Rilevatore di gas - Gas detector

Un rilevatore di gas è un dispositivo che rileva la presenza di gas in un'area, spesso come parte di un sistema di sicurezza. Un rilevatore di gas può emettere un allarme agli operatori nell'area in cui si verifica la perdita, dando loro l'opportunità di andarsene. Questo tipo di dispositivo è importante perché ci sono molti gas che possono essere dannosi per la vita organica, come l'uomo o gli animali.

I rilevatori di gas possono essere utilizzati per rilevare gas combustibili , infiammabili e tossici e l' esaurimento dell'ossigeno . Questo tipo di dispositivo è ampiamente utilizzato nell'industria e può essere trovato in luoghi, come sulle piattaforme petrolifere, per monitorare i processi di produzione e le tecnologie emergenti come il fotovoltaico . Possono essere utilizzati nella lotta antincendio .

Il rilevamento delle perdite di gas è il processo di identificazione di perdite di gas potenzialmente pericolose da parte dei sensori . Inoltre, è possibile eseguire un'identificazione visiva utilizzando una telecamera termica. Questi sensori di solito utilizzano un allarme acustico per avvisare le persone quando è stato rilevato un gas pericoloso. L'esposizione a gas tossici può verificarsi anche in operazioni come verniciatura, fumigazione, rifornimento di carburante, costruzione, scavo di terreni contaminati, operazioni di discarica, ingresso in spazi confinati, ecc. I sensori comuni includono sensori di gas combustibile, rilevatori di fotoionizzazione, sensori a punti infrarossi , sensori a ultrasuoni , sensori di gas elettrochimici e metallo-ossido-semiconduttore sensori (sensori MOS). Più recentemente, sono entrati in uso i sensori di imaging a infrarossi. Tutti questi sensori sono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni e possono essere trovati in impianti industriali, raffinerie, industrie farmaceutiche, impianti di fumigazione, fabbriche di pasta di carta, strutture aeronautiche e navali, operazioni di hazmat, impianti di trattamento delle acque reflue, veicoli, aria interna test di qualità e case.

Storia

I metodi di rilevamento delle perdite di gas sono diventati una preoccupazione dopo che sono stati scoperti gli effetti dei gas nocivi sulla salute umana. Prima dei moderni sensori elettronici , i metodi di rilevamento precoce si basavano su rilevatori meno precisi. Durante il XIX e l'inizio del XX secolo, i minatori di carbone avrebbero portato con sé i canarini nei tunnel come sistema di rilevamento precoce contro gas potenzialmente letali come l' anidride carbonica , il monossido di carbonio e il metano . Il canarino, normalmente un uccello molto canoro, smetteva di cantare e alla fine moriva se non veniva rimosso da questi gas, segnalando ai minatori di uscire rapidamente dalla miniera.

Il primo rilevatore di gas in epoca industriale fu la lampada di sicurezza a fiamma (o lampada Davy ) inventata da Sir Humphry Davy (d'Inghilterra) nel 1815 per rilevare la presenza di metano (grisù) nelle miniere di carbone sotterranee. La lampada di sicurezza contro la fiamma consisteva in una fiamma ad olio regolata ad un'altezza specifica in aria fresca. Per impedire l'accensione con le lampade, la fiamma era contenuta all'interno di un manicotto di vetro con un rompifiamma in rete. L'altezza delle fiamme variava a seconda della presenza di metano (in alto) o della mancanza di ossigeno (in basso). Ad oggi, in alcune parti del mondo, le lampade di sicurezza a fiamma sono ancora in servizio.

L'era moderna del rilevamento dei gas è iniziata nel 1926-1927 con lo sviluppo del sensore di combustione catalitica (LEL) del Dr.Oliver Johnson. Il dottor Johnson era un dipendente della Standard Oil Company in California (ora Chevron), ha iniziato la ricerca e lo sviluppo di un metodo per rilevare miscele combustibili nell'aria per aiutare a prevenire esplosioni nei serbatoi di stoccaggio del carburante. Un modello dimostrativo fu sviluppato nel 1926 e denotato come Modello A. Il primo pratico misuratore "indicatore di vapore elettrico" iniziò la produzione nel 1927 con il rilascio del Modello B.

La prima azienda di rilevamento di gas al mondo, Johnson-Williams Instruments (o JW Instruments) è stata costituita nel 1928 a Palo Alto, in California, dal dottor Oliver Johnson e Phil Williams. JW Instruments è riconosciuta come la prima azienda di elettronica nella Silicon Valley. Nei successivi 40 anni JW Instruments ha aperto la strada a molti "primi" nell'era moderna del rilevamento dei gas, tra cui la realizzazione di strumenti più piccoli e portatili, lo sviluppo di un rilevatore di ossigeno portatile e il primo strumento combinato in grado di rilevare sia gas/vapori combustibili sia così come l'ossigeno.

Prima dello sviluppo dei rilevatori di monossido di carbonio per uso domestico negli anni '80 e '90, la presenza di monossido di carbonio veniva rilevata con una carta chimicamente infusa che diventava marrone quando esposta al gas. Da allora, sono state sviluppate molte tecnologie e dispositivi elettronici per rilevare, monitorare e avvisare la perdita di un'ampia gamma di gas.

Poiché il costo e le prestazioni dei sensori di gas elettronici sono migliorati, sono stati incorporati in una gamma più ampia di sistemi. Il loro uso nelle automobili era inizialmente per il controllo delle emissioni del motore , ma ora i sensori di gas possono essere utilizzati anche per garantire il comfort e la sicurezza dei passeggeri. I sensori di anidride carbonica vengono installati negli edifici come parte di sistemi di ventilazione a richiesta controllata . Si stanno studiando sofisticati sistemi di sensori di gas per l'uso in sistemi di diagnostica medica, monitoraggio e trattamento, ben oltre il loro uso iniziale nelle sale operatorie . I rilevatori di gas e gli allarmi per il monossido di carbonio e altri gas nocivi sono sempre più disponibili per l'ufficio e per uso domestico e stanno diventando obbligatori per legge in alcune giurisdizioni.

In origine, i rivelatori sono stati prodotti per rilevare un singolo gas. Le unità moderne possono rilevare diversi gas tossici o combustibili, o anche una combinazione. Gli analizzatori di gas più recenti possono scomporre i segnali dei componenti di un aroma complesso per identificare più gas contemporaneamente.

I sensori a semiconduttore a ossido di metallo (sensori MOS) sono stati introdotti negli anni '90. Il primo sensore di gas MOS noto è stato dimostrato da G. Sberveglieri, G. Faglia, S. Groppelli, P. Nelli e A. Camanzi nel 1990. Da allora i sensori MOS sono diventati importanti rilevatori di gas ambientali.

tipi

I rivelatori di gas possono essere classificati in base al meccanismo di funzionamento ( semiconduttori , ossidazione, catalitico, fotoionizzazione, infrarossi, ecc.). I rilevatori di gas sono confezionati in due fattori di forma principali: dispositivi portatili e rilevatori di gas fissi.

I rilevatori portatili vengono utilizzati per monitorare l'atmosfera intorno al personale e possono essere tenuti in mano o indossati su indumenti o su una cintura/imbracatura. Questi rilevatori di gas sono generalmente alimentati a batteria. Trasmettono avvisi tramite segnali acustici e visibili, come allarmi e luci lampeggianti, quando vengono rilevati livelli pericolosi di vapori di gas.

I rilevatori di gas di tipo fisso possono essere utilizzati per il rilevamento di uno o più tipi di gas. I rivelatori di tipo fisso sono generalmente montati vicino all'area di processo di un impianto o sala di controllo, o un'area da proteggere, come una camera da letto residenziale. Generalmente i sensori industriali sono installati su strutture in acciaio dolce di tipo fisso e un cavo collega i rilevatori ad un sistema SCADA per il monitoraggio continuo. È possibile attivare un blocco di scatto per una situazione di emergenza.

Elettrochimico

Articolo principale: sensore di gas elettrochimico

I rilevatori di gas elettrochimici funzionano consentendo ai gas di diffondersi attraverso una membrana porosa fino a un elettrodo dove vengono ossidati o ridotti chimicamente . La quantità di corrente prodotta è determinata da quanto gas è ossidato all'elettrodo, indicando la concentrazione del gas. I produttori possono personalizzare i rilevatori di gas elettrochimici modificando la barriera porosa per consentire il rilevamento di un determinato intervallo di concentrazione di gas. Inoltre, poiché la barriera alla diffusione è una barriera fisica/meccanica, il rilevatore tendeva ad essere più stabile e affidabile per tutta la durata del sensore e quindi richiedeva meno manutenzione rispetto ad altre tecnologie di rilevamento precedenti.

Tuttavia, i sensori sono soggetti a elementi corrosivi o contaminazione chimica e possono durare solo 1-2 anni prima che sia necessaria la sostituzione. I rilevatori di gas elettrochimici sono utilizzati in un'ampia varietà di ambienti come raffinerie, turbine a gas, impianti chimici, impianti di stoccaggio di gas sotterranei e altro ancora.

Perla catalitica (pellistor)

I sensori a sfere catalitiche sono comunemente usati per misurare i gas combustibili che presentano un rischio di esplosione quando le concentrazioni sono comprese tra il limite di esplosione inferiore (LEL) e il limite di esplosione superiore (UEL). Le sfere attive e di riferimento contenenti bobine di filo di platino sono situate su bracci opposti di un circuito a ponte di Wheatstone e riscaldate elettricamente, fino a poche centinaia di gradi C. La sfera attiva contiene un catalizzatore che consente ai composti combustibili di ossidarsi, riscaldando ulteriormente la sfera e cambiando la sua resistenza elettrica. La differenza di tensione risultante tra le sfere attive e passive è proporzionale alla concentrazione di tutti i gas e vapori combustibili presenti. Il gas campionato entra nel sensore attraverso una fritta metallica sinterizzata, che fornisce una barriera per prevenire un'esplosione quando lo strumento viene trasportato in un'atmosfera contenente gas combustibili. I pellistori misurano essenzialmente tutti i gas combustibili, ma sono più sensibili alle molecole più piccole che si diffondono più rapidamente attraverso la sinterizzazione. Gli intervalli di concentrazione misurabili sono in genere da poche centinaia di ppm a qualche percentuale in volume. Tali sensori sono economici e robusti, ma richiedono una minima percentuale di ossigeno nell'atmosfera per essere testati e possono essere avvelenati o inibiti da composti come siliconi, acidi minerali, composti organici clorurati e composti di zolfo.

Fotoionizzazione

Articolo principale: rilevatore di fotoionizzazione

I rivelatori a fotoionizzazione (PID) utilizzano una lampada UV ad alta energia fotonica per ionizzare le sostanze chimiche nel gas campionato. Se il composto ha un'energia di ionizzazione inferiore a quella dei fotoni della lampada, verrà espulso un elettrone e la corrente risultante è proporzionale alla concentrazione del composto. Le comuni energie dei fotoni delle lampade includono 10,0 eV , 10,6 eV e 11,7 eV; la lampada standard da 10,6 eV dura anni, mentre la lampada da 11,7 eV in genere dura solo pochi mesi e viene utilizzata solo quando non sono disponibili altre opzioni. È possibile rilevare un'ampia gamma di composti a livelli che vanno da pochi ppb a diverse migliaia di ppm. Le classi di composti rilevabili in ordine di sensibilità decrescente includono: aromatici e ioduri alchilici; olefine, composti solforati, ammine, chetoni, eteri, bromuri alchilici ed esteri di silicato; esteri organici, alcoli, aldeidi e alcani; H 2 S, NH 3 , PH 3 e acidi organici. Non c'è risposta ai componenti standard dell'aria o agli acidi minerali. I principali vantaggi dei PID sono la loro eccellente sensibilità e semplicità d'uso; il limite principale è che le misurazioni non sono specifiche del composto. Recentemente sono stati introdotti PID con tubi pre-filtro che migliorano la specificità per composti come il benzene o il butadiene . I PID fissi, portatili e in miniatura con clip per indumenti sono ampiamente utilizzati per l'igiene industriale, i materiali pericolosi e il monitoraggio ambientale.

Punto infrarossi

Articolo principale: sensore puntiforme a infrarossi

I sensori puntiformi a infrarossi (IR) utilizzano la radiazione che passa attraverso un volume noto di gas; l'energia del raggio del sensore viene assorbita a determinate lunghezze d'onda, a seconda delle proprietà del gas specifico. Ad esempio, il monossido di carbonio assorbe lunghezze d'onda di circa 4,2-4,5 μm. L'energia in questa lunghezza d'onda viene confrontata con una lunghezza d'onda al di fuori dell'intervallo di assorbimento; la differenza di energia tra queste due lunghezze d'onda è proporzionale alla concentrazione di gas presente.

Questo tipo di sensore è vantaggioso perché non deve essere inserito nel gas per rilevarlo e può essere utilizzato per il telerilevamento . I sensori puntiformi a infrarossi possono essere utilizzati per rilevare idrocarburi e altri gas attivi a infrarossi come vapore acqueo e anidride carbonica . I sensori IR si trovano comunemente in impianti di trattamento delle acque reflue, raffinerie, turbine a gas, impianti chimici e altri impianti in cui sono presenti gas infiammabili ed esiste la possibilità di un'esplosione. La capacità di telerilevamento consente di monitorare grandi volumi di spazio.

Le emissioni del motore sono un'altra area in cui vengono studiati i sensori IR. Il sensore rileverebbe alti livelli di monossido di carbonio o altri gas anomali nello scarico dei veicoli e sarebbe persino integrato con i sistemi elettronici del veicolo per avvisare i conducenti.

Imaging a infrarossi

Articolo principale: fotocamera termografica

I sensori di immagini a infrarossi includono sistemi attivi e passivi. Per il rilevamento attivo, i sensori di imaging IR in genere scansionano un laser attraverso il campo visivo di una scena e cercano la luce retrodiffusa alla lunghezza d'onda della linea di assorbimento di un gas target specifico. I sensori di imaging IR passivi misurano i cambiamenti spettrali in corrispondenza di ciascun pixel in un'immagine e cercano firme spettrali specifiche che indicano la presenza di gas target. I tipi di composti che possono essere ripresi sono gli stessi di quelli che possono essere rilevati con rivelatori puntiformi a infrarossi, ma le immagini possono essere utili per identificare la fonte di un gas.

Semiconduttore

I sensori a semiconduttore , noti anche come sensori a semiconduttore a ossido di metallo (sensori MOS), rilevano i gas mediante una reazione chimica che avviene quando il gas entra in contatto diretto con il sensore. Il biossido di stagno è il materiale più comune utilizzato nei sensori a semiconduttore e la resistenza elettrica nel sensore diminuisce quando viene a contatto con il gas monitorato. La resistenza del biossido di stagno è tipicamente di circa 50 kΩ in aria ma può scendere a circa 3,5 kΩ in presenza di 1% di metano. Questa variazione di resistenza viene utilizzata per calcolare la concentrazione di gas. I sensori a semiconduttore sono comunemente usati per rilevare idrogeno, ossigeno, vapori di alcol e gas nocivi come il monossido di carbonio. Uno degli usi più comuni dei sensori a semiconduttore è nei sensori di monossido di carbonio. Sono utilizzati anche negli etilometri . Poiché il sensore deve entrare in contatto con il gas per rilevarlo, i sensori a semiconduttore funzionano su una distanza inferiore rispetto ai rilevatori a infrarossi oa ultrasuoni.

I sensori MOS possono rilevare diversi gas, come monossido di carbonio, anidride solforosa , acido solfidrico e ammoniaca . Dagli anni '90, i sensori MOS sono diventati importanti rilevatori di gas ambientali. I sensori MOS sebbene molto versatili, soffrono del problema della sensibilità incrociata con l'umidità. La causa di tale comportamento è stata attribuita all'interazione degli ioni ossidrile con la superficie dell'ossido. Sono stati fatti tentativi per ridurre tale interferenza utilizzando ottimizzazioni algoritmiche.

Ultrasonico

I rilevatori di fughe di gas ad ultrasuoni non sono rilevatori di gas di per sé. Rilevano l'emissione acustica creata quando un gas in pressione si espande in un'area a bassa pressione attraverso un piccolo orifizio (la perdita). Usano sensori acustici per rilevare i cambiamenti nel rumore di fondo del suo ambiente. Poiché la maggior parte delle fughe di gas ad alta pressione genera suoni nell'intervallo ultrasonico da 25 kHz a 10 MHz, i sensori sono in grado di distinguere facilmente queste frequenze dal rumore acustico di fondo che si verifica nell'intervallo udibile da 20 Hz a 20 kHz. Il rilevatore di fughe di gas a ultrasuoni produce quindi un allarme quando si verifica una deviazione ultrasonica dalla normale condizione del rumore di fondo. I rilevatori di perdite di gas a ultrasuoni non possono misurare la concentrazione di gas, ma il dispositivo è in grado di determinare la velocità di fuga di un gas in fuga perché il livello del suono ultrasonico dipende dalla pressione del gas e dalle dimensioni della perdita.

I rilevatori di gas a ultrasuoni sono utilizzati principalmente per il rilevamento a distanza in ambienti esterni in cui le condizioni meteorologiche possono facilmente dissipare il gas in fuga prima di consentirgli di raggiungere i rilevatori di perdite che richiedono il contatto con il gas per rilevarlo e attivare un allarme. Questi rilevatori si trovano comunemente su piattaforme petrolifere/gas offshore e onshore, stazioni di misurazione e compressione del gas, centrali elettriche con turbine a gas e altre strutture che ospitano molte condotte all'aperto.

Olografico

I sensori di gas olografici utilizzano la riflessione della luce per rilevare i cambiamenti in una matrice di pellicola polimerica contenente un ologramma. Poiché gli ologrammi riflettono la luce a determinate lunghezze d'onda, un cambiamento nella loro composizione può generare un riflesso colorato che indica la presenza di una molecola di gas. Tuttavia, i sensori olografici richiedono fonti di illuminazione come luce bianca o laser e un osservatore o rilevatore CCD .

Calibrazione

Tutti i rilevatori di gas devono essere calibrati secondo un programma. Dei due fattori di forma dei rilevatori di gas, i portatili devono essere calibrati più frequentemente a causa dei regolari cambiamenti nell'ambiente che subiscono. Un tipico programma di calibrazione per un sistema fisso può essere trimestrale, semestrale o anche annuale con unità più robuste. Un tipico programma di calibrazione per un rilevatore di gas portatile è un "bump test" giornaliero accompagnato da una calibrazione mensile. Quasi tutti i rilevatori di gas portatili richiedono un gas di calibrazione specifico Negli Stati Uniti, l' Occupational Safety and Health Administration (OSHA) può stabilire standard minimi per la ricalibrazione periodica.

Prova di sfida (ad impatto)

Poiché un rilevatore di gas viene utilizzato per la sicurezza dei dipendenti/lavoratori, è molto importante assicurarsi che funzioni secondo le specifiche del produttore. Gli standard australiani specificano che si consiglia vivamente a una persona che utilizza un rilevatore di gas di controllare le prestazioni del rilevatore di gas ogni giorno e di mantenerlo e utilizzarlo in conformità con le istruzioni e le avvertenze del produttore.

Un challenge test dovrebbe consistere nell'esporre il rilevatore di gas a una concentrazione nota di gas per garantire che il rilevatore di gas risponda e che gli allarmi acustici e visivi si attivino. È anche importante ispezionare il rilevatore di gas per eventuali danni accidentali o intenzionali controllando che l'alloggiamento e le viti siano intatti per impedire l'ingresso di liquidi e che il filtro sia pulito, tutti fattori che possono influire sulla funzionalità del rilevatore di gas. Il kit di calibrazione di base o challenge test consisterà in gas di calibrazione /regolatore/tappo e tubo di calibrazione (generalmente forniti con il rilevatore di gas) e una custodia per la conservazione e il trasporto. Poiché 1 strumento su 2.500 non testato non risponde a una concentrazione pericolosa di gas, molte grandi aziende utilizzano una stazione di test/calibrazione automatizzata per i bump test e calibrano quotidianamente i propri rilevatori di gas.

Concentrazione di ossigeno

I rilevatori di gas per carenza di ossigeno vengono utilizzati per la sicurezza dei dipendenti e della forza lavoro. Le sostanze criogeniche come l'azoto liquido (LN2), l' elio liquido (He) e l' argon liquido (Ar) sono inerti e possono spostare l'ossigeno (O 2 ) in uno spazio ristretto se è presente una perdita. Una rapida diminuzione dell'ossigeno può fornire un ambiente molto pericoloso per i dipendenti, che potrebbero non notare questo problema prima di perdere improvvisamente conoscenza. Con questo in mente, è importante avere un monitor del gas di ossigeno quando è presente la criogenia. I laboratori, le sale per la risonanza magnetica , i fornitori farmaceutici, di semiconduttori e criogenici sono gli utenti tipici dei monitor dell'ossigeno.

La frazione di ossigeno in un gas respirabile viene misurata da sensori di ossigeno elettro-galvanici . Possono essere usati da soli, ad esempio per determinare la proporzione di ossigeno in una miscela nitrox usata nelle immersioni subacquee , o come parte di un circuito di feedback che mantiene una pressione parziale costante di ossigeno in un rebreather .

Ammoniaca

L' ammoniaca gassosa viene continuamente monitorata nei processi di refrigerazione industriale e nei processi di degradazione biologica, compreso il respiro esalato. A seconda della sensibilità richiesta, vengono utilizzati diversi tipi di sensori (es. rivelatore a ionizzazione di fiamma , a semiconduttore, elettrochimico, a membrana fotonica). I rilevatori di solito funzionano vicino al limite di esposizione inferiore di 25 ppm; tuttavia, il rilevamento dell'ammoniaca per la sicurezza industriale richiede un monitoraggio continuo al di sopra del limite di esposizione fatale dello 0,1%.

Combustibile

Altro

Sicurezza domestica

Esistono diversi sensori che possono essere installati per rilevare gas pericolosi in una residenza. Il monossido di carbonio è un gas molto pericoloso, ma inodore e incolore, che rende difficile il rilevamento da parte dell'uomo. I rilevatori di monossido di carbonio possono essere acquistati per circa US $ 20-60. Molte giurisdizioni locali negli Stati Uniti ora richiedono l'installazione di rilevatori di monossido di carbonio oltre ai rilevatori di fumo nelle residenze.

I rilevatori portatili di gas infiammabili possono essere utilizzati per tracciare perdite da linee di gas naturale, serbatoi di propano, serbatoi di butano o qualsiasi altro gas combustibile. Questi sensori possono essere acquistati per 35–100 USD.

Ricerca

La Comunità Europea ha sostenuto la ricerca denominata progetto MINIGAS che è stata coordinata dal VTT Technical Research Centre of Finland. Questo progetto di ricerca mira a sviluppare nuovi tipi di sensori di gas basati sulla fotonica e a supportare la creazione di strumenti più piccoli con velocità e sensibilità uguali o superiori rispetto ai rilevatori di gas convenzionali di laboratorio.

Guarda anche

Riferimenti

  • Breuer, W, Becker, W, Deprez, J, Drope, E, Schmauch, H . (1979) Brevetto degli Stati Uniti 4141800: Rilevatore di gas elettrochimico e metodo di utilizzo dello stesso. Estratto il 27 febbraio 2010 da http://www.freepatentsonline.com/4141800.html
  • Muda, R (2009). "Simulazione e misurazione delle emissioni di scarico di anidride carbonica utilizzando un sensore puntiforme a medio infrarosso basato su fibra ottica". Journal of Optics A: ottica pura e applicata . 11 (1): 054013. doi : 10.1088/1464-4258/11/5/054013 .
  • Sensore Figaro. (2003). Informazioni generali per i sensori TGS. Estratto il 28 febbraio 2010 da http://www.figarosensor.com/products/general.pdf
  • Vitz, E (1995). "Sensori di gas a semiconduttore come rivelatori GC e 'Breathalyzers ' ". Giornale di educazione chimica . 72 (10): 920. doi : 10.1021/ed072p920 .

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