Poniżej prezentujemy przewodnik po różnych rodzajach czujników stosowanych w stacjonarnych systemach detekcji gazu i płomienia. Przedstawiamy w nim zalety i ograniczenia dostępnych na rynku rozwiązań.
Systemy detekcji gazu i płomienia powinny być stosowane wszędzie tam, gdzie istnieje możliwość pojawienia się niebezpiecznych stężeń gazów palnych i toksycznych, oraz w miejscach, gdzie istnieje możliwość wyparcia lub pochłonięcia przez inne gazy niezbędnego dla życia tlenu. Ich podstawowym zadaniem jest ochrona życia i zdrowia człowieka oraz zabezpieczenie infrastruktury zakładu znajdującego się na zagrożonym obszarze.
Czujniki katalityczne
Zasada pomiaru wykorzystana w tej technologii oparta jest na katalitycznym spalaniu mierzonego gazu lub oparów w powietrzu do dolnej granicy wybuchowości gazu (DGW). Czujnik składa się z pary dopasowanych elementów (PELEMENTS), detektora i kompensatora. Detektor zwykle składa się ze zwoju drutu platynowego, pokrytego warstwą materiału katalitycznego. Kompensator jest podobny, ale nie zawiera katalizatora i dlatego nie reaguje na gaz. Palne gazy są utleniane tylko na elemencie detektora, gdzie wytwarzane ciepło zwiększa jego oporność, generując sygnał proporcjonalny do stężenia palnego gazu. Kompensator pomaga w kompensacji zmian temperatury otoczenia, ciśnienia i wilgotności, które wpływają w równy sposób na oba elementy.
Zalety:
- wytrzymałość (do agresywnych środowisk pracy),
- łatwość w obsłudze, instalacji i kalibracji,
- długa żywotność i niski koszt wymiany,
- zdolność detekcji różnych gazów,
- duży zakres temperatur pracy,
- łatwość kalibracji do gazów takich jak np. wodór, który nie może być wykryty za pomocą detekcji w podczerwieni.
Ograniczenia:
- detekcja pasywna nie posiada możliwości samokontroli,
- powierzchnia katalityczna może być deaktywowana przez zanieczyszczenia pochodzące z różnych związków chemicznych (wymagana regularna inspekcja),
- do detekcji potrzebny jest tlen,
- długotrwałe wystawienie na wysokie stężenie gazu wybuchowego ogranicza żywotność sensora.
Czujniki elektrochemiczne
Czujniki elektrochemiczne są zazwyczaj używane do wykrywania gazów toksycznych w zakresie ppm. Elektrody, oddzielone elektrolitem, są zamknięte w małej plastikowej obudowie i są podłączone
do zewnętrznego obwodu elektronicznego. Gaz dostaje się do czujnika przez przepuszczalną membranę i w wyniku reakcji elektrochemicznej wytwarzany jest mały prąd. Ponieważ tempo przedostawania się gazu do czujnika jest kontrolowane za pomocą dyfuzji gazu przez przepuszczalną membranę, prąd jest proporcjonalny do stężenia gazu.
Zalety:
- wysoka czułość i dokładność pomiaru,
- wszechstronność zastosowań – możliwość detekcji wielu różnych gazów toksycznych i niedoboru tlenu,
- wysoka selektywność (zależna od systemu filtrów),
- dość długi okres żywotności,
- małe wymagania mocy zasilania.
Ograniczenia:
- relatywnie długi czas reakcji z powodu konieczności przeniknięcia gazu przez specjalną membranę sensora,
- podatne na zablokowanie przez brud i inne zanieczyszczenia,
- nie nadają się do stosowania w środowisku o niskiej wilgotności (< 15% RH).
Czujniki półprzewodnikowe
Czujniki półprzewodnikowe oparte są na efekcie przewodności elektronicznej, w którego wyniku gazy są adsorbowane na powierzchni półprzewodnika. W istocie jest to cienka warstwa tlenku metalu naniesiona na podłoże z silikonu. Proces produkcji jest podobny do procesu wytwarzania półprzewodników; stąd nazwa metal-tlenek-półprzewodnik (ang. Metal Oxide Semiconductor), pod jaką są powszechnie znane. Adsorpcja gazu na powierzchni tlenku, po której następuje utlenianie katalityczne, powoduje zmianę oporności elektrycznej materiału tlenku. Powierzchnia czujnika jest podgrzewana do stałej temperatury, aby przyspieszyć tempo reakcji i zmniejszyć efekt zmian temperatury otoczenia. Zmiany oporności są przekształcane na sygnał elektryczny proporcjonalny do stężenia gazu.
Zalety:
- bardzo dobra selektywność do mierzonego gazu, np. H2S,
- odporność na wysokie stężenie mierzonego gazu, a także innych gazów obecnych w otoczeniu,
- możliwość pracy w szerokim zakresie warunków
- atmosferycznych,
- długa żywotność (2–10 lat).
Ograniczenia:
- czułość skrośna do niektórych, rzadziej występujących gazów,
- duże zapotrzebowanie na moc zasilania.
Czujniki podczerwieni
Wiele gazów pochłania światło podczerwone o pewnych długościach fal. Spektrum pochłaniania jest charakterystyczne dla każdego badanego gazu. Detektory punktowe oraz otwartej ścieżki (ang. Open Path) wykorzystują elektronicznie modulowane źródła promieniowania IR o dwóch różnych długościach fal. Jedna długość fali jest typowa dla mierzonego gazu, a dla drugiej długości nie ma absorpcji podczerwieni przez gazy atmosferyczne. Sygnały z obu detektorów są wzmacniane elektronicznie i przesyłane do mikroprocesora, który kondycjonuje sygnały i wytwarza sygnał wyjściowy proporcjonalny do stężenia gazu.
Zalety:
- odporność na korozyjne związki chemiczne i gazy,
- samokontrola działania,
- brak potrzeby częstej kalibracji,
- zdolność do pracy bez tlenu,
- zdolność do pracy w ciągłej obecności gazu,
- duża wydajność dzięki pomiarowi koncentracji gazu
- na dużym obszarze (dot. detektorów otwartej ścieżki).
Ograniczenia:
- gaz musi się dostać do celi pomiarowej,
- pomiar tylko tych gazów, które absorbują promieniowanie podczerwone (węglowodory),
- warunki pracy w środowisku o wysokiej wilgotności,
- zanieczyszczeniu mogą podwyższyć koszty konserwacji,
- skomplikowana kalibracja do różnych gazów.
Czujniki fotoakustyczne
Technologia czujników fotoakustycznych została opracowana przez MSA do wykrywania bardzo małych stężeń gazów toksycznych i palnych. Próbka gazu zostaje wprowadzona do komory pomiarowej i wystawiona na działanie fali pulsującego promieniowania podczerwonego o szczególnej długości. Jeśli próbka zawiera dany gaz, wchłonie on promieniowanie podczerwone w ilości proporcjonalnej do stężenia obecnego gazu. Cząsteczki gazu podgrzewają się i schładzają w miarę absorbowania pulsującej energii podczerwieni. Zmiany ciśnienia wynikające z podgrzewania i schładzania cząsteczek są mierzone przez czuły mikrofon umieszczony wewnątrz fotoakustycznego monitora podczerwieni.
Zalety:
- możliwość ciągłej pracy przez wiele miesięcy przy bardzo niewielkiej odchyłce od punktu zero,
- precyzyjne monitorowanie najmniejszych stężeń gazów wybuchowych, toksycznych oraz czynników chłodniczych, a także wykrywanie miejsc wycieku,
- duża stabilność i wysoka selektywność pomiaru.
Ograniczenia:
- zastosowanie dla lokalnych systemów monitorowania gazów (maks. długość węża próbkującego wynosi 50 m).
Czujniki płomienia
Większość detektorów płomieni rozpoznaje je dzięki tzw. metodom optycznym, takim jak spektroskopia ultrafioletowa (UV) i podczerwieni (IR). Płomienie są ogólnie zasilane przez węglowodory, które, w obecności tlenu i źródła zapłonu, wytwarzają ciepło, dwutlenek węgla i inne produkty spalania. Reakcja charakteryzuje się emisją widzialnego promieniowania UV i IR. Detektory płomieni są przeznaczone do wykrywania absorpcji światła o szczególnej długości fali, dlatego pozwalają na rozróżnienie płomieni rzeczywistych i fałszywych alarmów. Firma MSA stosuje detektory płomieni oparte na technologii UV/IR lub multispektralnej technologii IR. Podstawą obu technologii jest wykrywanie na linii widzenia promieniowania emitowanego przez płomienie w pasmach spektrum UV, widzialnego i IR.
Zalety:
- szybka reakcja na pożary węglowodorów,
- szybka reakcja na pożary wodoru (tylko UV/IR),
- system samokontroli ścieżki optycznej (COPM),
- redukcja fałszywych alarmów za pomocą połączenia
- technologii UV i IR (dot. UV/IR) oraz dzięki specjalnym
- algorytmom uczenia i identyfikacji pożaru (dot. MSIR),
- szerokie pole widzenia,
- kompatybilność z lampą testową.
Ograniczenia:
- niemożliwa detekcja silnie dymiących pożarów(dot. UV/IR),
- brak możliwości wykrycia tlących się materiałów bez obecności płomienia,
- wpływ silnych źródeł promieniowania UV (np. spawanie) lub niektórych innych źródeł promieniowania UV i IR (dot. UV/IR).
Czujniki ultradźwiękowe
Ultradźwiękowa technologia akustycznego wykrywania wycieków gazu rozpoznaje nieszczelności układów gazu pod ciśnieniem poprzez wykrywanie ultradźwięków przenoszonych w powietrzu wytwarzanych przez upływający gaz. Oznacza to, że ultradźwiękowe detektory wycieku gazów wykrywają wycieki z prędkością dźwięku w promieniu do 28 metrów. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod wykrywania gazów (wykrywanie gazu punktowe lub na otwartej ścieżce) ultradźwiękowe detektory wycieków gazu nie muszą czekać na nagromadzenie gazu tworzącego potencjalnie niebezpieczną chmurę gazową i fizyczny kontakt z detektorem. W przypadku wykrycia gazu niezwłocznie generują alarm. Ultradźwiękowy akustyczny detektor wycieków gazu wykrywa nieszczelność bez względu na warunki, takie jak zmiana kierunku wiatru, rozcieńczenie gazu czy kierunek upływu gazu – warunki dotyczące większości instalacji gazowych na zewnątrz budynków.
Zalety:
- szybka detekcja wycieku gazu pod ciśnieniem,
- wszechstronność zastosowań – detekcja wycieku niezależna od rodzaju gazu i czynników atmosferycznych,
- minimalne wymogi konserwacji, brak wymiennych części,
- wytrzymała i pewna funkcja samokontroli,
- niewrażliwość na rozcieńczenie gazu, orientację wycieku lub kierunek wiatru,
- wykorzystanie innowacyjnej technologii sieci neuronowych, zapewniającej szeroki obszar detekcji i samodzielną adaptację.
Ograniczenia:
- zastosowanie do instalacji powyżej 10 barów,
- w pewnych warunkach podatność na źródła ultradźwięków z działalności człowieka,
- brak możliwości określenia stężenia gazu.
