الكشف عن الغازات

الكشف عن الغازات

يمكن العثور على أجهزة الكشف عن الغازات في جميع مناحي الحياة، من مصانع تجهيز الأغذية إلى مرائب انتظار السيارات، ومن الطائرات إلى الكازينوهات. أي مكان يمكن أن يكون به نقص محتمل في الأكسجين أو وجود غاز سام يحتاج إلى وجود كاشف غازات لمراقبة سلامة الأشخاص. بعض الاستخدامات الشائعة أثناء المشاريع الميدانية هي: دخول الأماكن المحصورة، وحفر الآبار، وفحص التربة، ومراقبة المنطقة، وسلامة العمال، وجودة الهواء الداخلي، واكتشاف التسرب.

وبالطبع كانت موجودة منذ فترة طويلة جداً، بدءاً من الكناري الذي كان للأسف خدعةً وحيدةً تميل إلى الموت بسرعة عندما تتعرض للميثان، دون أي قدرات إنذار سمعية وبصرية سوى زقزقة خفيفة وانعدام تام للحركة. لحسن الحظ، تطورت التكنولوجيا بشكل كبير ووجدنا أنفسنا في هذه المرحلة الزمنية مع بعض المعدات الإلكترونية المتطورة للغاية.

دعنا نغطي بعض الأساسيات:

• جزء واحد في المليون هو جزء واحد في 1,000,000 جزء. وبوجه عام، جزء في المليون (جزء في المليون) هو أقل وحدة قياس 10000 جزء في المليون = 11 تيرابايت في المليون من حيث الحجم
• LEL (الحد الأدنى للانفجار) هو وحدة القياس التالية وهو نسبة مئوية من مستوى % (حجم) المادة المتفجرة للمركب
• 100% LEL هو أدنى تركيز يمكن أن ينتج عنه حريق أو انفجار عند اشتعاله
• UEL (الحد الأعلى للانفجار) هو الحد الأقصى لتركيز الغاز في الهواء الذي سيحترق
• كل مركب (غاز) له مستوى LEL مختلف، أو النقطة التي سيحترق عندها المركب أو يصبح متفجرًا
• تصبح معظم المركبات القابلة للاشتعال قابلة للانفجار عند حجم أقل من 5%
• كل غاز له مستوى انبعاثات منخفضة للضغط ومستوى انبعاثات منخفضة للغاية مختلفان
• النسبة المئوية للغاز هي أعلى وحدة قياس، وهي كمية الغاز النقي

كيف تعمل مستشعرات الكشف عن الغازات؟

مما لا شك فيه أن التكنولوجيا الحديثة ستجعل الشرح أدناه قديمًا بلا شك مع تقدم التكنولوجيا الحديثة إلى الأمام، لذا إليك الأساسيات التالية سريعًا.

حساس الأكسجين هو حساس كهروميكانيكي. يمكن الكشف عن أي غاز يمكن أكسدته أو اختزاله كهروميكانيكياً عن طريق حساس كهروكيميائي قائم على الوقود. ينتج استهلاك الأكسجين تياراً يتناسب خطياً مع تركيز الغاز في الهواء.

نظرًا لأن مستشعر الأكسجين يتعرض للأكسجين باستمرار، فإن العمر الافتراضي الطبيعي للمستشعر يتراوح بين عام وعامين.

يتكون جهاز الاستشعار القابل للاحتراق من ملفين من الأسلاك البلاتينية الدقيقة كل منهما مدمج في حبة من الألومينا، متصلان كهربائياً في دائرة جسرية. إحدى الخرزتين مشربة بمحفز خاص يعزز الأكسدة والأخرى معالجة لتثبيط الأكسدة. يتم تمرير التيار من خلال الملفين بحيث يصلان إلى درجة حرارة تحدث عندها أكسدة الغاز بسهولة في الحبة المحفزة (حوالي 500 درجة مئوية).

يؤدي ذلك إلى رفع درجة الحرارة بشكل أكبر مما يزيد من مقاومة الملف البلاتيني في الحبة المحفزة، مما يؤدي إلى اختلال توازن الجسر. يكون هذا التغير في الخرج خطيًا، بالنسبة لمعظم الغازات، حتى 100% LEL وما بعدها، وزمن الاستجابة هو بضع ثوانٍ فقط لاكتشاف مستويات الإنذار (عادةً 20% LEL).

الحساسات السامة هي أيضًا كهروميكانيكية وتعمل بنفس المبادئ الأساسية التي يعمل بها حساس الأكسجين. وتستهلك أجهزة الاستشعار الكهروميكانيكية كميات ضئيلة من الغاز، ويتم التحكم في امتصاص الغاز والإخراج الكهربائي بواسطة "حاجز الانتشار".

الأماكن المحصورة والكشف عن الغازات

المساحة الضيقة هي أي مساحة محصورة هي أي مساحة كبيرة بما يكفي لدخول شخص ما وأداء العمل المخصص له والتي لها وسائل محدودة للدخول أو الخروج، وغير مصممة لشغل العمال المستمر. ويشمل ذلك كل الصناعات تقريبًا، بما في ذلك المرافق والبناء والتنقيب عن الهيدروكربونات ومعالجتها والبتروكيماويات والبتروكيماويات والبحرية والزراعة وتجهيز الأغذية والتخمير، بالإضافة إلى خدمات الطوارئ.

يجب على أصحاب العمل تقييم المخاطر التي تشكلها أماكن العمل هذه على أصحاب العمل والسعي لمنعها. وفي معظم الحالات، سيتطلب كل من التقييم ونظام العمل الآمن اختبار الغلاف الجوي باستخدام معدات اختبار الغازات.

يمكن تقسيم مخاطر الغازات في الأماكن المحصورة إلى ثلاث فئات عريضة: الغازات القابلة للاحتراق، والغازات السامة، واستنفاد الأكسجين أو التخصيب.

مخاطر الغازات القابلة للاحتراق

لكي يحدث الاحتراق يجب أن يحتوي الهواء على حد أدنى من تركيز الغاز أو البخار القابل للاحتراق. تسمى هذه الكمية LEL. وللمركبات المختلفة مستويات مختلفة من مستوى انبعاثات منخفضة منخفضة التأثير، لذا من الضروري أن تكون أجهزة الكشف قادرة على الكشف عند المستويات الصحيحة.

وعادةً ما تمثل أوعية التخزين التي تحتوي على وقود وزيوت هيدروكربونية خطرًا. تأتي الأخطار الأخرى من تسربات الوقود: حاويات الوقود المنفجرة؛ وخطوط الأنابيب داخل وخارج الموقع، واسطوانات الغاز والمحطات التي تعمل بالمحركات. بالنسبة للعمال في الحفر، والمجاري وغيرها من المواقع تحت السطح، فإن الميثان المتكون من المواد العضوية المتحللة يشكل خطرًا شبه عام.

الغازات والأبخرة السامة

قد يتعرض العمال في الأماكن المحصورة للعديد من المركبات السامة، اعتمادًا على طبيعة العمل. يجب إجراء تقييم للمخاطر للمواد السامة التي قد يتعرض لها العامل في أي حالة عمل معينة.

عند النظر إلى الغازات السامة المتعلقة بتطبيقات محددة، تستخدم صناعة المياه على سبيل المثال العديد من المركبات السامة لتنظيف ومعالجة كل من النفايات والمياه النظيفة. ومن ثم تشكل الأخطار مثل الكلور والأوزون وثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكلور مخاطر إضافية في كل من مناطق التخزين والمعالجة.

الأكسجين - مرتفع جدًا أم منخفض جدًا؟

يبلغ التركيز الطبيعي للأكسجين في الهواء النقي 20.91 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت. ويكون الغلاف الجوي خطراً إذا انخفض التركيز عن 19.51 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت أو زاد عن 23.51 تيرابايت 3 تيرابايت.

وبدون تهوية كافية، فإن عملية التنفس البسيطة ستؤدي إلى انخفاض مستويات الأكسجين بسرعة مذهلة. كما أن الاحتراق يستهلك الأكسجين أيضاً، لذا فإن المحركات التي تعمل بالمحركات وألسنة اللهب العارية مثل مشاعل اللحام تشكل مخاطر محتملة. يمكن أيضًا إزاحة الأكسجين. فالنيتروجين، على سبيل المثال، عند استخدامه لتطهير أوعية تخزين الهيدروكربونات قبل إعادة استخدامها، يدفع الأكسجين خارج الحاوية ويتركها خطرة للغاية حتى يتم تهويتها بالكامل.

مستويات الأكسجين العالية خطيرة أيضًا. كما هو الحال مع القليل جدًا، فإن الإفراط في تناول كمية كبيرة من الأكسجين يضعف قدرة الضحية على التفكير بوضوح والتصرف بحكمة. علاوة على ذلك، تمثل الأجواء المخصبة بالأكسجين خطراً كبيراً من الحرائق.

أنواع كاشفات الغازات

يمكن استخدام كل من أجهزة الكشف عن الغازات المحمولة والثابتة لرصد الأماكن المحصورة. تتكون الأنظمة الثابتة عادةً من "رأس" كاشف واحد أو أكثر متصل بلوحة تحكم منفصلة. إذا قرأ أحد الكواشف مستوى غاز خطير، تطلق اللوحة الإنذار عن طريق تشغيل صفارات الإنذار الخارجية والمنارات. ويناسب هذا النوع من التركيب المساحات الكبيرة مثل غرف المصانع، التي تحتوي على مساحة كافية للأجهزة أو المحطات البعيدة التي عادة ما تكون غير مأهولة.

ومع ذلك، فإن الكثير من الأعمال في الأماكن الضيقة تتم في مناطق أكثر ضيقًا، مما يجعل الوحدات المحمولة المدمجة أكثر ملاءمة. سهولة الاستخدام، مع تشغيلها بزر واحد، يعني الحد الأدنى من التدريب المطلوب مع ضمان زيادة السلامة. من خلال الجمع بين جهاز استشعار واحد أو أكثر مع إشارات صوتية ومرئية قوية للتحذير عند الوصول إلى مستويات الغاز المحددة مسبقًا، يمكن حمل أجهزة الكشف المحمولة أو ارتداؤها أينما كانت هناك حاجة إليها. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن حمل الأداة المدمجة بسهولة في الأماكن الضيقة، مما يضمن عدم تفويت جيوب التركيز العالي للغاز.

يجب توقع وجود ميزات معينة في كل كاشف غاز محمول. من الواضح أن الأدوات المنقذة للحياة في البيئات الصعبة يجب أن تكون قوية قدر الإمكان، مع وجود إلكترونيات موثوقة في أغلفة مقاومة للصدمات. في حين أن الحاجة إلى ترك مستشعرات الغاز مكشوفة للغلاف الجوي يعني أنه لا يمكن أن تكون أي أداة محكمة الغلق تمامًا، إلا أن درجة عالية من الحماية ضد الغبار ودخول الماء أمر ضروري. وعلى الرغم من المتانة، فإن الكاشف المصمم جيدًا سيكون خفيفًا ومضغوطًا بما يكفي لارتدائه طوال نوبة العمل.

وأخيراً، وبسبب صعوبات العمل في مكان ضيق، وربما في ظل إضاءة ضعيفة، ينبغي أن تكون الأدوات سهلة الاستخدام. وبغض النظر عن مدى تقدم البنية الداخلية للكاشف أو خيارات إدارة البيانات الخاصة به، يجب ألا يواجه العاملون في الميدان أي شيء أكثر صعوبة من شاشة عرض واضحة وتشغيل بسيط بزر واحد وإنذارات عالية/مشرقة.

أجهزة استشعار الغازات القابلة للاحتراق

كما هو مفصل أدناه، تأتي مستشعرات الغازات القابلة للاحتراق في شكل حفاز وأشباه موصلات الأكسيد المعدني والأشعة تحت الحمراء.

حساسات الغازات الحفازة القابلة للاحتراق

بالبحث عن الأجواء القابلة للانفجار، تكتشف مستشعرات الغازات الحفازة القابلة للاحتراق الغازات القابلة للاحتراق عن طريق التسبب في احتراق الغازات داخل غرفة المستشعر.

لا توفر الحساسات الحفازة خطية جيدة فحسب، بل يمكنها أيضًا التفاعل مع معظم الغازات القابلة للاحتراق. وبما أن تغير المقاومة إلى %LEL صغير نسبيًا، فإنها تعمل بشكل أفضل في التركيزات التي تتراوح بين 1000 و50.000 جزء في المليون.

أما بالنسبة إلى عيوبها:

• فهي لا تقيس الكميات الضئيلة (أقل من 200 جزء في المليون) من الغاز، وبالتالي لا ينبغي استخدامها لتحديد المستويات السامة
• لكي تعمل بدقة فإنها تتطلب 14% الحد الأدنى من الأكسجين في الهواء
• لا يوصى باستخدامه في أجواء الأسيتيلين
• يمكن أن يتلف المستشعر بسبب الرصاص أو السيليكون أو السموم الحفازة الأخرى
• يمكن أن تتأثر القراءات بتكثيف بخار الماء والرطوبة
• استجابة ضعيفة للهيدروكربونات منخفضة الطاقة، مثل أبخرة النفط والكيروسين ووقود الديزل ووقود الطائرات التجارية
• في كثير من الأحيان يفقدون الخطية بعد مرور عام واحد تقريبًا

مستشعر الغازات القابلة للاحتراق بأشباه الموصلات الأكسيدية الفلزية (MOS)

تُعرف أيضًا باسم حساسات الحالة الصلبة، وهي حساسات الغازات القابلة للاحتراق من أشباه الموصلات ذات الأكسيد المعدني (MOS) موجودة منذ سنوات. مع عمر تشغيلي طويل يتراوح من ثلاث إلى خمس سنوات وهو حساس مرن للغاية ويتعافى بشكل جيد من تركيزات الغاز العالية التي يمكن أن تتلف أنواع أخرى من الحساسات.

وكما هو الحال مع الحساسات الحفازة، يمكن أن تتأثر قراءات حساسات MOS أيضًا بالرطوبة وتكثيف بخار الماء. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أنها لا تحتاج إلى الكثير من الأكسجين مثل نظيرتها الحفازة، إلا أنها تحتاج أيضًا إلى الأكسجين للعمل بدقة.

بالإضافة إلى العيوب المذكورة أعلاه، تشمل العيوب الأخرى الخاصة بمستشعر MOS ما يلي:

• تتطلب عناصر التسخين في بعض مستشعرات MOS قدرًا كبيرًا من الطاقة، مما يعني الحاجة إلى حزم بطاريات أكبر
• على الرغم من استجابتها للعديد من المركبات العضوية المتطايرة ومركبات الكربون الهيدروفلورية والمذيبات، فإن مستشعرات MOS ليست خاصة بأي مركب واحد

مستشعرات الاحتراق بالأشعة تحت الحمراء

ظهرت هذه المجسات مؤخرًا نسبيًا في بعض الأجهزة. وهي تعمل بشكل جيد في مستويات الأكسجين المنخفضة أو في أجواء الأسيتيلين؛ ومع ذلك، فهي مكلفة للغاية. تعمل هذه المستشعرات من خلال عكس الضوء عن مرآة وقياس كمية الضوء الممتصة أثناء الانكسار. وتتطلب أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء عادةً تدفقاً ثابتاً عبر مجموعة الاستشعار وقد تكون بطيئة في التخلص من الإنذار. وهي غير قادرة على اكتشاف الهيدروجين. لن يكون حساس الأشعة تحت الحمراء المعاير لهيدروكربون بسيط مثل الميثان أو الإيثان دقيقاً بالنسبة لبخار الهيدروكربونات ذات الوزن الجزيئي الأعلى أو المذيبات أو الوقود.

المستشعرات السامة

أجهزة الاستشعار الكهروكيميائية (الكيميائية الرطبة) السامة

تتفاعل هذه الحساسات مع مادة كيميائية محددة (مادة). تتوفر حساسات محددة كيميائيًا لما يصل إلى 30 غازًا مختلفًا بما في ذلك الكلور والأمونيا وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد النيتروجين وأكسيد النيتريك وسيانيد الهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكبريت. ستشير المعلومات الفنية للمصنعين إلى أجهزة الاستشعار المتوفرة لوحداتهم.

تتمتع هذه المستشعرات بخطية جيدة، مما يجعلها دقيقة للغاية بالنسبة للمادة التي ستتفاعل معها. ويمكنها قياس الكميات الكبيرة أو الصغيرة، ويبلغ العمر الافتراضي النموذجي لهذه الحساسات حوالي سنة واحدة بالنسبة للعديد من الغازات السامة وما يصل إلى سنتين بالنسبة لكبريتيد الهيدروجين وأول أكسيد الكربون.

كما هو الحال مع جميع أجهزة الاستشعار، فإن أجهزة الاستشعار الكيميائية الرطبة لا تخلو من القيود. يمكن للسائل الإلكتروليتي أن يتجمد عند تركه في بيئات تقل درجة حرارتها عن 0 درجة مئوية. وقد تتأثر بعض أجهزة الاستشعار الكيميائية سلباً بالارتفاع لأنها قد تكون حساسة للضغط.

مستشعرات الغازات السامة واسعة النطاق من أشباه الموصلات الفلزية (MOS)

هناك عدد من أجهزة استشعار MOS المختلفة في السوق وقد تم تطوير أحدها للكشف عن الغازات السامة. ويتشابه تركيبها وتشغيلها مع تلك المستخدمة للكشف عن الغازات القابلة للاحتراق. ومع ذلك، فإن حساس MOS واسع النطاق للغازات السامة قادر على التفاعل مع مستويات منخفضة من جزء في المليون من مجموعة واسعة من الغازات السامة بما في ذلك أول أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين والأمونيا والستايرين والتولوين والبنزين والعديد من الهيدروكربونات والمذيبات الأخرى. لا يمكن لمستشعرات MOS اكتشاف ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكبريت. لا يستطيع المستشعر أن يخبرك ما هو الغاز الذي واجهته أو تركيزه، فقط أن الجو قد يكون خطراً على صحتك.

كاشفات التأين الضوئي (PIDs)

يستخدم المتخصصون في مجال الصحة والسلامة وغيرهم تكنولوجيا مجسات التأين الضوئي لتقييم المخاطر الجوية في مكان العمل منذ ستينيات القرن الماضي. ويتراوح العمر المتوقع لهذه المجسات من سنة إلى ثلاث سنوات. وعادةً ما تكون مكلفة للغاية لاستخدامها في أداة متعددة أجهزة الاستشعار.

الخاتمة

بالنسبة لأولئك الذين يعملون في أجواء يمكن أن تكون خطرة على صحتهم، فإن اختيار كاشف الغاز المناسب قد يكون أهم قرار تتخذه على الإطلاق. قد تتوقف حياتك على هذا القرار، لذا من المهم جدًا أن يكون المستخدم/المشتري على دراية بالمخاطر التي يمكن أن تواجهه وأجهزة الاستشعار المناسبة لحمايته. تشير البيانات التي تم جمعها في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات إلى أن 65% من الذين لقوا حتفهم في الأماكن الضيقة لم يكونوا على علم بأن المكان الذي يدخلونه كان يشكل خطرًا محتملاً. وقد حدثت أكثر من 50% من وفيات الأماكن الضيقة لرجال الإنقاذ، وحدث أكثر من ثلث الوفيات بعد اختبار المكان وإعلانه آمنًا وإزالة كاشف الغازات.

يجب أن يعتمد اختيار كاشف الغاز على الخطر الذي يواجهه. لسوء الحظ، يقوم عدد كبير جدًا من المشترين بواحدة من أكبر وأهم نفقات المعدات الفردية دون فهم حقيقي لما يشترونه. إن أجهزة الاستشعار وقدراتها هي العامل الوحيد الأكثر أهمية عند اختيار كاشف الغاز، ومع ذلك في كثير من الأحيان تستند القرارات على الحجم والسعر والميزات التي لا علاقة لها بقدرات الجهاز على الكشف.

تأتي أجهزة الكشف عن الغازات في مجموعة متنوعة من الأحجام والأشكال والألوان وتكوينات أجهزة الاستشعار. بالنسبة للعمل في الأماكن المحصورة، من الضروري مراقبة نقص/إثراء الأكسجين والغازات القابلة للاحتراق والمواد السامة. من الضروري وجود أداة قادرة على التعامل مع هذه المخاطر الثلاثة.