Detectie van gas

Detectie van gas

Gasdetectoren zijn overal te vinden, van voedselverwerkende bedrijven tot parkeergarages, van vliegtuigen tot casino's. Op elke plaats met een potentieel zuurstofgebrek of de aanwezigheid van giftig gas is een gasdetector nodig om de veiligheid van mensen te bewaken. Enkele veel voorkomende toepassingen tijdens veldprojecten zijn: betreden van besloten ruimtes, boren in putten, bodemonderzoek, gebiedsbewaking, veiligheid van werknemers, luchtkwaliteit binnenshuis en lekdetectie.

Ze bestaan natuurlijk al heel lang, te beginnen met de kanarie, die helaas een eenmalig kunstje was dat bij blootstelling aan methaan nogal snel stierf, zonder andere audiovisuele alarmmogelijkheden dan een licht getjilp en een totaal gebrek aan beweging. Gelukkig is de technologie aanzienlijk verbeterd en beschikken we nu over zeer geavanceerde elektronische apparatuur.

Laten we wat basisprincipes bespreken:

• Eén ppm is één deel op 1.000.000 delen. In het algemeen is ppm (parts per million) de laagste meeteenheid 10.000 ppm = 1% per volume
• LEL (Lower Explosive Limit) is de volgende meeteenheid en is een percentage van het explosieve %(vol)-niveau van een verbinding.
• 100% LEL is de laagste concentratie waarbij een ontvlambare stof bij ontsteking een brand of explosie kan veroorzaken.
• UEL (Upper Explosive Limit) is de maximale concentratie van gas in lucht die zal branden
• Elke verbinding (gas) heeft een andere LEL, of het punt waarop de verbinding brandt of explosief wordt.
• De meeste brandbare verbindingen worden explosief bij minder dan 5% volume
• Elk gas heeft een verschillende LEL en UEL
• Het percentage gas is de hoogste meeteenheid, namelijk de hoeveelheid zuiver gas

Hoe werken gasdetectiesensoren?

De moderne technologie zal de onderstaande uitleg ongetwijfeld achterhaald maken naarmate zij voortschrijdt, dus hieronder snel de basis.

De zuurstofsensor is een elektromechanische sensor. Elk gas dat elektromechanisch kan worden geoxideerd of gereduceerd, kan worden gedetecteerd met behulp van een elektrochemische sensor op basis van brandstof. Het verbruik van zuurstof veroorzaakt een stroom die lineair evenredig is met de gasconcentratie in de lucht.

Aangezien de zuurstofsensor voortdurend aan zuurstof wordt blootgesteld, ligt de normale levensduur van de sensor tussen één en twee jaar.

De sensor voor brandbare stoffen bestaat uit twee spoelen van fijn platina, elk ingebed in een kraal van aluminiumoxide, elektrisch verbonden in een brugcircuit. Een van de parels is geïmpregneerd met een speciale katalysator die de oxidatie bevordert en de andere is behandeld om de oxidatie te remmen. Er wordt stroom door de spoelen gestuurd zodat zij een temperatuur bereiken waarbij oxidatie van een gas gemakkelijk optreedt bij de gekatalyseerde kraal (ongeveer 500°C).

Hierdoor stijgt de temperatuur verder, wat de weerstand van de platina spoel in de gekatalyseerde kraal verhoogt, wat leidt tot een onbalans van de brug. Deze outputverandering is lineair, voor de meeste gassen, tot en boven 100% LEL en de reactietijd is slechts enkele seconden voor het detecteren van alarmniveaus (typisch 20% LEL).

De toxische sensoren zijn ook elektromechanisch en werken volgens dezelfde basisprincipes als de zuurstofsensor. Elektromechanische sensoren verbruiken minieme hoeveelheden gas, waarbij de absorptie van gas en de elektrische output worden geregeld door een "diffusiebarrière".

Besloten ruimten en gasdetectie

Een besloten ruimte is een ruimte die groot genoeg is voor iemand om binnen te gaan en toegewezen werk te verrichten, met beperkte in- en uitgangen, en die niet is ontworpen om voortdurend door werknemers te worden gebruikt. Dit geldt voor vrijwel elke bedrijfstak, waaronder nutsbedrijven, de bouw, de exploratie en verwerking van koolwaterstoffen, de petrochemische industrie, de scheepvaart, de landbouw, de verwerking en het brouwen van levensmiddelen, alsmede de hulpdiensten.

De werkgevers moeten de risico's van deze werkplekken beoordelen en trachten deze te voorkomen. In de meeste gevallen zullen zowel de beoordeling als het veilige werksysteem het testen van de atmosfeer met gasproefapparatuur vereisen.

Gasrisico's in besloten ruimten kunnen in drie grote categorieën worden onderverdeeld: brandbaar gas, giftig gas en zuurstofgebrek of -verrijking.

Risico's van brandbare gassen

Voor verbranding moet de lucht een minimale concentratie brandbaar gas of damp bevatten. Deze hoeveelheid wordt de LEL genoemd. Verschillende verbindingen hebben verschillende LEL's en daarom is het van vitaal belang dat de detectoren de juiste niveaus kunnen detecteren.

Meestal vormen opslagvaten die koolwaterstofbrandstoffen en olie hebben bevat een gevaar. Andere gevaren zijn afkomstig van brandstoflekken: gebarsten brandstofcontainers, pijpleidingen op en buiten het terrein, gasflessen en door motoren aangedreven installaties. Voor werknemers in putten, riolen en andere ondergrondse locaties is methaan, gevormd door rottend organisch materiaal, een bijna universeel gevaar.

Giftige gassen en dampen

Werknemers in een besloten ruimte kunnen, afhankelijk van de aard van het werk, worden blootgesteld aan vele toxische stoffen. Er moet een risicobeoordeling worden gemaakt van de toxische stoffen waaraan een werknemer in een bepaalde werksituatie kan worden blootgesteld.

Wanneer we kijken naar toxische gassen in verband met specifieke toepassingen, gebruikt de waterindustrie bijvoorbeeld veel toxische verbindingen voor het reinigen en verwerken van zowel afval- als schoon water. Gevaren zoals chloor, ozon, zwaveldioxide en chloordioxide vormen dan extra risico's, zowel bij de opslag als bij de behandeling.

Zuurstof - te hoog of te laag?

De normale zuurstofconcentratie in verse lucht is 20,9%. Een atmosfeer is gevaarlijk als de concentratie onder 19,5% of boven 23,5% komt.

Zonder voldoende ventilatie daalt het zuurstofgehalte verrassend snel door het simpele ademen. Verbranding verbruikt ook zuurstof, dus door motoren aangedreven installaties en open vuur zoals lastoortsen zijn potentiële gevaren. Zuurstof kan ook worden verplaatst. Wanneer stikstof bijvoorbeeld wordt gebruikt om opslagvaten met koolwaterstoffen te zuiveren voordat ze opnieuw worden gebruikt, wordt de zuurstof uit het vat gedreven en blijft het zeer gevaarlijk totdat het grondig wordt geventileerd.

Een hoog zuurstofgehalte is ook gevaarlijk. Net als te weinig, zal te veel zuurstof het vermogen van het slachtoffer om helder te denken en verstandig te handelen aantasten. Bovendien vormen zuurstofrijke atmosferen een aanzienlijk brandgevaar.

Soorten gasdetectoren

Zowel draagbare als vaste gasdetectoren kunnen worden gebruikt voor de bewaking van besloten ruimten. Vaste systemen bestaan meestal uit een of meer detector "koppen" die verbonden zijn met een afzonderlijk bedieningspaneel. Als een detector een gevaarlijk gasniveau aangeeft, slaat het paneel alarm door externe sirenes en bakens te activeren. Dit soort installatie is geschikt voor grotere ruimten zoals fabrieksruimten, waar voldoende ruimte is voor de hardware, of externe stations die gewoonlijk onbemand zijn.

Veel werk in besloten ruimtes vindt echter plaats in beperktere ruimtes, waardoor compacte draagbare apparaten geschikter zijn. Het gebruiksgemak, met de bediening met één knop, betekent dat er een minimale training nodig is, terwijl de veiligheid wordt verhoogd. Door een of meer sensoren te combineren met krachtige akoestische en visuele signalen om te waarschuwen wanneer vooraf ingestelde gasniveaus worden bereikt, kunnen draagbare detectoren worden gedragen of gedragen waar ze nodig zijn. Bovendien kan een compact instrument gemakkelijk in een beperkte ruimte worden gedragen, zodat zakken met een hoge gasconcentratie niet worden gemist.

Elke draagbare gasdetector moet bepaalde kenmerken hebben. Het is duidelijk dat levensreddende instrumenten voor veeleisende omgevingen zo robuust mogelijk moeten zijn, met betrouwbare elektronica in een schokbestendige behuizing. Omdat gassensoren aan de atmosfeer moeten worden blootgesteld, kan geen enkel instrument volledig worden afgedicht, maar een hoge mate van bescherming tegen het binnendringen van stof en water is essentieel. Ondanks de stevigheid is een goed ontworpen detector ook licht en compact genoeg om een hele dienst te dragen.

Tenslotte moeten instrumenten, vanwege de moeilijkheden die het werken in een krappe ruimte en wellicht onder slechte verlichting met zich meebrengt, gemakkelijk te gebruiken zijn. Hoe geavanceerd de interne architectuur van een detector of de opties voor gegevensbeheer ook zijn, het personeel in het veld moet niets meer te wachten staan dan een duidelijk display, eenvoudige bediening met één knop en luide/heldere alarmen.

Sensoren voor brandbare gassen

Zoals hieronder uiteengezet, zijn er sensoren voor brandbare gassen in de vorm van katalysatoren, halfgeleiders met metaaloxide en infrarood.

Sensoren voor katalytische brandbare gassen

Katalytische sensoren voor brandbare gassen detecteren explosieve atmosferen door een verbranding van gassen in de sensorkamer te veroorzaken.

Katalytische sensoren bieden niet alleen een goede lineariteit, ze kunnen ook reageren op de meeste brandbare gassen. Aangezien de weerstandsverandering ten opzichte van %LEL relatief klein is, werken ze echter beter in concentraties tussen 1.000 en 50.000ppm.

Wat hun nadelen betreft:

• Ze meten geen sporen van gas (minder dan 200 ppm) en mogen dus niet worden gebruikt om toxische niveaus te bepalen.
• Om nauwkeurig te werken hebben ze 14% minimum zuurstof in de lucht nodig.
• Niet aanbevolen voor gebruik in acetyleenatmosfeer
• De sensor kan worden beschadigd door lood, siliconen of andere katalytische vergiften
• De metingen kunnen worden beïnvloed door condensatie van waterdamp en vochtigheid.
• Slechte reactie op energiearme koolwaterstoffen, bv. oliedampen, kerosine, diesel en commerciële vliegtuigbrandstoffen.
• Vaak verliezen ze lineariteit na ongeveer een jaar.

Metaaloxide halfgeleider (MOS) sensor voor brandbaar gas

Metallic Oxide Semiconductor (MOS) brandbare gassensoren, ook bekend als vaste-stofsensoren, bestaan al jaren. Met een lange levensduur van drie tot vijf jaar is dit een zeer veerkrachtige sensor die goed herstelt van hoge gasconcentraties die andere soorten sensoren zouden kunnen beschadigen.

Net als bij katalytische sensoren kunnen de meetwaarden van MOS-sensoren ook worden beïnvloed door vochtigheid en condensatie van waterdamp. Bovendien hebben zij, hoewel zij minder zuurstof nodig hebben dan hun katalytische tegenhanger, ook zuurstof nodig om nauwkeurig te kunnen werken.

Naast de bovengenoemde nadelen zijn er nog andere MOS-sensorspecifieke nadelen:

• Verwarmingselementen in sommige MOS-sensoren vergen veel stroom, waardoor grotere batterijen nodig zijn.
• Hoewel MOS-sensoren reageren op vele VOS, HFK's en oplosmiddelen, zijn zij niet specifiek voor één enkele verbinding.

Infrarood brandbare sensoren

Relatief recent zijn deze sensoren opgedoken in sommige instrumenten. Zij werken goed in zuurstofarme of acetyleenatmosferen; zij zijn echter vrij duur. Deze sensoren werken door licht te weerkaatsen tegen een spiegel en de hoeveelheid licht te meten die tijdens de breking wordt geabsorbeerd. Infraroodsensoren vereisen doorgaans een constante stroom over de sensoren en kunnen traag van alarm veranderen. Zij kunnen geen waterstof detecteren. Een infraroodsensor die is geijkt voor een eenvoudige koolwaterstof zoals methaan of ethaan zal niet nauwkeurig zijn voor damp van koolwaterstoffen met een hoger moleculair gewicht, oplosmiddelen of brandstoffen.

Giftige sensoren

Elektrochemische (natte chemie) toxische sensoren

Deze sensoren reageren op een specifieke chemische stof. Chemisch specifieke sensoren zijn verkrijgbaar voor maximaal 30 verschillende gassen, waaronder chloor, ammoniak, koolmonoxide, kooldioxide, stikstofdioxide, stikstofoxide, cyaanwaterstof, zwavelwaterstof en zwaveldioxide. De technische informatie van de fabrikant geeft aan welke sensoren beschikbaar zijn voor hun eenheid.

Deze sensoren hebben een goede lineariteit, waardoor ze zeer nauwkeurig zijn voor de stof waarop ze reageren. Zij kunnen zowel grote als kleine hoeveelheden meten en deze sensoren hebben een typische levensduur van ongeveer een jaar voor vele giftige gassen en tot twee jaar voor waterstofsulfide en koolmonoxide.

Zoals bij alle sensoren zijn natchemische sensoren niet zonder beperkingen. De elektrolytische vloeistof kan bevriezen wanneer deze wordt achtergelaten in een omgeving met temperaturen onder 0ºC. Sommige chemische sensoren kunnen negatief beïnvloed worden door de hoogte, omdat ze drukgevoelig zijn.

Metaaloxidehalfgeleiders (MOS) giftige gassensoren met groot bereik

Er zijn een aantal verschillende MOS-sensoren op de markt en er is er een ontwikkeld voor de detectie van toxische gassen. De samenstelling en werking ervan is vergelijkbaar met die voor de detectie van brandbare gassen. De MOS-sensor voor toxische gassen met groot bereik kan echter reageren op lage PPM-niveaus van een groot aantal toxische gassen, waaronder koolmonoxide, zwavelwaterstof, ammoniak, styreen, tolueen, benzine en vele andere koolwaterstoffen en oplosmiddelen. MOS-sensoren kunnen geen kooldioxide of zwaveldioxide detecteren. De sensor kan u niet vertellen welk gas u bent tegengekomen of wat de concentratie is, maar alleen dat de atmosfeer gevaarlijk kan zijn voor uw gezondheid.

Foto-ionisatiedetectoren (PID's)

Gezondheids- en veiligheidsprofessionals en anderen maken al sinds de jaren zestig gebruik van foto-ionisatiesensortechnologie voor de beoordeling van atmosferische gevaren op de werkplek. De levensduur van deze sensoren bedraagt één tot drie jaar. Zij zijn gewoonlijk te duur om in een multi-sensorinstrument te worden gebruikt.

Conclusie

Voor degenen die werken in een omgeving die gevaarlijk kan zijn voor hun gezondheid, kan de keuze van de juiste gasdetector de belangrijkste beslissing zijn die u ooit neemt. Uw leven kan van die beslissing afhangen, dus het is van cruciaal belang dat de gebruiker/koper zich bewust is van de gevaren die hij kan tegenkomen en de juiste sensoren om hem te beschermen. Uit gegevens die eind jaren zeventig en begin jaren tachtig zijn verzameld, blijkt dat 65% van de mensen die in besloten ruimten zijn omgekomen, niet wisten dat de ruimte die zij betraden een potentieel gevaar vormde. Meer dan 50% van de sterfgevallen in besloten ruimten komt voor rekening van de redders en meer dan een derde van de sterfgevallen deed zich voor nadat de ruimte was getest, veilig verklaard en de gasdetector was verwijderd.

De keuze van een gasdetector moet gebaseerd zijn op het gevaar dat men loopt. Helaas doen veel te veel kopers een van de grootste en meest cruciale uitgaven aan apparatuur zonder echt te begrijpen wat ze kopen. Sensoren en hun mogelijkheden zijn de allerbelangrijkste factor bij het kiezen van een gasdetector, maar vaak worden beslissingen gebaseerd op grootte, prijs en functies die niets te maken hebben met de detectiemogelijkheden van het instrument.

Gasdetectoren zijn er in verschillende maten, vormen, kleuren en sensorconfiguraties. Voor werkzaamheden in besloten ruimten is het noodzakelijk te controleren op zuurstoftekort/-verrijking, brandbare gassen en giftige stoffen. Een instrument dat deze drie gevaren aankan, is essentieel.