatuur. Door hun ontwerp kunnen ze eveneens ongevoelig worden gemaakt voor de bekende ‘gifsoorten’. Ze zijn storingvrij en werken zonder problemen in inerte atmosferen en in een breed omgevingstemperatuurbereik en onder variabele druk- en vochtomstandigheden.
De techniek werkt volgens het principe van de twee-golflengte IR-absorptie waarbij licht in twee golflengtes door het monstermengsel wordt gestuurd, waarbij de ene golflengte is ingesteld op de absorptiepiek van het te detecteren gas, en de andere niet. De twee apart pulserende lichtbronnen sturen licht langs een gemeenschappelijk pad door een hittebestendig venster en vervolgens door het monstergas. De bundels worden vervolgens teruggereflecteerd door een retroreflector waardoor het licht opnieuw door het monstergas gaat en vervolgens het apparaat weer ingaan. Hier vergelijkt een detector de signaalsterkte van de monsterbundel en de referentiebundels en wordt, door aftrekking, een meting gegeven van de gasconcentratie.
Dit type detector kan alleen diatomische gasmolecules detecteren en is daarom ongeschikt voor de detectie van waterstof.
(Bovenkant)
Open pad brandbare infrarood gasdetector
De conventionele methode voor de detectie van gaslekken was traditioneel puntdetectie, waarbij een aantal afzonderlijke detectoren werden ingezet om een oppervlakte of een omtrek te controleren. De laatste tijd werden echter instrumenten op de markt gebracht die gebruikmaken van infrarood- en lasertechnologie in de vorm van een brede bundel (of een open pad) die kan worden ingezet over een afstand van ettelijke honderden meters. De eerste open pad ontwerpen werden meestal gebruikt ter aanvulling van een puntdetectie. De nieuwste instrumenten van de 3de generatie worden nu echter meer en meer gebruikt als primaire detectiemethode. Toepassingen waar ze met redelijk succes worden ingezet zijn FPSO’s, jetty’s, laad- en losplatforms, pijpleidingen, perimetermonitoring, off-shoreplatforms en LNG (vloeibaar aardgas) -opslagzones.
De eerste ontwerpen maakten gebruik van twee-golflengtebundels, de eerste bundel valt samen met de absorptiepiekgebied van het doelgas en de tweede met de referentiebundel die in de buurt ligt van een niet-geabsorbeerde zone. Het apparaat vergelijkt de twee signalen die door de atmosfeer worden gestuurd continu, en gebruikt hiervoor de terugstraling van een retroreflector of in nieuwere ontwerpen meer en meer een afzonderlijke zender-ontvanger. Alle wijzigingen in de verhoudingen van de twee signalen worden als gas gemeten. Hoewel dit ontwerp gevoelig is voor interferentie door mist kunnen verschillende soorten mist positieve en negatieve gevolgen hebben voor de verhouding van de signalen en hierbij foutief een goedgaslezing als alarm kunnen doorgeven of een foutgaslezing als fout. De nieuwste 3de generatie ontwerpen maken gebruik van een dubbele strook doorgangsfilter met twee referentie golflengtes (een aan elke zijde van het monster) die een volledige compensatie biedt voor de interferentie door allerhande soorten mist en regen. Andere problemen van oudere ontwerpen werden opgelost door gebruik te maken van coaxiale optische ontwerpen om valse alarmen te voorkomen veroorzaakt door een gedeeltelijke verduistering van de bundel en het gebruik van xenon-flitslampen en massieve detectoren waardoor de instrumenten volledig ongevoelig werden voor interferentie van zonlicht of andere stralingsbronnen zoals flikkerend licht, lasbogen of verlichting.
Open pad detectoren meten momenteel het totale aantal gasmoleculen (de gashoeveelheid) in de bundel. Deze waarde verschilt met de gewoonlijke gasconcentratie die op een bepaald punt wordt opgegeven en wordt daarom uitgedrukt in LEL-meter.
(Bovenkant)
Elektrochemische sensor
Gasspecifieke elektrochemische sensoren kunnen worden gebruikt om de meeste veel voorkomende toxische gassen te detecteren, inclusief CO, H2S, Cl2, SO2 enz. in een brede waaier van beveiligingsstoepassingen.
Elektrochemische sensoren zijn compact, vragen zeer weinig stroom, vertonen een uitstekende lineariteit en herhaalbaarheid en hebben over het algemeen een lange levensduur, doorgaans een tot drie jaar. De reactietijden, aangeduid als T90, oftewel de tijd om 90 % van de eindreactie te halen, bedraagt doorgaans 30-60 seconden en de minimale detectiegrenzen gaan van 0,02 tot 50 ppm, afhankelijk van het beoogde gastype.
Er bestaan heel wat commerciële ontwerpen van elektrochemische cellen maar de meeste ervan hebben onderstaande gemeenschappelijke kenmerken:
Drie actieve gasverspreidingselektroden worden ondergedompeld in een gewone elektrolyt, meestal een geconcentreerde waterige zuur- of zoutoplossing, voor een efficiënte geleiding van ionen tussen de werkende en de referentie electrode.
Afhankelijk van de specifieke cel wordt het doelgas aan het oppervlak van de werkelectrode geoxideerd of verminderd. Deze reactie wijzigt de potentiaal van de werkende elektrode in vergelijking met de referentie-elektrode. De belangrijkste functie van de gekoppelde elektronische stuurkring aangesloten op de cel is dit potentiaalverschil te verminderen door stroom te sturen tussen de werkende elektrode en de tegenelektrode. De gemeten stroom is proportioneel aan de concentratie van het doelgas. Het gas komt de cel binnen door een externe verspreidingsbarrière die gasdoorlatend is, maar ondoordringbaar voor vloeistof.
In heel wat ontwerpen wordt gebruikgemaakt van een capillaire verspreidingsbarrière om de gashoeveelheid die in contact komt met de werkende elektrode te beperken waardoor de “amperometrische” celwerking wordt behouden.
Een minimale concentratie aan zuurstof is vereist voor de correcte werking van alle elektrochemische cellen, waardoor deze onbruikbaar zijn voor bepaalde bewakingstoepassingen. Hoewel het elektrolyt een bepaalde hoeveelheid opgeloste zuurstof bevat, waardoor een kortetermijndetectie (in minuten) van het doelgas in een zuurstofvrije omgeving mogelijk wordt, wordt sterk geadviseerd om ijkgasstromen te gebruiken die lucht als belangrijkste component of verdunner hebben.
De meting van het doelgas wordt bereikt door optimalisering van de elektrochemie, dit is de keuze van catalyst en elektrolyt, of door de inbouw van filters binnen de cel die bepaalde interfererende gasmoleculen fysisch absorberen of er chemisch mee reageren om doelgas specifieker te kunnen meten. Het is belangrijk om de geschikte producthandleiding te raadplegen om de effecten van potentieel interfererende gassen op de celreactiviteit goed te begrijpen.
De nodige intrusie van waterige elektrolyten binnen de elektrochemische cellen resulteren in een product dat gevoelig is voor omgevingskenmerken zoals temperatuur en vochtigheid. Om dit te bereiken maakt het gepatenteerde SurecellTM gebruik van twee elektrolyttanks waardoor ‘opname’ en ‘verlies’ van elektrolyt bij hoge temperatuur en een hoge vochtigsheidsgraad of lage temperatuur en een lage vochtigheidsgraad mogelijk worden.
Een elektrochemische sensor heeft meestal een garantie van 2 jaar, maar de reële levensduur is meestal langer. Uitzondering hierop zijn zuurstof-, ammoniak- en waterstofcyanidesensoren waarbij de celcomponenten worden verbruikt als onderdeel van het sensorreactiemechanisme.
(Bovenkant)
Chemcassette®
Chemcassette® is gebaseerd op het gebruik van een absorberende strip of een filterpapier dat dienst doet als droog reactiesubstraat. Dit werk zowel als gasverzamelings- en als gasanalyse medium en kan worden gebruikt in een continue werkingsmodus. Het systeem is gebaseerd op de klassieke colorimetrische technieken en kan uitzonderlijk lage detectieniveaus van een specifiek gas meten. Het wordt met veel succes gebruikt voor een breed gamma uitzonderlijk toxische stoffen zoals di-isocyanaten, fosfeen, chlorine, fluorines en een aantal hybride gassen die worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders.
De detectiespecificiteit en de gevoeligheid worden gehaald door het gebruik van speciaal geformuleerde chemische reagentia die alleen reageren met het doelgas of de doelgassen. Terwijl de gasmonstermoleculen met behulp van een vacuümpomp door de Chemcassette® worden getrokken, reageren ze met de droge chemische reagentia en vormen ze een kleurenvlek die specifiek is voor dat gas. De intensiteit van deze vlek staat in verhouding tot de concentratie van het reagerende gas. Hoe hoger de gasconcentratie, hoe donkerder de vlek. Door een zorgvuldige regeling van het monsterinterval en het debiet waarmee het monster aan de Chemcassette® wordt aangeboden, kan een detectieniveau op ppb-niveau (deeltjes per miljard) (bijv. 10 -9) vlot worden bereikt.
De vlekintensiteit wordt gemeten met een elektro-optisch systeem waarbij licht wordt gereflecteerd van het oppervlak van het substraat naar een fotocel geplaatst in een hoek ten opzichte van de lichtbron. Terwijl de vlek zich ontwikkelt, vermindert het gereflecteerde licht en deze vermindering van intensiteit wordt vervolgens door de fotodetector opgemeten in de vorm van een analoog signaal. Dit signaal wordt dan omgezet in een digitaal signaal en voorgesteld als een gasconcentratie waarbij gebruik wordt gemaakt van een intern opgebouwde ijkingscurve en een geschikte softwarebibliotheek. Chemcassette®-formules bieden een uniek detectiemedium dat niet alleen snel, gevoelig en gasspecifiek is, maar eveneens het enig beschikbare systeem is met een fysisch bewijs (de vlek op de cassettestrook) dat er een gaslek of een gasvrijgave is geweest.
(Bovenkant)
Vergelijking van gasdetectietechnieken
(Bovenkant)
Draagbare gasdetectoren
Draagbare instrumenten zijn waarschijnlijk goed voor zowat de helft van alle moderne elektronische gasdetectoren die vandaag de dag worden gebruikt. In de meeste landen is hun gebruik wettelijk verplicht gesteld voor iedereen die werkt in besloten ruimtes zoals riolen en ondergrondse telefoon- en elektriciteitskanalen. Meestal zijn draagbare gasdetectoren compact, robuust, waterbestendig en licht in gewicht en kunnen ze gemakkelijk op of in kleding worden meegenomen. Ze zijn eveneens bijzonder nuttig voor de lokalisatie van het exacte punt van een lek dat voor het eerst werd gedetecteerd met een vast detectiesysteem.
Draagbare gasdetectoren zijn beschikbaar als enkelvoudige of als multigaseenheden. Enkelvoudige gaseenheden bevatten een sensor voor de detectie van een bepaald gas, terwijl multigassystemen meestal tot vier verschillende gassensoren bevatten (meestal voor zuurstof, brandbare gassen, koolmonoxide en waterstofsulfide). Het productengamma gaat van eenvoudige alarm-wegwerpsystemen tot geavanceerde volledig instelbare en onderhoudbare meetinstrumenten met functies als gegevenslogging, een interne pomp voor monstername, een zelfijkingssysteem en aansluitingsmogelijkheden op andere eenheden.
Recente ontwikkelingen in gasdetectorontwerpen omvatten het gebruik van stevigere en lichtere materialen. Door het gebruik van krachtige microprocessoren kunnen gegevens worden verwerkt voor de zelfcontrole, kan software worden gebruikt, worden gegevens bewaard en worden zelfijkingsprocessen uitgevoerd. Door het modulaire ontwerp is onderhoud heel gemakkelijk uit te voeren. Door een nieuwe batterijtechnologie kon de werkingstijd tussen twee oplaadbeurten worden verlengd en kon het ontwerp in een kleinere en lichtere behuizing worden geïntegreerd.
Voor de toekomst wordt de integratie van nieuwe technologieën overwogen zoals GPS, bluetooth en spraakcommunicatie en de integratie van gasdetectie in andere veiligheidsuitrustingen.
(Bovenkant)