Детектор газа

Газовый детектор — это устройство, которое обнаруживает наличие газов в помещении, часто как часть системы безопасности. Детектор газа может подать сигнал тревоги операторам в районе, где произошла утечка, давая им возможность уйти. Этот тип устройства важен, поскольку существует множество газов, которые могут быть вредными для органической жизни, например, для людей или животных.

Детекторы газа могут использоваться для обнаружения горючих , легковоспламеняющихся и токсичных газов, а также истощения кислорода . Этот тип устройств широко используется в промышленности и может быть установлен, например, на нефтяных вышках, для мониторинга производственных процессов и новых технологий, таких как фотоэлектрические . Их можно использовать при тушении пожаров .

Обнаружение утечек газа – это процесс выявления потенциально опасных утечек газа с помощью датчиков . Кроме того, визуальную идентификацию можно выполнить с помощью тепловизионной камеры. Эти датчики обычно включают звуковую сигнализацию, чтобы предупредить людей об обнаружении опасного газа. Воздействие токсичных газов также может происходить при таких операциях, как покраска, фумигация, заправка топливом, строительство, раскопки загрязненных почв, операции на свалках, вход в замкнутые пространства и т. д. К распространенным датчикам относятся датчики горючих газов, фотоионизационные детекторы, инфракрасные точечные датчики , ультразвуковые датчики. , электрохимические газовые датчики и датчики металл-оксид-полупроводник (МОП). Совсем недавно стали использоваться инфракрасные датчики изображения. Все эти датчики используются для широкого спектра применений и могут быть найдены на промышленных предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах, фармацевтическом производстве, объектах фумигации, целлюлозно-бумажных фабриках, самолето- и судостроительных предприятиях, предприятиях по производству опасных веществ, очистных сооружениях, транспортных средствах, воздухе в помещениях. качество тестирования и дома.

История

Методы обнаружения утечек газа стали вызывать обеспокоенность после того, как было обнаружено воздействие вредных газов на здоровье человека. До появления современных электронных датчиков методы раннего обнаружения полагались на менее точные детекторы. В 19-м и начале 20-го веков шахтеры приносили с собой в туннели канареек в качестве системы раннего обнаружения опасных для жизни газов, таких как углекислый газ , окись углерода и метан . Канарейка, обычно очень певчая птица, перестанет петь и в конечном итоге умрет, если ее не удалить из этих газов, сигнализируя шахтерам о необходимости быстро покинуть шахту.

Первым детектором газа в индустриальную эпоху была лампа безопасности пламени (или лампа Дэви ), изобретенная сэром Хамфри Дэви (Англия) в 1815 году для обнаружения присутствия метана (рудничного газа) в подземных угольных шахтах. Лампа безопасности пламени представляла собой масляное пламя, отрегулированное на определенную высоту на свежем воздухе. Чтобы предотвратить возгорание этих ламп, пламя помещалось в стеклянный колпак с сетчатым пламегасителем. Высота пламени менялась в зависимости от наличия метана (выше) или отсутствия кислорода (ниже). По сей день в некоторых частях мира лампы пожарной безопасности все еще находятся в эксплуатации.

Современная эра обнаружения газа началась в 1926–1927 годах с разработки доктора Оливера Джонсона датчика каталитического сгорания (LEL). Доктор Джонсон был сотрудником компании Standard Oil в Калифорнии (ныне Chevron). Он начал исследования и разработки метода обнаружения горючих смесей в воздухе, чтобы помочь предотвратить взрывы в резервуарах для хранения топлива. Демонстрационная модель была разработана в 1926 году и обозначена как Модель A. Производство первого практического счетчика с «электрическим индикатором пара» началось в 1927 году с выпуском модели B.

Первая в мире компания по обнаружению газов Johnson-Williams Instruments (или JW Instruments) была основана в 1928 году в Пало-Альто, Калифорния, доктором Оливером Джонсоном и Филом Уильямсом. JW Instruments признана первой компанией по производству электроники в Кремниевой долине. В течение следующих 40 лет компания JW Instruments стала пионером многих «новинок» в современную эпоху обнаружения газов, включая уменьшение размеров и портативность приборов, разработку портативного детектора кислорода, а также первого комбинированного прибора, который мог бы обнаруживать как горючие газы/пары, так и а также кислород.

До разработки электронных бытовых детекторов угарного газа в 1980-х и 1990-х годах присутствие угарного газа обнаруживалось с помощью химически пропитанной бумаги, которая становилась коричневой под воздействием газа. С тех пор было разработано множество электронных технологий и устройств для обнаружения, мониторинга и оповещения об утечках широкого спектра газов.

Поскольку стоимость и производительность электронных газовых датчиков улучшились, они стали использоваться в более широком спектре систем. Первоначально их использование в автомобилях предназначалось для контроля выбросов двигателя , но теперь датчики газа также могут использоваться для обеспечения комфорта и безопасности пассажиров. Датчики углекислого газа устанавливаются в зданиях как часть систем вентиляции, управляемых по требованию . В настоящее время исследуются сложные системы газовых датчиков для использования в системах медицинской диагностики, мониторинга и лечения, помимо их первоначального использования в операционных . Газовые мониторы и сигнализаторы угарного газа и других вредных газов становятся все более доступными для офисного и бытового использования, а в некоторых юрисдикциях они становятся обязательными по закону.

Первоначально детекторы производились для обнаружения одного газа. Современные устройства могут обнаруживать несколько токсичных или горючих газов или даже их комбинацию. Новые газоанализаторы могут разбивать сигналы компонентов сложного аромата для одновременной идентификации нескольких газов.

металл-оксид-полупроводник Датчики (МОП) были представлены в 1990-х годах. Самый ранний известный газовый МОП-сенсор был продемонстрирован Г. Сбервельери, Г. Фаглией, С. Гроппелли, П. Нелли и А. Каманци в 1990 году. С тех пор МОП-сенсоры стали важными детекторами газов в окружающей среде.

Типы

Детекторы газа можно классифицировать по механизму действия ( полупроводниковые , окислительные, каталитические, фотоионизационные, инфракрасные и т. д.). Детекторы газа выпускаются в двух основных форм-факторах: портативные устройства и стационарные детекторы газа.

Портативные детекторы используются для мониторинга атмосферы вокруг персонала и носятся либо в руках, либо на одежде, либо на поясе/привязи. Эти детекторы газа обычно работают от батарей. Они передают предупреждения с помощью звуковых и визуальных сигналов, таких как сигналы тревоги и мигающие огни, при обнаружении опасных уровней паров газа.

Детекторы газа фиксированного типа могут использоваться для обнаружения одного или нескольких типов газа. Детекторы фиксированного типа обычно монтируются рядом с технологической зоной предприятия или диспетчерской, а также рядом с защищаемой зоной, например, в жилой спальне. Обычно промышленные датчики устанавливаются на стационарных конструкциях из мягкой стали, а кабель соединяет датчики с системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) для непрерывного мониторинга. В случае чрезвычайной ситуации можно активировать блокировку отключения.

Электрохимический

Основная статья: Электрохимический датчик газа

Электрохимические детекторы газа работают, позволяя газам диффундировать через пористую мембрану к электроду, где они либо химически окисляются, либо восстанавливаются . Величина производимого тока определяется тем, какая часть газа окисляется на электроде. указывающий концентрацию газа. Производители могут модифицировать электрохимические детекторы газа, изменяя пористый барьер, чтобы обеспечить обнаружение газа в определенном диапазоне концентраций. Кроме того, поскольку диффузионный барьер является физическим/механическим барьером, детекторы, как правило, более стабильны и надежны в течение всего срока службы датчика и, следовательно, требуют меньшего обслуживания, чем другие ранние технологии детекторов.

Однако датчики подвержены воздействию агрессивных элементов или химического загрязнения и могут прослужить всего 1–2 года, прежде чем потребуется замена. Электрохимические детекторы газа используются в самых разных средах, таких как нефтеперерабатывающие заводы, газовые турбины, химические заводы, подземные хранилища газа и т. д.

Каталитический шарик

Каталитические шариковые ( пеллисторные ) датчики обычно используются для измерения горючих газов, которые представляют опасность взрыва, когда концентрация находится между нижним пределом взрываемости (НПВ) и верхним пределом взрываемости (ВПВ). Активные и эталонные шарики, содержащие катушки из платиновой проволоки, расположены на противоположных плечах мостовой схемы Уитстона и нагреваются электрическим током до нескольких сотен градусов C. Активный шарик содержит катализатор, который позволяет горючим соединениям окисляться, тем самым нагревая шарик еще больше и изменяя его электрическое сопротивление. Результирующая разность напряжений между активными и пассивными шариками пропорциональна концентрации всех присутствующих горючих газов и паров. Отбираемый газ поступает в датчик через спеченную металлическую фритту, которая обеспечивает барьер для предотвращения взрыва при попадании прибора в атмосферу, содержащую горючие газы. Пеллисторы измеряют практически все горючие газы, но они более чувствительны к более мелким молекулам, которые быстрее диффундируют через агломерат. Измеримые диапазоны концентраций обычно составляют от нескольких сотен частей на миллион до нескольких объемных процентов. Такие датчики недороги и надежны, но для тестирования требуется минимум несколько процентов кислорода в атмосфере, и они могут быть отравлены или ингибированы такими соединениями, как силиконы, минеральные кислоты, хлорорганические соединения и соединения серы.

Фотоионизация

Основная статья: Фотоионизационный детектор

Фотоионизационные детекторы (ФИД) используют УФ-лампу с высокой энергией фотонов для ионизации химических веществ в пробе газа. Если энергия ионизации соединения ниже, чем у фотонов лампы, электрон будет выброшен, и результирующий ток будет пропорционален концентрации соединения. Обычная энергия фотонов лампы включает 10,0 эВ , 10,6 эВ и 11,7 эВ; стандартная лампа на 10,6 эВ служит годами, тогда как лампа на 11,7 эВ обычно служит всего несколько месяцев и используется только тогда, когда нет другого варианта. Широкий спектр соединений может быть обнаружен на уровнях от нескольких частей на миллиард (ppb) до нескольких тысяч частей на миллион (ppm). Классы обнаруживаемых соединений в порядке убывания чувствительности включают: ароматические соединения и алкилйодиды; олефины, соединения серы, амины, кетоны, простые эфиры, алкилбромиды и силикатные эфиры; органические сложные эфиры, спирты, альдегиды и алканы; сероводород, аммиак, фосфин и органические кислоты. Нет реакции на стандартные компоненты воздуха или на минеральные кислоты. Основными преимуществами ФИД являются их превосходная чувствительность и простота использования; Основное ограничение заключается в том, что измерения не зависят от конкретного соединения. Недавно были представлены ФИД с трубками предварительной фильтрации, которые повышают специфичность для таких соединений, как бензол или бутадиен . Стационарные, портативные и миниатюрные ФИД, прикрепляемые к одежде, широко используются для промышленной гигиены, защиты от опасных веществ и мониторинга окружающей среды .

Инфракрасная точка

Основная статья: Инфракрасный точечный датчик

Инфракрасные (ИК) точечные датчики используют излучение, проходящее через известный объем газа; энергия луча датчика поглощается на определенных длинах волн, в зависимости от свойств конкретного газа. Например, окись углерода поглощает волны длиной около 4,2-4,5 мкм. Энергия этой длины волны сравнивается с длиной волны вне диапазона поглощения; разница в энергии между этими двумя длинами волн пропорциональна концентрации присутствующего газа.

Преимущество этого типа датчика заключается в том, что его не нужно помещать в газ для его обнаружения, и его можно использовать для дистанционного зондирования . Инфракрасные точечные датчики могут использоваться для обнаружения углеводородов. и другие инфракрасно-активные газы, такие как водяной пар и углекислый газ . ИК-датчики обычно встречаются на очистных сооружениях, нефтеперерабатывающих заводах, газовых турбинах, химических заводах и других объектах, где присутствуют горючие газы и существует вероятность взрыва. Возможность дистанционного зондирования позволяет контролировать большие объемы пространства.

Выбросы двигателя — еще одна область, в которой исследуются ИК-датчики. Датчик будет обнаруживать высокий уровень угарного газа или других аномальных газов в выхлопных газах автомобилей и даже интегрироваться с электронными системами автомобиля для уведомления водителей.

Инфракрасное изображение

Основная статья: Термографическая камера

Инфракрасные датчики изображения включают активные и пассивные системы. Для активного обнаружения датчики ИК-изображения обычно сканируют лазер по полю обзора сцены и ищут обратно рассеянный свет на длине волны линии поглощения конкретного целевого газа. Пассивные ИК-датчики изображения измеряют спектральные изменения в каждом пикселе изображения и ищут определенные спектральные характеристики , указывающие на присутствие целевых газов. Типы соединений, которые можно визуализировать, такие же, как и те, которые можно обнаружить с помощью точечных инфракрасных детекторов, но изображения могут быть полезны при идентификации источника газа.

Полупроводник

Полупроводниковые датчики, также известные как датчики металл-оксид-полупроводник (МОП), обнаруживать газы с помощью химической реакции, которая происходит, когда газ вступает в прямой контакт с датчиком. Диоксид олова является наиболее распространенным материалом, используемым в полупроводниковых датчиках. и электрическое сопротивление датчика уменьшается при его контакте с контролируемым газом. Сопротивление диоксида олова обычно составляет около 50 кОм на воздухе, но может упасть примерно до 3,5 кОм в присутствии 1% метана. Это изменение сопротивления используется для расчета концентрации газа. Полупроводниковые датчики обычно используются для обнаружения водорода, кислорода, паров спирта и вредных газов, таких как окись углерода. Одним из наиболее распространенных применений полупроводниковых датчиков являются датчики угарного газа. Они также используются в алкотестерах . Поскольку для его обнаружения датчик должен вступить в контакт с газом, полупроводниковые датчики работают на меньшем расстоянии, чем инфракрасные точечные или ультразвуковые детекторы.

МОП-сенсоры могут обнаруживать различные газы, такие как окись углерода, диоксид серы , сероводород и аммиак . С 1990-х годов МОП-сенсоры стали важными детекторами газов в окружающей среде. МОП-сенсоры, хотя и очень универсальны, страдают от проблемы перекрестной чувствительности к влажности. Причину такого поведения связывают с взаимодействием гидроксильных ионов с поверхностью оксида. Были предприняты попытки уменьшить такое вмешательство с помощью алгоритмической оптимизации.

Ультразвуковой

Ультразвуковые детекторы утечки газа сами по себе не являются детекторами газа. Они обнаруживают акустическую эмиссию, возникающую, когда газ под давлением расширяется в области низкого давления через небольшое отверстие (утечку). Они используют акустические датчики для обнаружения изменений в фоновом шуме окружающей среды. Поскольку большинство утечек газа под высоким давлением генерируют звук в ультразвуковом диапазоне от 25 кГц до 10 МГц, датчики могут легко отличить эти частоты от фонового акустического шума, который возникает в слышимом диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Ультразвуковой детектор утечки газа затем подает сигнал тревоги при отклонении ультразвукового сигнала от нормального фонового шума. Ультразвуковые детекторы утечек газа не могут измерять концентрацию газа, но устройство способно определить скорость утечки выходящего газа, поскольку уровень ультразвукового звука зависит от давления газа и размера утечки.

Ультразвуковые детекторы газа в основном используются для дистанционного зондирования на открытом воздухе, где погодные условия могут легко рассеять выходящий газ, прежде чем он достигнет детекторов утечек, которым требуется контакт с газом для его обнаружения и подачи сигнала тревоги. Эти детекторы обычно встречаются на морских и наземных нефтегазовых платформах, газокомпрессорных и измерительных станциях, газотурбинных электростанциях и других объектах, на которых расположено множество наружных трубопроводов.

Голографический

Голографические датчики газа используют отражение света для обнаружения изменений в матрице полимерной пленки, содержащей голограмму. Поскольку голограммы отражают свет определенных длин волн, изменение их состава может привести к появлению цветного отражения, указывающего на присутствие молекулы газа. Однако для голографических датчиков требуются источники освещения, такие как белый свет или лазеры , а также наблюдатель или ПЗС- детектор.

Калибровка

Все детекторы газа должны калиброваться по графику. Из двух форм-факторов детекторов газа портативные необходимо калибровать чаще из-за регулярных изменений окружающей среды, с которыми они сталкиваются. Типичный график калибровки для стационарной системы может составлять ежеквартально, два раза в год или даже ежегодно для более надежных устройств. Типичный график калибровки портативного детектора газа представляет собой ежедневную «функциональную проверку», сопровождаемую ежемесячной калибровкой. Почти для каждого портативного детектора газа требуется определенный калибровочный газ . В США Управление по охране труда и здоровья (OSHA) может устанавливать минимальные стандарты для периодической повторной калибровки.

Тестирование (ударное испытание)

Поскольку детектор газа используется для обеспечения безопасности сотрудников, очень важно убедиться, что он работает в соответствии со спецификациями производителя. Австралийские стандарты предусматривают, что человеку, работающему с любым детектором газа, настоятельно рекомендуется каждый день проверять его работу, а также следить за тем, чтобы он обслуживался и использовался в соответствии с инструкциями и предупреждениями производителя.

Пробное испытание должно состоять из воздействия на детектор газа известной концентрации, чтобы убедиться в том, что детектор газа среагирует и активируются звуковые и визуальные сигналы тревоги. Также важно осмотреть газоанализатор на предмет случайных или преднамеренных повреждений, проверив, что корпус и винты целы, чтобы предотвратить попадание жидкости, и что фильтр чист, все это может повлиять на функциональность газоанализатора. Базовый набор для калибровки или контрольного тестирования состоит из калибровочного газа /регулятора/калибровочного колпачка и шланга (обычно поставляемых вместе с газоанализатором) и футляра для хранения и транспортировки. Поскольку один из каждых 2500 непроверенных приборов не реагирует на опасную концентрацию газа, многие крупные предприятия используют автоматизированную станцию ​​тестирования/калибровки для ударных испытаний и ежедневно калибруют свои детекторы газа.

Концентрация кислорода

Газовые мониторы дефицита кислорода используются для обеспечения безопасности сотрудников и рабочей силы. Криогенные вещества, такие как жидкий азот (LN2), жидкий гелий (He) и жидкий аргон (Ar), инертны и могут вытеснять кислород (O ₂ ) в замкнутом пространстве в случае утечки. Быстрое снижение содержания кислорода может создать очень опасную среду для сотрудников, которые могут не заметить эту проблему, прежде чем внезапно потеряют сознание. Учитывая это, при наличии криогенных веществ важно иметь монитор газообразного кислорода. Лаборатории, кабинеты МРТ , поставщики фармацевтических препаратов, полупроводников и криогенной техники являются типичными пользователями кислородных мониторов.

Доля кислорода в дыхательном газе измеряется электрогальваническими датчиками кислорода . Их можно использовать отдельно, например, для определения доли кислорода в смеси найтрокса , используемой при подводном плавании . или как часть контура обратной связи, который поддерживает постоянное парциальное давление кислорода в ребризере .

Аммиак

Газообразный аммиак постоянно контролируется в процессах промышленного охлаждения и процессах биологического разложения, включая выдыхаемый воздух. В зависимости от требуемой чувствительности используются различные типы датчиков (например, пламенно-ионизационный детектор , полупроводниковый, электрохимический, фотонные мембраны). ). Детекторы обычно работают вблизи нижнего предела воздействия 25 частей на миллион; однако обнаружение аммиака в целях промышленной безопасности требует постоянного мониторинга при превышении предельного уровня смертельного воздействия в 0,1%.

Горючий

• Каталитический датчик
• взрывчатка
• Инфракрасный точечный датчик
• Инфракрасный детектор открытого пути

Другой

• Пламенно-ионизационный детектор
• Недисперсионный инфракрасный датчик
• Фотоионизационный детектор
• из оксида циркония Сенсорная ячейка
• Каталитические датчики
• Металлооксидный полупроводник
• Золотой фильм
• Колориметрические детекторные трубки
• Отбор проб и химический анализ
• Пьезоэлектрический микрокантилевер
• Голографический датчик
• Детектор теплопроводности
• Электрохимический датчик газа

Бытовая безопасность

Существует несколько различных датчиков, которые можно установить для обнаружения опасных газов в жилом доме. Угарный газ — очень опасный, но бесцветный газ без запаха, поэтому человеку его трудно обнаружить. Детекторы угарного газа можно купить примерно за 20–60 долларов США. Многие местные юрисдикции в Соединенных Штатах теперь требуют установки детекторов угарного газа в дополнение к детекторам дыма в жилых домах.

Ручные детекторы горючих газов можно использовать для отслеживания утечек из газопроводов, баллонов с пропаном, бутаном или любого другого горючего газа. Эти датчики можно приобрести за 35–100 долларов США.

Исследовать

Европейское сообщество поддержало исследование под названием MINIGAS, которое координировал Центр технических исследований Финляндии VTT. Этот исследовательский проект направлен на разработку новых типов датчиков газа на основе фотоники и поддержку создания меньших по размеру инструментов с такой же или более высокой скоростью и чувствительностью, чем традиционные детекторы газа лабораторного класса.

См. также

• Утечка газа
• Датчик водорода
• Список датчиков

Ссылки

• Брейер, В., Беккер, В., Депре, Дж., Дропе, Э., Шмаух, Х. (1979) Патент США 4141800: Электрохимический детектор газа и способ его использования. Получено 27 февраля 2010 г. с http://www.freepatentsonline.com/4141800.html .
• Муда, Р. (2009). «Моделирование и измерение выбросов выхлопных газов углекислого газа с использованием оптоволоконного точечного датчика среднего инфракрасного диапазона». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 11 (1): 054013. Бибкод : 2009JOptA..11e4013M . дои : 10.1088/1464-4258/11/5/054013 .
• Датчик Фигаро. (2003). Общая информация о датчиках TGS. Получено 28 февраля 2010 г. с сайта http://www.figarosensor.com/products/general.pdf .
• Витц, Э. (1995). «Полупроводниковые датчики газа как детекторы ГХ и алкотестеры ». Журнал химического образования . 72 (10): 920. doi : 10.1021/ed072p920 .

Внешние ссылки

• Энциклопедия обнаружения газа, заархивированная 30 ноября 2015 г. в Wayback Machine , Edaphic Scientific Knowledge Base.