- Датчики горючих газов
- Каталитический датчик
- Выход датчика
- Скорость отклика
- Калибровка
- Полупроводниковый датчик
- Теплопроводность
- Инфракрасный детектор газа
- Инфракрасный датчик с открытым оптическим трактом для
определения горючих газов
определения
- Электрохимический датчик
- Chemcassette®
- Сравнение способов обнаружения газов
Датчики горючих газов
Многие, возможно, когда-нибудь видели взрывобезопасную лампу и знают что-либо о ее использовании в качестве детектора метана в подземных угольных шахтах и канализационных коллекторах. Это устройство, изначально задуманное как источник света, может использоваться также для оценки уровня горючих газов с точностью до 25 - 50%, в зависимости от опыта, тренировки, возраста, цветовосприятия и т.д. Современные детекторы горючих газов должны быть более точными, надежными и стабильными. Несмотря на то, что были предприняты многочисленные попытки устранить субъективность, присущую методу измерения с помощью этой лампы (например, за счет использования датчика температуры воспламенения), теперь она почти целиком вытеснена современными электронными приборами.
Тем не менее, наиболее часто используемое на сегодняшний день устройство, каталитический детектор, в некотором смысле является современной разработкой более ранней взрывобезопасной лампы, поскольку в его основе лежит принцип горения газа и его превращения в углекислый газ и воду.
(Верхняя часть)
Каталитический датчик
Почти все современные недорогие датчики для обнаружения горючих газов относятся к электрокаталитическому типу. Они состоят из миниатюрного чувствительного элемента, иногда называемого также шариком, "пеллистором" (Pellistor) или "сигистором" (Siegistor). Последние два являются зарегистрированными торговыми марками серийных устройств. Они изготовлены из электроподогреваемой катушки с платиновой проволокой, на которую сначала нанесена керамическая подложка, например, оксид алюминия, а затем кроющая наружная оболочка из палладиевого или родиевого катализатора, распыленного на подложку из окиси тория.
Действие этого типа датчика основано на том, что при прохождении горючего газа/воздушной смеси по поверхности катализатора возникает горение, и выделяющееся тепло повышает температуру шарика. Это, в свою очередь, ведет к изменению сопротивления платиновой катушки, которое можно измерить, если использовать катушку в качестве температурного датчика в стандартной цепи с измерительным мостом. Изменение сопротивления находится в прямой зависимости от концентрации газа в окружающей среде, его можно отобразить на измерительном инструменте или индикаторе.
(Верхняя часть)
Выход датчика
Чтобы обеспечить стабильность температуры в меняющихся окружающих условиях, в лучших каталитических датчиках используются термически согласованные шарики. Они расположены на противоположных участках электрической цепи с мостом для измерения сопротивления, где "чувствительный" датчик реагирует на любой присутствующий горючий газ в отличие от сбалансированного пассивного, или нечувствительного, датчика. Пассивное функционирование достигается или за счет покрытия шарика тонким слоем стекла, или за счет деактивированного катализатора. Таким образом, он действует лишь как компенсатор любых внешних изменений температуры или влажности.
Дальнейшего улучшения стабильной работы можно достигнуть, если использовать стойкие к отравлению датчики. Они более устойчивы к негативному воздействию таких веществ, как кремнийорганические и свинцовые соединения, сера, которые могут быстро деактивировать (или "отравить") другие типы каталитических датчиков.
(Верхняя часть)
Скорость отклика
Чтобы соответствовать необходимым требованиям, предъявляемым к безопасности конструкции, каталитический тип датчика должен быть установлен в прочном металлическом корпусе позади пламегасителея. Это позволяет смеси газа/воздуха проникать в корпус и к высокоактивному чувствительному элементу, но предотвращает распространение пламени в окружающей среде. Пламегаситель слегка сокращает скорость реагирования датчика, однако в большинстве случаев показание на электрическом выходе появляется уже через несколько секунд после обнаружения газа. Поскольку кривая отклика в значительной степени сглаживается по мере приближения к конечному показанию, время отклика часто определяется как время, необходимое для достижения 90% от его конечного показания и поэтому известное как значение Т90. Значение Т90 для каталитических датчиков составляет обычно 20 - 30 секунд.
(Обратите внимание, что в США и некоторых других странах это значение часто цитируется как нижнее показание T60 и это следует учитывать при сравнении рабочих характеристик различных датчиков.)
(Верхняя часть)
Калибровка
Наиболее частой неисправностью каталитических датчиков является ухудшение рабочих характеристик, вызванное воздействием определенных "ядов". Поэтому важно, чтобы любая система контроля газов была бы не только откалибрована во время установки, но также и подвергалась контролю и повторной калибровке при необходимости. При проведении контроля необходимо использовать точный калиброванный эталон смеси газов, чтобы на контрольном приборе можно было точно установить ноль и "шаги".
Строительные нормы и правила, такие как EN50073:1999, могут предоставить некоторую информацию о частоте контроля калибровки и настройках аварийных пределов. Обычно проверки проводятся с интервалами в одну неделю, однако периоды могут быть увеличены в зависимости от накопленного опыта эксплуатации. Если требуются два аварийных предела, обычно устанавливается LEL 20 - 25 % для нижнего уровня и LEL 50 - 55 % для верхнего уровня.
Более ранние (и недорогие) системы требуют присутствия двух сотрудников для проведения контроля и калибровки, одного для подачи на датчик потока газа, а другого для контроля показаний на шкале соответствующего устройства управления. Затем выполняются настройки контрольного прибора на ноль и потенциометров до точного соответствия концентрации смеси газа.
Помните о том, что там, где настройки должны проводиться в огнезащитной камере, сначала необходимо отключить питание и получить разрешение на открытие камеры.
Сегодня существует целый ряд калибровочных систем, обслуживаемых одним человеком, которые позволяют проводить процедуры непосредственно на самом приборе. Это в значительной степени сокращает время и стоимость технического обслуживания, в особенности в условиях недоступного расположения датчиков, например, на морских нефте- или газодобывавающих платформах. Кроме того, теперь существуют также датчики, которые разработаны в соответствии с искробезопасными стандартами, калибровка которых возможна в любом удобном месте (например, в депо текущего ремонта). Поскольку они искробезопасны, их можно свободно использовать вместо датчиков, требующих замены, прямо на участке применения, без предварительного отключения системы в целях безопасности.
Следовательно, техническое обслуживание может проводиться на "горячей" системе, и оно будет намного быстрее и дешевле, чем для обычных систем.
(Верхняя часть)
Полупроводниковый датчик
Датчики, изготовленные из полупроводниковых материалов, приобрели значительную популярность в конце 80-х годов прошлого века и одновременно стали использоваться в качестве универсальных недорогих газовых детекторов. Также как и у каталитических датчиков, их действие основано на свойствах поглощения газа поверхностью нагретого оксида. Это тонкая пленка окиси металла (обычно оксиды переходных или тяжелых металлов, таких как олово) на кремниевой пластине, для размещения которой используются те же процессы, что и при изготовлении компьютерных микросхем. Поглощение простого газа поверхностью оксида газа образца с последующим каталитическим окислением ведет к изменению электрического сопротивления оксидного материала и может быть соотнесено с концентрацией газа образца. Поверхность датчика нагревается до постоянной температуры выше 200 - 250°C для ускорения скорости реакции и сокращения воздействий, вызванных изменением окружающей температуры.
Полупроводниковые датчики просты, довольно надежны и могут обладать высокой степенью чувствительности. Они вполне успешно использовались для обнаружения сероводорода, и нашли широкое применение при производстве недорогих детекторов бытового газа. Однако в промышленности они скорее ненадежны, поскольку недостаточно точны при определении отдельных газов, на них также влияют перепады атмосферной температуры и влажности. Возможно, их требуется проверять несколько чаще, чем остальные типы датчиков, потому что они известны потерей чувствительности, если их не контролировать регулярно. Они также медленно реагируют и восстанавливаются после воздействия выброса газа.
(Верхняя часть)
Теплопроводность
Эта техника для определения газа подходит для измерения высоких (% в объемном отношении) концентраций смесей бинарных газов. Она используется большей частью для определения газов с теплопроводностью намного выше, чем у воздуха, например, метана и водорода. Определение газов с теплопроводностью примерно как у воздуха, например, аммиака и угарного газа, невозможно. Газы с теплопроводностью меньше, чем у воздуха, определить значительно сложнее, поскольку водяные пары могут внести помехи. К таким газам относятся углекислый газ и бутан. С помощью этой техники можно также измерять два газа в отсутствие воздуха.
Нагретый чувствительный элемент взаимодействует с образцом, а эталонный элемент заключен в герметизированный отсек. Если теплопроводность газа образца выше, чем у эталона, то температура чувствительного элемента снижается. Если теплопроводность газа образца меньше, чем у эталона, то температура элемента образца повышается. Эти изменения температуры пропорциональны концентрации газа, присутствующего на элементе образца.
(Верхняя часть)
Инфракрасный детектор газа
Полосы поглощения многих горючих газов находятся в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра света, и принцип поглощения в инфракрасной области уже многие годы используется в качестве лабораторных аналитических средств. Однако с 80-х годов достижения в области электроники и оптики позволили разрабатывать маломощное и компактное оборудование и использовать эту технику для промышленных детекторов газа.
Эти датчики обладают целым рядом важных преимуществ по сравнению с каталитическим типом. Например, они характеризуются очень высокой скоростью отклика (обычно менее 10 секунд), низкими эксплуатационными расходами и упрощенным контролем благодаря функции самодиагностики у современного оборудования с микропроцессорным управлением. Они также могут быть нечувствительными к любым известным "ядам", отказоустойчивыми и будут успешно работать в инертных атмосферах и в широком диапазоне температур, давления и влажности окружающей среды.
Действие этой техники основано на принципе поглощения двух длин волн в инфракрасном диапазоне, когда свет проходит через смесь образца с двумя длинами волны, одна из которой устанавливается на пик поглощения определяемого газа, а другая нет. Два источника света пульсируют альтернативно друг другу, направляя свет по обычному оптическому тракту, чтобы он вышел через взрывозащищенное "окно" и затем прошел сквозь газ образца. Пучки лучей затем отражаются ретроотражателем и опять возвращаются через образец в прибор. Теперь детектор сравнивает силу сигнала лучей образца и эталона и путем вычитания определяет концентрацию газа.
Этот тип детектора может определять только молекулы двухатомного газа и поэтому непригоден для водорода.
(Верхняя часть)
Инфракрасный датчик с открытым оптическим трактом для определения горючих газов
Традиционный метод определения утечек газа заключался в точечном обнаружении с использованием ряда индивидуальных датчиков, установленных по всему участку или по периметру. Однако позднее появились инструменты, которые используют инфракрасную и лазерную технологию в форме широкого пучка лучей (или открытого оптического тракта), который может преодолеть расстояние в несколько сотен метров. Ранние разработки с открытым оптическим трактом обычно использовались в качестве дополнения к точечному определению, однако последние инструменты третьего поколения часто используются как первичный метод обнаружения. Типичными успешными примерами сферы их применения являются плавучие нефтекомплексы, дополнительные нефтепирсы, погрузочно/разгрузочные терминалы, трубопроводы, мониторинг периметра, морские эксплуатационные платформы и хранилища сжиженного природного газа.
Ранние разработки используют пучки лучей с двойной длиной волны, первая совпадает с пиком полосы поглощения газа, подлежащего определению, а вторая является сравнительной и находится в непоглощаемом диапазоне. Прибор непрерывно сравнивает два сигнала, передаваемые через среду, используя для этого отраженное излучение ретроотражателя или же более распространенные в последних разработках отдельные передатчик и приемник. Любые изменения скорости двух сигналов преобразуются в концентрацию газа. Однако эта конструкция восприимчива к помехам, вносимым дымовой мглой, поскольку различные типы мглы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на скорость сигналов и, следовательно, отображать неверное показание при изменении измеряемой величины для газа от минимального значения до максимального/сигнал тревоги или показание при изменении измеряемой величины для газа от максимального значения до минимального/ошибка. Последние разработки третьего поколения используют двойные полосовые фильтры, у которых имеется две эталонные длины волны (по одной с обеих сторон образца) и которые полностью компенсируют помехи, вносимые туманом и дождем. Другие проблемы, имевшие место в более ранних разработках, были устранены благодаря использованию коаксиальных оптических моделей (предотвращение ложных сигналов тревоги, вызванных частичным затемнением пучка лучей) и ксеноновых импульсных ламп, а также полупроводниковых детекторов, благодаря чему приборы стали нечувствительными к помехам, вносимым солнечным светом или другими источниками излучения, такими как факельные стойки, электродуговая сварка или дуговое освещение.
Детекторы с открытым оптическим трактом фактически измеряют общее число молекул газа (то есть количество газа) в пучке. Это значение отличается от обычной концентрации газа в отдельной точке и поэтому указывается в пересчете на нижний предел взрываемости.
(Верхняя часть)
Электрохимический датчик
Специальные газовые электрохимические датчики могут быть использованы для обнаружения большей части обычных токсичных газов, включая CO, H2S, Cl2, SO2 и т.д., в различных ситуациях.
Электрохимические датчики компактны, требуют очень мало питания, проявляют прекрасные свойства линейности и воспроизводимости и обычно имеют долгий срок службы, от одного года до трех лет. Время отклика, обозначаемое как T90, то есть, время требуемое для достижения 90% окончательного отклика, составляет обычно 30-60 секунд, а диапазон минимальных пределов обнаружения равен 0,02 - 50 частей на миллион в зависимости от типа определяемого газа.
Существуют многочисленные коммерческие разработки электрохимической ячейки, большинству из них свойственны следующие основные функции:
Три газодиффузионных электрода с активным слоем погружены в обычный электролит, часто представляющий собой концентрированный водный раствор кислоты или раствор соли, для эффективной электропроводности ионов между рабочим электродом и противоэлектродом.
В зависимости от конкретной ячейки происходит или окисление газа, подлежащего обнаружению, или его уменьшение у поверхности рабочего электрода. Эта реакция меняет потенциал рабочего электрода по сравнению с контрольным электродом. Основной функцией присоединенного к ячейке электронного задающего контура является минимизация этой разницы потенциала за счет прохождения тока между рабочим электродом и противоэлектродом. Измеренный ток пропорционален концентрации газа, подлежащего определению. Газ поступает в ячейку через внешний диффузный барьер, который проходим для газа, но непроницаем для жидкости.
Многие разработки располагают капиллярным диффузным барьером для ограничения количества газа, контактирующего с рабочим электродом, и, таким образом, поддерживающего "амперометрическое" действие ячейки.
Для верного функционирования всех электрохимических ячеек требуется минимальная концентрация кислорода, что делает их непригодными для определенных случаев мониторинга процесса. Хотя электролит содержит некоторое количество растворенного кислорода, позволяя кратковременное определение (минуты) газа в среде, несодержащей кислород, настоятельно рекомендуется, чтобы все потоки калибровочного газа содержали воздух в качестве главного компонента или разбавителя.
Специфичность определяемого газа повышается или путем оптимизации электрохимических свойств, то есть выбора катализатора и электролита, или за счет использования фильтров в ячейке, которая физически поглощает или химически реагирует с молекулами определенных посторонних газов, чтобы увеличить специфичность определяемого газа. Необходимо ознакомиться с соответствующим руководством по продукту, чтобы лучше разбираться в проявлениях возможных посторонних газов при срабатывании ячейки.
Необходимость введения водных электролитов в электрохимические ячейки приводит к образованию продукта, который чувствителен как к температуре, так и влажности окружающей среды. Чтобы устранить данный недостаток, в запатентованной разработке Surecell™ были предусмотрены два резервуара с электролитом, которые обеспечивают "компенсацию" и "потерю" электролита в условиях высокой температуры/высокой влажности и низкой температуры/низкой влажности.
Гарантия на электрохимический датчик обычно составляет 2 года, однако реальный срок службы часто превышает указанные значения. Исключения здесь составляют датчики кислорода, аммиака и синильной кислоты, в которых компоненты ячейки обязательно расходуются как часть механизма реакции восприятия.
(Верхняя часть)
Chemcassette®
Chemcassette® основано на использовании поглощающей полоски фильтровальной бумаги в качестве субстрата для реакции сухим путем, которая выступает как газоприемная, так и газоанализирующая среда и может использоваться при непрерывном режиме работы. Система основана на классическом методе колориметрического анализа и располагает чрезвычайно низкими пределами чувствительности для конкретного газа. Она может успешно использоваться для широкого спектра высокотоксичных веществ, включая диизоцианаты, фосген, хлор, фтор и целый ряд гидридных газов, применяемых при производстве полупроводников.
Специфика и чувствительность обнаружения достигаются посредством использования химических реагентов со специальной формулой, которые реагируют только с газом или газами образца. Молекулы газа образца прогоняются через Chemcassette® с помощью вакуумного насоса и вступают в реакцию с порошкообразными реагентами и принимают окраску, характерную только для определенного газа. Интенсивность этой окраски пропорциональна концентрации участвующего в реакции газа, то есть чем выше концентрация газа, тем темнее окраска. Тщательно отрегулировав интервал измерения и скорость потока, с которой образец вводится в Chemcassette®, можно легко достичь столь низкого предела обнаружения как "часть на миллиард" (то есть, 10 -9).
Интенсивность окраски измеряется с помощью электрооптической системы, которая отражает свет от поверхности субстрата на фотоячейку, расположенную под углом к источнику света. Затем при появлении окраски этот отраженный свет ослабевает, и снижение интенсивности определяется фотодетектором в форме аналогового сигнала. Этот сигнал, в свою очередь, преобразуется в цифровой формат и затем представляется в виде концентрации газа на основе созданной внутренней градуировочной кривой и соответствующей библиотеки программ. Рецептуры Chemcassette® представляют собой уникальную среду, которой не только свойственны быстрота, чувствительность и специфичность, но которая также является единственной доступной системой, предоставляющей вещественное доказательство (то есть окрашенный участок ленты кассеты) об утечке или выбросе газа.
(Верхняя часть)
Сравнение способов обнаружения газов
(Верхняя часть)