Nachweis von Gas

Nachweis von Gas

Gaswarngeräte sind in allen Bereichen des Lebens zu finden, von Lebensmittelbetrieben bis zu Parkhäusern, von Flugzeugen bis zu Kasinos. Überall dort, wo Sauerstoffmangel oder das Vorhandensein von giftigen Gasen auftreten kann, ist ein Gaswarngerät erforderlich, um die Sicherheit der Menschen zu überwachen. Einige häufige Verwendungszwecke bei Projekten vor Ort sind: Zugang zu engen Räumen, Brunnenbohrungen, Bodenscreening, Bereichsüberwachung, Arbeitssicherheit, Luftqualität in Innenräumen und Lecksuche.

Natürlich gibt es sie schon sehr lange, angefangen mit dem Kanarienvogel, der leider ein einmaliger Trick war, der, wenn er Methan ausgesetzt war, dazu neigte, ziemlich schnell zu sterben, und der außer einem leisen Zirpen und dem völligen Fehlen von Bewegung keine audiovisuellen Alarmfunktionen hatte. Glücklicherweise hat sich die Technologie erheblich weiterentwickelt, und wir verfügen heute über eine sehr hoch entwickelte elektronische Ausrüstung.

Lassen Sie uns einige Grundlagen besprechen:

• Ein ppm ist ein Teil in 1.000.000 Teilen. Im Allgemeinen ist ppm (parts per million) die kleinste Maßeinheit 10.000 ppm = 1% nach Volumen
• UEG (Untere Explosionsgrenze) ist die nächste Maßeinheit und ist ein Prozentsatz des explosiven %(vol)-Gehalts einer Verbindung
• 100% UEG ist die niedrigste Konzentration, bei der ein brennbarer Stoff bei Entzündung einen Brand oder eine Explosion verursachen kann.
• UEL (Upper Explosive Limit) ist die maximale Konzentration eines Gases in der Luft, das brennen kann.
• Jede Verbindung (Gas) hat eine andere UEG, d. h. den Punkt, an dem die Verbindung brennt oder explosiv wird.
• Die meisten entflammbaren Verbindungen werden bei weniger als 5% Volumen explosiv
• Jedes Gas hat eine andere UEL und LEL
• Der Prozentsatz des Gases ist die höchste Maßeinheit, die die Menge des reinen Gases angibt.

Wie funktionieren die Gasdetektionssensoren?

Die moderne Technologie wird die nachstehende Erklärung zweifelsohne veralten lassen, wenn sie sich weiterentwickelt, daher werden im Folgenden kurz die Grundlagen erläutert.

Der Sauerstoffsensor ist ein elektromechanischer Sensor. Jedes Gas, das elektromechanisch oxidiert oder reduziert werden kann, kann mit einem elektrochemischen Sensor auf Brennstoffbasis erfasst werden. Der Verbrauch von Sauerstoff erzeugt einen Strom, der linear proportional zur Konzentration des Gases in der Luft ist.

Da der Sauerstoffsensor ständig Sauerstoff ausgesetzt ist, beträgt die normale Lebensdauer des Sensors ein bis zwei Jahre.

Der Sensor für brennbare Stoffe besteht aus zwei Spulen aus feinem Platindraht, die jeweils in eine Aluminiumoxidperle eingebettet und elektrisch in einer Brückenschaltung verbunden sind. Eines der Kügelchen ist mit einem speziellen Katalysator imprägniert, der die Oxidation fördert, das andere ist so behandelt, dass es die Oxidation hemmt. Der Strom wird durch die Spulen geleitet, so dass sie eine Temperatur erreichen, bei der die Oxidation eines Gases an der katalysierten Perle leicht eintritt (etwa 500 °C).

Dadurch steigt die Temperatur weiter an, was den Widerstand der Platinspule in der Katalysatorperle erhöht und zu einem Ungleichgewicht in der Brücke führt. Diese Ausgangsänderung ist bei den meisten Gasen bis zu 100% UEG und darüber hinaus linear, und die Ansprechzeit beträgt nur wenige Sekunden, um Alarmwerte zu erkennen (typischerweise 20% UEG).

Die Giftstoffsensoren sind ebenfalls elektromechanisch und funktionieren nach den gleichen Grundsätzen wie der Sauerstoffsensor. Elektromechanische Sensoren verbrauchen winzige Mengen an Gas, wobei die Absorption des Gases und die elektrische Ausgabe durch eine "Diffusionsbarriere" gesteuert werden.

Beengte Räume und Gasdetektion

Ein beengter Raum ist ein Raum, der groß genug ist, um von einer Person betreten zu werden und zugewiesene Arbeiten auszuführen, der über begrenzte Ein- und Ausstiegsmöglichkeiten verfügt und der nicht für eine ständige Belegung durch Arbeiter ausgelegt ist. Dies gilt für nahezu alle Branchen, einschließlich Versorgungsunternehmen, Baugewerbe, Kohlenwasserstoffexploration und -verarbeitung, Petrochemie, Schifffahrt, Landwirtschaft, Lebensmittelverarbeitung und Brauereiwesen sowie Notdienste.

Die Arbeitgeber müssen die Risiken, die diese Arbeitsplätze für ihre Mitarbeiter darstellen, bewerten und sich bemühen, sie zu vermeiden. In den meisten Fällen werden sowohl die Bewertung als auch das sichere Arbeitssystem eine Prüfung der Atmosphäre mit einem Gasprüfgerät erfordern.

Die Risiken durch Gase in geschlossenen Räumen lassen sich in drei große Kategorien einteilen: brennbare Gase, toxische Gase und Sauerstoffverarmung oder -anreicherung.

Risiken durch brennbare Gase

Damit eine Verbrennung stattfinden kann, muss die Luft eine Mindestkonzentration an brennbaren Gasen oder Dämpfen enthalten. Diese Menge wird als UEG bezeichnet. Verschiedene Verbindungen haben unterschiedliche UEG-Werte, daher ist es wichtig, dass die Detektoren in der Lage sind, die richtigen Werte zu erkennen.

Typischerweise stellen Lagerbehälter, die Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe und Öle enthalten haben, eine Gefahr dar. Andere Gefahren gehen von auslaufenden Kraftstoffen aus: geborstene Kraftstoffbehälter, Rohrleitungen innerhalb und außerhalb des Geländes, Gasflaschen und motorbetriebene Anlagen. Für Arbeiter in Gruben, Abwasserkanälen und anderen unterirdischen Anlagen ist Methan, das durch den Zerfall organischer Stoffe entsteht, eine fast universelle Gefahr.

Giftige Gase und Dämpfe

Arbeiter in geschlossenen Räumen können je nach Art der Arbeit vielen toxischen Verbindungen ausgesetzt sein. Es sollte eine Risikobewertung durchgeführt werden, um festzustellen, welchen toxischen Substanzen ein Arbeitnehmer in einer bestimmten Arbeitssituation ausgesetzt sein kann.

Die Wasserindustrie beispielsweise verwendet viele toxische Verbindungen für die Reinigung und Aufbereitung von Abwasser und sauberem Wasser. Gefahren wie Chlor, Ozon, Schwefeldioxid und Chlordioxid stellen dann sowohl in den Lager- als auch in den Behandlungsbereichen zusätzliche Risiken dar.

Sauerstoff - zu hoch oder zu niedrig?

Die normale Sauerstoffkonzentration in frischer Luft beträgt 20,9%. Eine Atmosphäre ist gefährlich, wenn die Konzentration unter 19,5% fällt oder über 23,5% steigt.

Ohne ausreichende Belüftung sinkt der Sauerstoffgehalt beim einfachen Atmen überraschend schnell. Auch die Verbrennung verbraucht Sauerstoff, so dass motorgetriebene Anlagen und offene Flammen wie Schweißbrenner eine potenzielle Gefahr darstellen. Sauerstoff kann auch verdrängt werden. Stickstoff zum Beispiel, der zum Spülen von Kohlenwasserstoff-Lagerbehältern vor der Wiederverwendung verwendet wird, verdrängt den Sauerstoff aus dem Behälter und macht ihn hochgefährlich, bis er gründlich gelüftet wird.

Ein hoher Sauerstoffgehalt ist ebenfalls gefährlich. Wie zu wenig, so beeinträchtigt auch zu viel die Fähigkeit des Opfers, klar zu denken und vernünftig zu handeln. Außerdem stellt eine mit Sauerstoff angereicherte Atmosphäre eine erhebliche Brandgefahr dar.

Gasdetektor-Typen

Für die Überwachung enger Räume können sowohl tragbare als auch fest installierte Gasdetektoren verwendet werden. Fest installierte Systeme bestehen in der Regel aus einem oder mehreren Detektor-"Köpfen", die an eine separate Schalttafel angeschlossen sind. Wenn ein Detektor ein gefährliches Gasniveau anzeigt, löst die Zentrale Alarm aus, indem sie externe Sirenen und Leuchtfeuer auslöst. Diese Art der Installation eignet sich für größere Räume wie Fabrikhallen, in denen genügend Platz für die Hardware vorhanden ist, oder für Außenstationen, die in der Regel unbemannt sind.

Viele Arbeiten auf engem Raum finden jedoch in engeren Bereichen statt, so dass kompakte, tragbare Einheiten besser geeignet sind. Die einfache Bedienung mit nur einem Knopfdruck bedeutet, dass nur eine minimale Schulung erforderlich ist, während gleichzeitig eine erhöhte Sicherheit gewährleistet ist. Durch die Kombination von einem oder mehreren Sensoren mit leistungsstarken akustischen und visuellen Signalen zur Warnung bei Erreichen der voreingestellten Gaskonzentration können die tragbaren Detektoren überall mitgeführt oder getragen werden. Außerdem lässt sich ein kompaktes Gerät leicht in einem engen Raum transportieren, so dass keine Bereiche mit hoher Gaskonzentration übersehen werden.

Von jedem tragbaren Gaswarngerät sollten bestimmte Eigenschaften erwartet werden. Es liegt auf der Hand, dass lebensrettende Geräte für anspruchsvolle Umgebungen so robust wie möglich sein müssen, mit zuverlässiger Elektronik in stoßfesten Gehäusen. Die Notwendigkeit, die Gassensoren der Atmosphäre auszusetzen, bedeutet zwar, dass kein Gerät vollständig abgedichtet werden kann, aber ein hohes Maß an Schutz gegen das Eindringen von Staub und Wasser ist unerlässlich. Ungeachtet der Robustheit ist ein gut konzipierter Detektor auch leicht und kompakt genug, um eine ganze Schicht lang getragen werden zu können.

Und schließlich sollten die Geräte aufgrund der Schwierigkeiten bei der Arbeit in einem beengten Raum, vielleicht sogar bei schlechter Beleuchtung, einfach zu bedienen sein. Unabhängig davon, wie fortschrittlich die interne Architektur oder die Datenverwaltungsoptionen eines Detektors sind, sollte das Personal vor Ort mit nichts anderem konfrontiert werden als einem klaren Display, einer einfachen Ein-Knopf-Bedienung und lauten/hellen Alarmen.

Sensoren für brennbare Gase

Wie im Folgenden beschrieben, gibt es Sensoren für brennbare Gase in Form von Katalysatoren, Metalloxid-Halbleitern und Infrarotsensoren.

Katalytische Sensoren für brennbare Gase

Auf der Suche nach explosiven Atmosphären erkennen katalytische Sensoren für brennbare Gase brennbare Gase, indem sie eine Verbrennung von Gasen in der Sensorkammer auslösen.

Katalytische Sensoren bieten nicht nur eine gute Linearität, sie können auch auf die meisten brennbaren Gase reagieren. Da die Widerstandsänderung gegenüber %LEL jedoch relativ gering ist, funktionieren sie bei Konzentrationen zwischen 1.000 und 50.000 ppm besser.

Was ihre Nachteile betrifft:

• Sie messen keine Spurenmengen (unter 200ppm) von Gasen und sollten daher nicht zur Bestimmung toxischer Werte verwendet werden.
• Um genau zu arbeiten, benötigen sie mindestens 14% Sauerstoff in der Luft
• Nicht empfohlen für die Verwendung in Acetylen-Atmosphären
• Der Sensor kann durch Blei, Silikon oder andere katalytische Gifte beschädigt werden
• Die Messwerte können durch Wasserdampfkondensation und Feuchtigkeit beeinflusst werden.
• Schlechte Reaktion auf Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Energiegehalt, z. B. Öldämpfe, Kerosin, Dieselkraftstoff und kommerzielle Flugzeugtreibstoffe
• Oftmals verlieren sie nach etwa einem Jahr ihre Linearität.

Metalloxid-Halbleiter (MOS) Sensor für brennbare Gase

Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Sensoren für brennbare Gase, auch bekannt als Festkörpersensoren, gibt es schon seit Jahren. Mit einer langen Betriebsdauer von drei bis fünf Jahren ist dies ein sehr widerstandsfähiger Sensor, der sich gut von hohen Gaskonzentrationen erholt, die andere Sensortypen beschädigen könnten.

Wie bei katalytischen Sensoren können auch die Messwerte von MOS-Sensoren durch Feuchtigkeit und Wasserdampfkondensation beeinflusst werden. Darüber hinaus benötigen sie zwar nicht so viel Sauerstoff wie ihre katalytischen Gegenstücke, aber auch sie benötigen Sauerstoff, um genau zu funktionieren.

Zusätzlich zu den oben genannten Nachteilen gibt es weitere spezifische Nachteile von MOS-Sensoren:

• Die Heizelemente in einigen MOS-Sensoren benötigen viel Strom, so dass größere Akkus erforderlich sind.
• Obwohl MOS-Sensoren auf viele VOCs, HFKWs und Lösungsmittel reagieren, sind sie nicht spezifisch für eine einzelne Verbindung.

Infrarot-Brennstoffsensoren

Seit relativ kurzer Zeit werden diese Sensoren in einigen Instrumenten eingesetzt. Sie funktionieren gut bei niedrigem Sauerstoffgehalt oder in Acetylenatmosphären, sind jedoch recht teuer. Diese Sensoren arbeiten, indem sie Licht von einem Spiegel reflektieren und die Lichtmenge messen, die während der Brechung absorbiert wird. Infrarotsensoren erfordern in der Regel eine konstante Strömung über die Sensoreinheit und können nur langsam aus dem Alarmzustand herauskommen. Sie sind nicht in der Lage, Wasserstoff zu erkennen. Ein Infrarotsensor, der für einen einfachen Kohlenwasserstoff wie Methan oder Ethan kalibriert ist, ist für Dämpfe von Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht, Lösungsmitteln oder Kraftstoffen nicht genau.

Toxische Sensoren

Elektrochemische (nasschemische) Sensoren für Giftstoffe

Diese Sensoren reagieren auf eine bestimmte Chemikalie (Substanz). Chemiespezifische Sensoren sind für bis zu 30 verschiedene Gase erhältlich, darunter Chlor, Ammoniak, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, Stickstoffoxid, Cyanwasserstoff, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. In den technischen Informationen des Herstellers ist angegeben, welche Sensoren für sein Gerät verfügbar sind.

Diese Sensoren weisen eine gute Linearität auf, was sie für die Substanz, auf die sie reagieren, sehr genau macht. Sie können sowohl große als auch kleine Mengen messen und haben eine typische Lebensdauer von etwa einem Jahr für viele toxische Gase und bis zu zwei Jahren für Schwefelwasserstoff und Kohlenmonoxid.

Wie bei allen Sensoren gibt es auch bei nasschemischen Sensoren Einschränkungen. Die Elektrolytflüssigkeit kann einfrieren, wenn sie in Umgebungen mit Temperaturen unter 0 ºC verbleibt. Einige chemische Sensoren können durch die Höhe beeinträchtigt werden, da sie druckempfindlich sein können.

Metalloxid-Halbleiter (MOS) für toxische Gassensoren mit großer Reichweite

Auf dem Markt gibt es eine Reihe verschiedener MOS-Sensoren, von denen einer für den Nachweis toxischer Gase entwickelt wurde. Aufbau und Funktionsweise sind ähnlich wie bei der Detektion von brennbaren Gasen. Der MOS-Breitbereichssensor für toxische Gase ist jedoch in der Lage, auf niedrige PPM-Werte einer breiten Palette von toxischen Gasen zu reagieren, darunter Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Styrol, Toluol, Benzin und viele andere Kohlenwasserstoffe und Lösungsmittel. MOS-Sensoren können kein Kohlendioxid oder Schwefeldioxid erkennen. Der Sensor ist nicht in der Lage, Ihnen mitzuteilen, auf welches Gas Sie gestoßen sind oder wie hoch die Konzentration ist, sondern nur, dass die Atmosphäre gesundheitsgefährdend sein kann.

Photoionisationsdetektoren (PIDs)

Fachleute aus dem Bereich Gesundheit und Sicherheit und andere nutzen seit den 1960er Jahren die Technologie der Photoionisationssensoren zur Bewertung atmosphärischer Gefahren am Arbeitsplatz. Die Lebenserwartung dieser Sensoren liegt zwischen einem und drei Jahren. Sie sind in der Regel zu kostspielig für den Einsatz in einem Multisensorgerät.

Schlussfolgerung

Für diejenigen unter Ihnen, die in gesundheitsgefährdenden Umgebungen arbeiten, könnte die Wahl des richtigen Gaswarngeräts die wichtigste Entscheidung sein, die Sie jemals treffen. Ihr Leben könnte von dieser Entscheidung abhängen, daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass der Benutzer/Käufer sich über die möglichen Gefahren und die richtigen Sensoren zu ihrem Schutz informiert. Daten, die in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren erhoben wurden, zeigen, dass 65% der Personen, die in engen Räumen starben, nicht wussten, dass der Raum, den sie betraten, eine potenzielle Gefahr darstellte. Mehr als 50% der Todesfälle in engen Räumen ereigneten sich für die Retter, und mehr als ein Drittel der Todesfälle ereignete sich, nachdem der Raum getestet, für sicher erklärt und der Gasdetektor entfernt worden war.

Bei der Auswahl eines Gaswarngerätes sollte man sich an der jeweiligen Gefahr orientieren. Leider tätigen viel zu viele Käufer eine der größten und wichtigsten Einzelausgaben für Geräte, ohne wirklich zu wissen, was sie da kaufen. Sensoren und ihre Fähigkeiten sind der wichtigste Faktor bei der Auswahl eines Gaswarngeräts, doch häufig basieren die Entscheidungen auf Größe, Preis und Funktionen, die nichts mit den Detektionsfähigkeiten des Geräts zu tun haben.

Gasdetektoren gibt es in einer Vielzahl von Größen, Formen, Farben und Sensorkonfigurationen. Bei Arbeiten auf engem Raum muss auf Sauerstoffmangel/-anreicherung, brennbare Gase und Giftstoffe geachtet werden. Ein Gerät, das mit diesen drei Gefahren umgehen kann, ist unerlässlich.