Wstęp do systemów detekcji gazowej

Transkrypt

1 Wstęp do systemów detekcji gazowej

2 Czym są substancje gazowe? STL Substancja o temperaturze powyżej swojej temperatury wrzenia, nazywana jest gazem. W odniesieniu do środowiska ludzkiego (normalnych warunków), gazem jest każda substancja o temperaturze wrzenia powyżej 20 C przy normalnym ciśnieniu. Najlżejszym gazem jest wodór (H 2, 14x lżejszy od powietrza), najcięższym (około 10x cięższym od powietrza) jest sześciofluorek wolframu (WF 6 ). W normalnych warunkach, 1 cm 3 gazu zawiera około cząsteczek. Średnia odległość pomiędzy każdą z tych cząsteczek to jedynie około 3 nanometrów. Roją się one w przestrzeni z prędkością od 100 do 1000 metrów na sekundę i zderzają z innymi cząsteczkami jakiś miliard razy na sekundę, co oznacza, iż pomiędzy dwoma zderzeniami pokonać mogą jedynie około 50 do 100 nanometrów. Przy każdym zderzeniu zmieniają kierunek lotu i przenoszą energię na partnera kolizji. To całkowicie losowy ruch cząsteczek, który można makroskopicznie zmierzyć jako temperaturę (średnią energię kinetyczną wszystkich cząsteczek), ciśnienie (średni pęd wszystkich cząsteczek uderzających powierzchnię) lub rozszerzenie (objętość). Ciśnienie, temperatura i objętość pozostają matematycznie w ścisłym związku, który w warunkach idealnych jest zgodny z modelem gazu doskonałego: przy stałym ciśnieniu objętość gazu zmienia się proporcjonalnie do temperatury np. rozszerza się przy podgrzaniu przy stałej objętości (gaz w zamkniętym zbiorniku) ciśnienie zmienia się proporcjonalnie do temperatury np. ciśnienie wewnętrzne zbiornika zamkniętego zwiększy się przy podgrzaniu przy stałej temperaturze ciśnienie zmienia się proporcjonalnie do objętości np. ciśnienie wewnętrzne zwiększy się przy sprężeniu gazu. Niezwykle szybki i losowy ruch cząsteczek gazowych, jest również przyczyną łatwego mieszania gazów oraz faktu, iż gazy nigdy od siebie się nie rozdzielają. Z tej samej właściwości wynika także ruch cząsteczek w kierunku niższych stężeń (dyfuzja), co odgrywa ważną rolę w zasadzie pomiarowej sensorów gazowych. Zwykle procesy dyfuzji są ogólnie tym szybsze, im szybszy ruch cząsteczek (im gorętszy gaz) i im niższa masa molowa (im lżejszy gaz). Czym są substancje gazowe?

3 Pary? Dlaczego nie gazy? STL W odróżnieniu od gazów których być może jedynie 200 lub 300 prawidłowym terminem dla gazowego stanu skupienia materii poniżej temperatury wrzenia jest para. Para zwykle istnieje w równowadze ze swoją fazą płynną (czasami również stałą), kondensuje i paruje w zależności od temperatury. Zachowanie to można najlepiej zaobserwować na przykładzie wody: schłodzenie wilgotnego powietrza w nocy powoduje mgłę (kondensację), ciepło porannego słońca ponownie ją rozprasza (parowanie). W zamkniętym zbiorniku, maksymalne stężenie par występuje zawsze ponad powierzchnią cieczy, zaś jego wartość jest zależna od temperatury cieczy. Z mikroskopijnego punktu widzenia, para tworzona jest losowym ruchem cząsteczek cieczy i ich zdolnością przezwyciężenia napięcia powierzchniowego oraz mieszania się z cząsteczkami powietrza. Każda ciecz posiada charakterystyczną prężność pary, zależną wyłącznie od temperatury danej cieczy. Prężność ta jest równa ciśnieniu atmosferycznemu, gdy ciecz osiąga temperaturę wrzenia. Wykres tej zależności nazywany jest krzywą prężności pary i umożliwia określenie maksymalnego możliwego stężenia pary przy danej temperaturze. Krzywa prężności pary ciekłego n-heksanu ST e C Ilorazem maksymalnej możliwej prężności pary i ciśnienia otaczającego, jest stężenie nasycenia mierzone w % obj. Przykład: dla n-heksanu w temperaturze 20 C (prężność pary 162 mbar) przy ciśnieniu otaczającym 1000 mbar, maksymalnym możliwym stężeniem n-heksanu jest 16,2% obj. Pary? Dlaczego nie gazy?

4 Nasza atmosfera Nasza atmosfera rozciąga się daleko w kosmos, jednocześnie stale zmniejszając swój ciężar właściwy. Niebieski kolor nieba spowodowany jest rozpraszaniem światła słonecznego przez cząsteczki powietrza (głównie azot i tlen), zaś jego kolor jest czarny na wysokości około 21km. Przy sprężeniu całej atmosfery do ciśnienia stałego o wartości około 1bar, jej wysokość wynosiłaby 8km i pochłaniająca promieniowanie UV stratosferyczna warstwa ozonowa miałaby tylko 3mm grubości. Typowy skład atmosfery ziemskiej w ppm: Skład Gaz suchy wilgotny Gazy główne N 2 - Azot O 2 - Tlen H 2 O - Para wodna Ar - Argon CO 2 - Dwutlenek węgla Gazy śladowe Ne - Neon He - Hel 5 5 CH 4 - Metan Kr - Krypton H 2 - Wodór N 2 O - Tlenek azotu CO - Tlenek węgla Xe - Ksenon O 3 - Ozon dalsze gazy śladowe Razem % obj. = ppm (= części na milion); przyjęto dla: 68% wilg. wzgl. przy 20 C Masa atmosfery ziemskiej to około kg wywierających napór na powierzchnię ziemi wynoszącą m 2. Dlatego właśnie ciśnienie atmosferyczne to kg/m 2, co odpowiada standardowemu ciśnieniu 1013mbar. Ciśnienie atmosferyczne maleje wraz ze wzrostem wysokości: Wysokość Ciśnienie m 1148 mbar m 1078 mbar 0 m 1013 mbar 500 m 952 mbar 1000 m 900 mbar 1500 m 840 mbar Wysokość Ciśnienie 2000 m 795 mbar 3000 m 701 mbar 4000 m 616 mbar 5000 m 540 mbar 6000 m 472 mbar 8000 m 356 mbar Ponieważ przy niższym ciśnieniu atmosferycznym w danej objętości obecnych jest mniej cząsteczek, sygnał detektorów gazów mierzących ciśnienie cząstkowe jest zawsze zależny od ciśnienia atmosferycznego. Nasza atmosfera

5 Tlen Podczas, gdy azot stanowiący główny składnik naszej atmosfery, tj. 78% obj., jest całkowicie nieczynny (pomimo jego nadmiaru nie może zostać wykorzystany w stanie gazowym przez rośliny, jako niezbędny nawóz), tlen jest bardzo czynny i stanowi podstawę naszego oddychania i istnienia - co więcej: stanowi podstawę procesów życiowych praktycznie każdej istoty. Nasza atmosfera zawiera prawie 21% obj. tlenu. Niedobór tlenu zagraża życiu i nie może zostać wykryty z użyciem zmysłu węchu. Niedobór tlenu jest zwykle spowodowany uwolnieniem gazów nieczynnych wypierających tlen. Ponieważ około jedna piąta atmosfery to tlen, stężenie tlenu redukowane jest jedynie przez jedną piątą stężenia gazu nieczynnego. Przykład: jeśli do atmosfery uwolnione zostanie 10% obj. helu, stężenie tlenu spadnie jedynie o 2% obj. podczas, gdy stężenie azotu ulegnie redukcji o 8% obj. Przemysłowe użycie ciekłego azotu (-196 C) w wielkich ilościach, może spowodować niebezpieczny niedobór tlenu w wyniku wycieków i nagłego parowania. Nadmierne stężenia tlenu (np. powyżej 25% obj.) nie są wyczuwane przez ludzi i mają poważne konsekwencje w odniesieniu do palności materiałów - mogą nawet spowodować samozapłon. Dlatego środki ochrony przeciwwybuchowej dotyczą jedynie stężeń tlenu atmosferycznego. Kiedy pojawia się niebezpieczeństwo? Stężenie tlenu w % obj. Ciśnienie cząstkowe tlenu w mbar Symptomy poniżej 17 poniżej 170 Niebezpieczne tendencje spowodowane niedoborem tlenu 11 do do 140 Niezauważalny spadek zdolności fizycznych i umysłowych 8 do do 110 Możliwość nagłej utraty przytomności bez ostrzeżenia, po pewnym okresie ekspozycji 6 do 8 60 do 80 Utrata przytomności w ciągu kilku minut, reanimacja możliwa, jeśli przeprowadzona natychmiast poniżej 6 poniżej 60 Nagła utrata przytomności Tlen

6 Ex - Ox - Tox... Niebezpieczeństwo! ST Gazy i pary są praktycznie zawsze niebezpieczne! Jeśli gazy nie występują w znanym i nadającym się do oddychania składzie, bezpieczeństwo oddechowe jest już zagrożone. Co więcej: wszystkie gazy są potencjalnie niebezpieczne. Bez znaczenia czy skroplone, sprężone lub w zwykłej fazie - to ich stężenie ma kluczowe znaczenie. Istnieją trzy główne kategorie zagrożeń: - Ex Zagrożenie wybuchem gazami palnymi i wybuchowymi - Ox Tlen Zagrożenie zamartwicą z powodu wyparcia tlenu Zagrożenie zwiększoną palnością z powodu podwyższonego stężenia tlenu - Tox Zagrożenie zatruciem gazami toksycznymi Bez narzędzi pomocniczych, ludzie nie są w stanie rozpoznać tych zagrożeń wystarczająco wcześnie, do zainicjowania odpowiednich środków zaradczych. Poza kilkoma wyjątkami, nasze nosy okazują się być niezwykle zawodnym urządzeniem ostrzegawczym. Przykład: niskie stężenia siarkowodoru można wyczuć dzięki znanemu zapachowi zepsutych jajek, ale nasze nosy nie mogą wykryć śmiertelnie wysokich stężeń. Ucieczka w strefę uznaną za bezpieczną z powodu braku zapachu, była przyczyną wielu tragicznych wypadków. Nawet nieszkodliwe gazy takie jak argon, hel lub azot, mogą okazać się niebezpieczne, gdy nagłe uwolnienie tychże gazów wypiera niezbędny dla życia tlen. W takich sytuacjach istnieje zagrożenie uduszeniem. Stężenia tlenu poniżej 6% obj. są śmiertelne. Nadmiar tlenu zwiększa zagrożenia pożarowe i może nawet spowodować samozapłon materiałów palnych. W wypadku zapalenia, gazy i pary palne powodują nie tylko znaczne straty majątku oraz własności, mogą także zagrozić życiu ludzkiemu. Niezbędnym jest więc niezawodna detekcja zagrożeń Ex, Ox i Tox, jak również przedsięwzięcie odpowiednich kroków mających na celu ochronę życia ludzkiego, majątku i środowiska. - Do tego właśnie są wymagane detektory gazowe - Do tego właśnie wymagane są systemy detekcji gazowej Ex - Ox - Tox... Niebezpieczeństwo!

7 Gazy i pary toksyczne Toksyczność gazów i par używanych w procesach przemysłowych, rozstrzygana jest z użyciem eksperymentów laboratoryjnych, podczas których określany jest współczynnik LC 50. W oparciu o te badania oraz dodatkowe badania naukowe i BHP przeprowadzane także z niższymi stężeniami, autoryzowane komisje tworzą zalecenia dotyczące progowych wartości granicznych (najwyższych dopuszczalnych stężeń), które powinny obowiązywać. Wspomniane progowe wartości graniczne określane są tak, aby pracownik nie został poszkodowany pod warunkiem, iż na przestrzeni całej kariery zawodowej nie będą wdychanie wyższe stężenia gazowe niż określona progowa wartość graniczna trzeba to jednak zagwarantować! Stężenia wartości granicznych obejmują zakres siedmiu wielkości: wartość graniczna substancja reprezentatywna z wartością graniczną 5000 ppm Dwutlenek węgla 1000 ppm Propan, butan 500 ppm Aceton 200 ppm Metyloetyloketon (MEK) 100 ppm Butanol 50 ppm n-heksan, toluen 20 ppm Acetonitryl 10 ppm Chlorobenzen 5 ppm Dietyloamina 1 ppm 1,1,2,2-Tetrachloroetan 500 ppb Chlor 200 ppb Chloromrówczan metylu 100 ppb Ditlenek chloru 50 ppb Dekaboran 20 ppb Fosgen 10 ppb Izocyjanian metylu 5 ppb MDI (Metylenodifenylo diizocyjanian) T+ silnie toksyczne LC 50 < 0,5 g/m 3 Arsenowodór, brom, chlorek boru, cyjanowodór, czterofluorek siarki, diboran, dwutlenek azotu, fluor, fluorek boru, fluorowodór, fosforowodór, fosgen, ozon, siarkowodór, sześciofluorek wolframu, tlenek azotu T toksyczne LC 50 = 0,5... 2,0 g/m 3 Acetonitryl, amoniak, benzen, bromek metylu, chlor, chlorowodór, cyjan, dwusiarczek węgla, dwutlenek siarki, metanol, tlenek węgla, trifluorek azotu LC 50 (LC jest skrótem od lethal concentration - ang. stężenie śmiertelne ) odzwierciedla stężenie gazu w powietrzu, które spowoduje śmierć 50% zwierząt laboratoryjnych (głównie myszy lub szczurów), gdy wdychane jest przez pewien okres czasu (zwykle cztery godziny). Gazy i pary toksyczne

8 Gazy i pary palne Gazy palne: im niższa dolna granica wybuchowości (DGW), tym bardziej są niebezpieczne. Pary palne: im niższa temperatura, tym bardziej są niebezpieczne. Temperatura zapłonu określana jest zależną od temperatury prężnością pary danej cieczy i DGW. Para Aceton Akrylan n-butylu Akrylonitryl Benzen n-butanol Chlorobenzen Cykloheksan Cyklopentan 1,2-Dichloroetan(EDC) 1,4-Dioksan Epichlorohydryna Etanol Eter dietylowy Etylobenzen Izopropanol (IPA) Ksylen(miesz. izomerów) Metakrylan metylu Metanol 1-Metoksy-2-propanol Metyloetyloketon (MEK) n-heksan n-nonan n-oktan n-pentan Octan etylu Octan n-butylu Styren Tetrahydrofuran (THF) Tlenek propylenu Toluen DGW % obj. DGW g/m 3 Temp. zapłonu w C Prężność pary przy 20 C w mbar Temp. samozapł. w C 2,5 60,5 < ,2 2,8 1,2 1,7 1,3 1,0 1,4 6,2 1,9 2,3 3,1 1,7 1,0 2,0 1,0 1,7 6,0 1,8 1,5 1,0 0,7 0,8 1,4 2,0 1,2 1,0 1,5 1,9 1,1 64,1 61,9 39,1 52,5 61,0 35,1 40,9 255,7 69,7 88,6 59,5 52,5 44,3 50,1 44,3 70,9 80,0 67,6 45,1 35,9 37,4 38,1 42,1 73,4 58,1 43,4 45,1 46,0 42, Gaz DGW w % obj. DGW g/m 3 Temp. samozapł. w C Acetylene 2,3 24,9 305 Amoniak 15,4 109, ,3-Butadien 1,4 31,6 415 i-butan 1,5 36,3 460 n-butan 1,4 33,9 365 n-buten (Butylen) 1,2 28,1 360 Chlorek metylu 7,6 159,9 625 Eten (Etylen) 2,4 28,1 440 Eter dimetylowy 2,7 51,9 240 Metan 4,4 29,3 595 Propan 1,7 31,2 470 Propen (propylen) 1,8 31,6 485 Tlenek etylenu 2,6 47,8 435 Wodór 4,0 3,3 560 Jedynie ciecze palne posiadają temperaturę zapłonu Zgodnie z definicją, nie ma temperatur zapłonu dla gazów palnych. Gazy i pary palne

9 DGW i prewentywna ochrona przeciwwybuchowa Gazy i pary palne mogą tworzyć mieszanki palne przy połączeniu z powietrzem tylko wtedy, gdy proporcja gazu palnego i tlenu (lub powietrza) mieści się w pewnych granicach. Dolna granica wybuchowości (DGW) definiowana jest jako stężenie gazu palnego (podane w % obj.) w palnej mieszance gaz-powietrze, które może ulec zapłonowi w standardowych warunkach i będzie dalej płonąć. DGW wszystkich znanych gazów i par palnych mieści się w zakresie od około 0,5 do 15% obj. Przykład: DGW mieszanki wodór-powietrze to 4% obj. - gaz testowy lub kalibracyjny ze stężeniem 2% obj. wodoru w powietrzu, nie może ulec zapłonowi. Ograniczanie stężeń Zachowanie to ma kluczowe znaczenie dla ochrony przeciwwybuchowej: jeśli gaz palny nie może ulec zapłonowi poniżej stężenia DGW, 11.0 % obj % obj % obj. 9.5 % obj. 9.0 % obj. 8.5 % obj. 8.0 % obj. 7.5 % obj. 7.0 % obj. 6.5 % obj. Tlenek węgla Kwas mrówkowy 1,2-Dichloroetylen Bromek metylu 1,1,1-Trichloroetan Chlorometan Chlorek acetylu Formaldehyd 1,1-Dichloroetylen istnieje możliwość zastosowania ochrony przeciwwybuchowej przez nieprzerwane monitorowanie stężenia gazu i podejmowanie odpowiednich kroków gwarantujących, iż - na przykład - nie zostanie nigdy przekroczona wartość połowy DGW (=50% DGW). Takie metody aktywnej ochrony przeciwwybuchowej określane są często mianem pierwotnych środków ochrony: umożliwiają niezawodne zapobieganie tworzeniu, lecz nie zapłonowi, potencjalnie wybuchowych atmosfer. Preferowaną metodą przeprowadzania pomiarów stężenia w tymże celu, jest zastosowanie sensorów podczerwonych lub katalitycznych, zgodnych z ustandaryzowanymi wymaganiami bezpieczeństwa, jak również do tego celu dopuszczonych. 6.0 % obj. 5.5 % obj. 5.0 % obj. 4.5 % obj. 4.0 % obj. 3.5 % obj. 3.0 % obj. 2.5 % obj. 2.0 % obj. 1.5 % obj. 1.0 % obj. 0.5 % obj. 1,2-Dichloroetan Metanol 1,1-Dichloroetan Cyjanowodór Metyloamina Hydrazyna Metan Wodór Chlorek winylu Etyloamina Etanol Acetonitryl Akrylonitryl Eter dimetylowy Eten Dimetyloformamid i-propanol Propan i-butan n-butan Octan n-butylu n-heksan n-oktan n-nonan n-dekan DGW i prewentywna ochrona przeciwwybuchowa

10 Temperatura zapłonu cieczy palnych ST Choć mówimy o cieczach palnych, to nie ciecze są palne lecz ich pary. Tylko pary mogą tworzyć mieszanki palne z tlenem atmosferycznym. Zarówno lotność pary, jaki i jej dolna granica wybuchowości (DGW) są czynnikami zagrożenia wybuchowego. Razem opisane są punktem zapłonu. Aby mogło dojść do zapłonu stężenie par nad powierzchnią cieczy musi przekraczać DGW. Ilość generowanych par rozstrzyga czy może dojść do zapłonu odpowiedzialna jest za to prężność pary zależna od temperatury cieczy. W odniesieniu do bezpieczeństwa materiałów palnych, zachowanie to opisane jest temperaturą zapłonu (F): temperatura zapłonu to temperatura, w której wytwarzane jest wystarczająco dużo par do zapłonu mieszanki para-powietrze, z użyciem ustandaryzowanego urządzenia. Przykład: jeśli punkt zapłonu cieczy palnej wynosi powyżej 50 C, ciecz taka nie może ulec zapłonowi przy 30 C. 60 C 50 C 40 C 30 C 20 C 10 C 0 C 10 C 20 C 30 C Cykloheksanol Dimetyloformamid Trimetylobenzen Glikol etylenowy n-butanol n-nonan Chlorobenzen Etylobenzen Octan i-butylu Etanol Metanol Toluen Acetonitryl Octan etylu Metyloetyloketon Cykloheksan n-heksan Alliloamina Nie jest możliwe zapalenie oleju napędowego (F > 55 C) płonącą zapałką, ale możliwe jest zapalenie benzyny (F < -20 C)! Podsumowując: im niższa temperatura zapłonu cieczy palnej, tym bardziej taka ciecz może być niebezpieczna. Ponieważ pary cieczy palnych nie mogą ulec zapłonowi poniżej temperatury zapłonu, zastosowanie prewentywnej ochrony przeciwwybuchowej może mieć miejsce przez wykorzystanie cieczy z temperaturą zapłonu znacznie powyżej temperatury środowiska. Choć jest to powszechną praktyką, gdy ciecze używane są w charakterze rozpuszczalników, istnieje jedna zasadnicza wada: mniej lotne ciecze wymagają większej energii do odparowania. Zgodnie z definicją, gazy nie posiadają punktu zapłonu, ponieważ w normalnych warunkach nie występują w fazie ciekłej. Temperatura zapłonu cieczy palnych

11 ST Systemy detekcji gazowej Urządzenia detekcji gazowej, to produkty techniki bezpieczeństwa używane zwykle do ochrony pracowników i gwarantowania bezpieczeństwa zakładu. Systemy detekcji gazowej przeznaczone są do detekcji niebezpiecznych stężeń gazowych, wzbudzania alarmów oraz jeśli to możliwe aktywacji środków zaradczych zanim staną się zagrożeniem dla pracowników, majątku i środowiska. Ochrona środowiska Kontrola imisji, kontrola zanieczyszczeń Zapewnianie jakości Sterowanie systemem Kontrola procesów, zyskowność Technika bezpieczeństwa Bezpieczeństwo zakładu Ochrona przeciwwybuchowa, zapobieganie zagrożeniom, integralność bezpieczeństwa Bezpieczeństwo w pracy Ochrona osobista, BHP, progowe wartości graniczne Oprzyrządowanie procesów Technika pomiarów gazowych Przyrządy analityczne Twierdzenie: dokładność pomiarów System detekcji gazowej Twierdzenie: niezawodność ostrzeżeń Urządzeniami detekcji gazowej mogą być przenośne (lub półprzenośne) mierniki gazowe lub stacjonarne systemy detekcji gazowej. Bezpieczeństwo obszaru, gdzie potencjalnie wystąpić może zagrożenie gazami i parami, zależy w dużym stopniu od niezawodności systemu detekcji gazowej, szczególnie zaś od jakości użytych sensorów. W odróżnieniu od sensorów urządzeń przenośnych, sensory oraz elektronika systemów stacjonarnych znajdują się w ciągłym użyciu, rok za rokiem, 24 godziny na dobę tak, aby były dostępne w wypadku przypadkowego uwolnienia gazu. Ma to miejsce nawet w ekstremalnych warunkach środowiskowych, np. przy -50 C lub +65 C, przy wysokiej wilgotności względnej lub w suchych atmosferach, w zastosowaniach na świeżym powietrzu, gdzie występuje deszcz, burze i śnieg lub warunkach pustynnych, zakłóceniach elektromagnetycznych lub silnych wibracjach. Co oczywiste, zabezpieczenia przeciwwybuchowe urządzeń nie mogą stanowić problemu, zaś wpływy na wydajność pomiarową muszą być minimalne. Systemy detekcji gazowej

12 Zasada pomiarowa sensorów elektrochemicznych ST Wiele gazów toksycznych reaguje z łatwością i może, w przychylnych warunkach, zmienić swój skład chemiczny na skutek reakcji. Sensor elektrochemiczny to mikroreaktor generujący elektrony - tak, jak bateria - w obecności gazów reaktywnych. Przepływem elektronów jest bardzo niski, lecz możliwy do zmierzenia, prąd elektryczny. Sensor elektrochemiczny składa się z przynajmniej dwóch elektrod (elektrody pomiarowej i przeciwelektrody), które stykają się ze sobą w dwa różne sposoby: z jednej strony przez medium elektroprzewodzące zwane elektrolitem (płyn przewodzący jony), z drugiej strony przez zewnętrzny obwód prądowy (zwykły drut miedziany transportujący elektrony). ST Elektroda pomiarowa Sensor CO, schemat Przeciwelektroda Mikroamperomierz Cząsteczka CO, gaz docelowy, przenika na elektrodę pomiarową Cząsteczka CO 2, produkt reakcji, opuszcza elektrodę pomiarową Cząsteczka H 2 O, składnik elektrolitu H +, jon wodoru z ładunkiem dodatnim (ponieważ brakuje elektronu) O, atom tlenu, agresywny, łapacz elektronów O 2, cząsteczka tlenu, rozkłada się na atomy na przeciwelektrodzie elektron, płynące elektrony mierzone są jako prąd elektryczny Elektrody wyprodukowane są ze specjalnego materiału posiadającego także charakterystykę katalityczną, umożliwiającego zajście reakcji chemicznych w tak zwanej strefie 3-fazowej, gdzie obecny jest gaz, katalizator stały i płynny elektrolit. Tlen łapiący elektrony, niezbędny do zajścia reakcji, pochodzi z powietrza otaczającego. Dalszymi łapaczami elektronów są, np. chlor, fluor, ozon lub dwutlenek azotu. Prąd sensorów używanych dla tychże gazów płynie w przeciwnym kierunku i może zostać zmierzony z użyciem mikroamperomierza. Zasada pomiarowa sensorów elektrochemicznych

13 Sensory elektrochemiczne Sensory elektrochemiczne Dräger umożliwiają detekcję ponad stu różnych gazów i par. W pewnych wypadkach ma miejsce wysoka specyficzność reakcji na gaz docelowy, w innych sensory są typowymi sensorami grup gazowych o czułości na wiele różnych gazów reaktywnych. Sensory elektrochemiczne Dräger są zwykle wyposażone w trzy elektrody: pomiarową, przeciwelektrodę i elektrodę odniesienia. Wydajność pomiarowa sensora zwiększana jest z użyciem mierzonego napięcia wstępnego utrzymywanego na stałym poziomie, z użyciem elektrody odniesienia i elektroniki kontrolnej (tzw. obwód potencjostatyczny). Ponieważ procesy elektrochemiczne są w wielkim stopniu zależne od temperatury i konieczna jest ich kompensacja, wewnątrz sensora znajduje się także element przeznaczony do pomiarów temperatury. Dopiero po załączeniu sensora elektrochemicznego do zewnętrznego obwodu elektrycznego sensora (szczególnie w celu kompensacji termicznej oraz wzmocnienia i kondycjonowania niskiego lub zakłócanego prądu sensora o wartości zaledwie kilku mikroamperów), uzyskujemy prawdziwy detektor gazowy. Istnieje możliwość uzyskania następujących zakresów pomiarowych (regulowanych przez użytkownika np. w Polytron 7000): Gaz Amoniak Chlor Chlorowodór Cyjanowodór Dwutlenek azotu Dwutlenek siarki Fosgen Hydrazyna Nadtlenek wodoru Ozon Pary organiczne Siarkowodór Tlen Tlenek azotu Tlenek węgla Wodorki Wodór Związki kwasowe minimalne odchylenie pełnoskalowe 50 / 300 ppm 1 ppm 20 ppm 10 ppm 5 ppm 5 ppm 0,1 ppm 0,3 ppm 1 / 1000 ppm 0,5 ppm 20 ppm 10 / 100 ppm 5 % obj. 30 ppm 50 / 200 ppm 0,3 ppm 500 ppm 3 ppm Sensor elektrochemiczny ma niewielkie wymagania zasilające, co oznacza możliwość samoistnie bezpiecznego użycia. Oznacza to brak problemów z ciężkimi obudowami odpornymi na działanie płomieni i możliwość łatwej wymiany sensora na miejscu, bez konieczności uzyskiwania zezwolenia na prowadzenie prac, które mogą spowodować zapłon. Sensory elektrochemiczne maksymalne odchylenie pełnoskalowe 200 / 1000 ppm 50 ppm 100 ppm 50 ppm 100 ppm 100 ppm 1 ppm 3 ppm 50 / 7000 ppm 5 ppm 100 / 200 ppm 100 / 1000 ppm 25 / 100 % obj. 200 / 500 ppm 1000 / 5000 ppm 1 / 20 ppm 3000 ppm 30 ppm

14 Zasada pomiarowa sensorów katalitycznych ST W pewnych warunkach, możliwe jest utlenienie gazów oraz par palnych z użyciem tlenu w powietrzu otaczającym, w celu wyzwolenia ciepła reakcji. Osiągane jest to zwykle z użyciem specjalnego, odpowiednio wygrzanego materiału katalitycznego, który nieznacznie zwiększa swoją temperaturę przez ciepło reakcji. Ten nieznaczny wzrost temperatury jest miarą stężenia gazowego. Tak zwane pellistory, to porowate elementy ceramiczne (średnica poniżej 1mm), w których osadzona jest miniaturowa cewka z drutu platynowego. Przez cewkę z drutu platynowego przepływa prąd elektryczny wygrzewający pellistor do temperatury kilkuset stopni Celsjusza. Jeśli pellistor zawiera odpowiedni materiał katalityczny, jego temperatura wzrośnie w obecności gazów palnych, zaś rezystancja cewki z drutu platynowego odpowiednio wzrośnie. Ta właśnie zmiana rezystancji, w porównaniu z rezystancją czystego powietrza, używana jest do uzyskania elektronicznego wyniku pomiarowego. ST CH O 2 Z użyciem tlenu z powietrza absorbowanego przez materiał porowaty i aktywowanego katalizatorem, w gorącym pellistorze ma miejsce utlenianie metanu gazowego. Poza parą wodną i dwutlenkiem węgla reakcja uwalnia możliwe do zmierzenia ciepło reakcji. 2 H 2 O + CO 2 + ciepło reakcji W celu wyeliminowania wszelkich zmian temperatury otoczenia użyty jest drugi, podobny pellistor nie reagujący na gaz przez brak materiału katalitycznego lub zastosowania innej metody hamowania. Zintegrowanie obu pellistorów w obwodzie mostka Wheatstone a, tworzy sensor przeznaczony do detekcji stężeń gazów palnych, który jest w dużym stopniu niezależny od temperatury otoczenia. Zasada pomiarowa sensorów katalitycznych

15 Sensory katalityczne Tylko jeden pellistor nie wystarcza do detekcji gazów i par palnych. W celu kompensacji parametrów środowiskowych (szczególnie temperatury i wilgotności), wymagany jest drugi. W celu uzyskania użytecznego sensora katalitycznego konieczne jest także zabezpieczenie pellistorów przed wybuchami, uzyskiwane z użyciem ognioszczelnej obudowy i krążka spiekanego. Pellistor kompensujący posiada podobną budowę do pellistora aktywnego, nie zawiera jednak materiału katalitycznego, co zapobiega utlenianiu gazu. Przy zmianie temperatury otoczenia nastąpi zmiana rezystancji obu pellistorów, tj. brak zmiany sygnału mostka. Gdy jednak obecny jest gaz, zmieni się wyłącznie rezystancja pellistora aktywnego i wystąpi brak równowagi mostka Wheatstone a. Ponieważ pellistory sensorów katalitycznych wygrzewane są do około 450 C, sensor może stać się źródłem zapłonu, jeśli przekroczona zostanie dolna granica wybuchowości i temperatura samozapłonu gazu jest niższa od 450 C. Zapobiega temu metalowy krążek spiekany: jeśli wewnątrz sensora katalitycznego mieć będzie miejsce zapłon, obudowa sensora stawia opór ciśnieniu wybuchu, zaś płomień schładzany jest poniżej temperatury zapłonu gazu, co gwarantuje ST Pellistor aktywny i kompensujący umieszczane są w hermetyzowanej obudowie ognioszczelnej. Gaz przedostaje się do wnętrza przez krążek spiekany, gdzie ma miejsce jego utlenienie z użyciem pellistora aktywnego. izolację płomienia do wnętrza obudowy sensora. Charakterystykę tę nazywamy hermetyzacją ognioszczelną. Sensory katalityczne używane są z układem elektronicznym zwanym mostkiem Wheatstone a umożliwiającym konwersję bardzo małych zmian rezystancji na możliwe do zmierzenia napięcie. Umieszczenie drugiej połowy mostka Wheatstone a w jednostce sterującej, umożliwia z kolei wykorzystanie bardzo długiego okablowania w celu podłączenia sensora katalitycznego do tychże jednostek sterujących. Okablowanie to jest jednak krótkie, gdy sensor zainstalowany jest w przetworniku pomiarowym. Sensory katalityczne

16 Zasada pomiarowa sensorów podczerwonych Przyglądając się szerokiemu zakresowi gazów i par palnych, zauważyć można, iż większość tych związków składa się z węgla, wodoru, tlenu i czasami azotu. Grupa tych związków organicznych nazywana jest węglowodorami. Węglowodory posiadają właściwości specjalne, które wykorzystać można do podczerwonego pomiaru ich stężeń. Wszystkie gazy pochłaniają promieniowanie w charakterystyczny sposób - niektóre nawet w zakresie widzialnym (0,4 do 0,8 mikrometrów). Dlatego chlor jest zielono-żółty, brom i dwutlenek azotu brązowo-czerwony, jod fioletowy, itd. Kolory te są jednak widoczne jedynie w bardzo wysokich i śmiertelnych stężeniach. Węglowodory pochłaniają promieniowanie w pewnym zakresie długości fal, ok. 3,3 do 3,5 mikrometrów - ponieważ tlen, azot i argon nie pochłaniają promieniowania w tym zakresie, metoda może zostać wykorzystana do pomiarów stężeń węglowodorów w powietrzu. ST intensywność dochodzącej podczerwieni zredukowana intensywność podczerwieni wzbudzona cząsteczka metanu absorbuje energię i wibruje CH 4 + energia CH 4 (wzbudzony) System optyczny zawierający mieszaninę np. metanu lub propanu w powietrzu, wytłumi intensywność przychodzącej podczerwieni w przewidywalny sposób - wytłumienie dla danego gazu zależy wyłącznie od stężenia tegoż gazu. Powietrze: Podczerwień przechodzi bez wytłumienia, intensywność nie ulega redukcji, brak sygnału pomiarowego Gaz: Podczerwień jest wytłumiana, intensywność ulega redukcji, sygnał pomiarowy odpowiada bieżącemu stężeniu gazowemu Zasadą pomiarową podczerwonych urządzeń pomiarowych jest fotometria. Związek pomiędzy zmierzoną redukcją intensywności i stężeniem gazu w systemie optycznym, dostrajany jest podczas procesu kalibracji: określone stężenie gazu jest wtedy powodem zawsze takiej samej redukcji intensywności i, co za tym idzie, sygnału pomiarowego. Większość gazów i par palnych to węglowodory, które praktycznie zawsze można wykryć dzięki ich charakterystycznej absorpcji podczerwieni. Zasada pomiarowa sensorów podczerwonych

17 Podczerwone przetworniki pomiarowe Zasada pomiarowa jest prosta: węglowodory absorbują promieniowanie podczerwone (IR) w zakresie długości fal od 3,3 do 3,5 mikrometrów (μm) w zależności od spektrum absorpcji mierzonego gazu. Wytłumianie promieniowania podczerwonego jest jednak niewielkie i stanowi wyzwanie dla techniki pomiarowej. Niestety redukcja intensywności wystąpić może także z innych powodów, np. zabrudzonej optyki lub redukcji intensywności źródła promieniowania podczerwonego. Źródłem promieniowania sensora podczerwonego jest migająca lampa żarowa obsługiwana niskim napięciem i emitująca w dużym stopniu światło podczerwone. Promieniowanie przenikające przez przezroczyste dla promieniowania podczerwonego okno, jest rozdzielane z użyciem rozdzielacza wiązki: jedna część kierowana jest do detektora pomiarowego, druga do detektora odniesienia. Detektor składa się z hermetyzowanego kryształu piroelektrycznego, konwertującego otrzymywaną energię promieniowania na możliwe do zmierzenia napięcie. Detektory różnią się jednak swoimi filtrami interferencji optycznych: kryształ detektora pomiarowego otrzymuje promieniowanie o długości fal np. 3,4μm, detektor odniesienia np. 4,0μm. Gazy zwykle nie pochłaniają promieniowania 4,0μm, co oznacza, iż w wypadku wykrycia redukcji energii promieniowania przez oba detektory, przyczyną nie są gazy. Użycie detektora odniesienia umożliwia uodpornienie, do pewnego stopnia, pomiarów na zabrudzenie optyki i zastosowanie zabezpieczeń zgłaszających konieczność zastosowania konserwacji prewentywnej. ST Hermetyzacja Źródła IR Rozdzielacz wiązki Okno Reflektor Detektory IR Cząsteczki powietrza i gazu Sensor IR przetwornika Polytron IR typ 340, schemat Przetworniki IR wyposażone są właśnie w takie sensory IR. Sygnał pomiarowy obu detektorów jest kondycjonowany i na koniec udostępniany w postaci sygnału 4-20 ma z wyjścia przetwornika pomiarowego. Przetworniki IR są preferowane w wypadku pomiarów przemysłowych, z powodu długiego okresu użytkowania. W odróżnieniu od sensorów elektrochemicznych i katalitycznych, detektory sensorów IR nie wchodzą w kontakt z gazami pomiarowymi. Jeśli nie występuje kondensacja, której zapobiega podgrzewanie powierzchni, przetworniki IR sprawdzają się tak świetnie, iż znaleźć je można w zwiększającej się liczbie zastosowań przemysłowych. Podczerwone przetworniki pomiarowe

18 Sensory dyfuzyjne ST Wysoka prędkość cząsteczek gazu jest przyczyną szybkiego rozszerzania gazów, jak również mieszania z innymi gazami i nierozdzielania się. Tak długo, jak istnieją różnice stężeń w całej mieszaninie gazów, proces mieszania nie jest kompletny, tj. będzie nadal trwał. Różnice stężeń mogą także pełnić rolę mikropompy. Jeśli różnica stężeń utrzymywana jest na stałym poziomie, istnieje nieprzerwany przepływ cząsteczek w kierunku niższego stężenia efekt ten jest stosowany w wypadku sensorów detekcji gazowej, tzw. sensorów dyfuzyjnych. Sztuczka wygląda następująco: w wypadku sensorów katalitycznych i elektrochemicznych, gaz docelowy zużywany jest w trakcie reakcji chemicznych, bezpośrednio na miejscu tejże reakcji stężenie gazu jest bliskie zeru, znacznie mniejsze niż w obszarze otaczającym, co wytwarza strefę zubożenia. Istnieje więc wymuszona różnica ciśnień i cząsteczki gazu napływają do obszaru reakcji sensora. ST Ilustracja: Ruch cząsteczek nie ustaje do czasu homogenicznego rozproszenia trzech dużych cząsteczek w całej objętości gazu. Po jednolitym rozprowadzeniu ma miejsce zakończenie procesu dyfuzji. Konwekcja w kierunku sensora, dyfuzja do wnętrza sensora Gaz przedostaje się w kierunku sensora dzięki naturalnej konwekcji, przenikanie do jego wnętrza przez krążek spiekany lub filtr pyłowy jest procesem dyfuzyjnym: pory zawierają spokojne powietrze, gdzie konwekcja nie ma miejsca. Należy podkreślić, iż przenikanie nie jest hamowane przez porowatą powierzchnię lecz znajdujące się tam spokojne powietrze. Najlepiej wyjaśnić to na przykładzie: gdyby cząsteczka gazu była wielkości groszku, pory krążka spiekanego lub filtra miałyby średnicę od 100 do 1000 metrów! Sensory dyfuzyjne nie wymagają pompki. Sensory dyfuzyjne

19 Detektory open path Gdy pomyślimy o sensorze podczerwonym z wielokrotnie przedłużoną ścieżką optyczną, myślimy o systemie detekcji gazowej open path (ang. otwarta ścieżka): cząsteczki gazu znajdujące się w ścieżce spowodują możliwą do zmierzenia absorpcję promieniowania IR. Systemy detekcji tego typu posiadają niewidoczną linię detekcji cząsteczek gazowych o długości nawet do 200 metrów. Wynik pomiarowy (odczyt) pomiarów open path jest odrobinę niezwyczajny. Podczas, gdy system optyczny sensora podczerwonego przyjąć można za homogenicznie wypełniony określonym stężeniem gazu, nigdy tak nie jest w wypadku długiej ścieżki pomiarowej. W gruncie rzeczy nie można rozróżnić czy istnieje wysokie stężenie gazu wzdłuż niewielkiego odcinka ścieżki czy też połowa tego samego stężenia wzdłuż dwa razy dłuższego odcinka ścieżki: w obu wypadkach uzyskiwany jest taki sam sygnał pomiarowy, gdyż każda cząsteczka znajdująca się w ścieżce, przyczynia się do uzyskania końcowego sygnału pomiarowego niezależnie od dystrybucji. Jednakże w wypadku zastosowań specjalnych prawdopodobieństwo, iż chmura gazu dryfuje przez otwartą ścieżkę, jest wyższe niż przy detekcji detektorem punktowym. W kategoriach bezpieczeństwa: ma miejsce rezygnacja z normalnych pomiarów stężeń na rzecz wyższego prawdopodobieństwa detekcji. ST Ilustracja: Tak długo, jak chmura gazowa pozostaje w ścieżce detekcji, generowany jest sygnał pomiarowy niezależnie od stopnia rozrzedzenia w powietrzu. Można powiedzieć, iż detektor open path to licznik cząsteczek niezależny od odległości pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami. Podsumowując, detektory open path to raczej wysoce niezawodne wskaźniki zagrożenia gazowego, a nie urządzenia do pomiarów stężeń. W zastosowaniach dotyczących wysoce prawdopodobnego uwolnienia gazów (np. eksploracja złóż gazu ziemnego) informacja o obecności gazu jest uważana za wystarczającą do aktywacji odpowiednich środków zaradczych powiązanych z bezpieczeństwem. Detektory open path

20 Przetworniki pomiarowe 4-20 ma Do detekcji gazu nie wystarcza samodzielny sensor. Konieczne jest elektroniczne kondycjonowanie sygnału pomiarowego (czasami z kompensacją termiczną), wskazywanie lokalne wyników (w celach kalibracyjnych), konfigurowanie zakresów pomiarowych do tych wszystkich celów konieczne jest zasilanie. Na całym świecie przyjęto zasilanie 24V/DC dla przetworników pomiarowych wykorzystywanych do detekcji gazowej, wspomniane napięcie może jednak leżeć w dość szerokim zakresie, np. pomiędzy 16 i 30V. Elektronika przetwornika konwertuje sygnał sensora na wyjście prądowe tak, iż czyste powietrze (punkt zerowy) przy sensorze oznacza prąd o wartości 4mA do jednostki sterującej, a 20mA to wartość dla odchylenia pełnoskalowego. Jeśli zostanie przecięte okablowanie pomiędzy przetwornikiem i jednostką sterującą, nie będzie płynął prąd (natężenie 0mA), jednostka sterująca rozpozna ten stan i aktywuje sygnał alarmu usterki. Ponadto sygnały poniżej 3,8mA lub powyżej 20,5mA nie są interpretowane jako sygnał pomiarowy, ale jako sygnały specjalne sygnalizujące wartości poniżej skali (ujemne wartości pomiarowe) lub ponadzakresowe, jak również specjalne sygnały konserwacyjne. Sygnał 4-20mA to przyjęty na całym świecie standard przemysłowy, w odróżnieniu do sygnałów napięciowych, nie zależy od rezystancji okablowania, posiada niską impedancję (rezystancję) i jest stosunkowo odporny na interferencje elektromagnetyczne. Przetworniki pomiarowe z sensorami elektrochemicznymi charakteryzują się tak niskim poborem mocy, iż możliwa jest ich obsługa z mniej niż 4mA i mogą pobierać, w zależności od stężenia gazu, dodatkowy prąd 4-20mA z zasilania - do zasilania i sygnału pomiarowego wymagane są tylko dwie żyły. Przetworniki z sensorami katalitycznymi lub podczerwonymi posiadają wyższy pobór mocy i wymagają okablowania 3- żyłowego dla zasilania i sygnału. Sygnału 4-20mA można także użyć do superpozycji symetrycznego sygnału z modulowaną częstotliwością ±0,5mA w celu wymiany dodatkowych danych cyfrowych pomiędzy jednostką sterującą i przetwornikiem. Jest to tak zwany sygnał HART używany do adresowania pewnych przetworników z użyciem ich adresu cyfrowego, odpytywania ich sygnału pomiarowego, itp. Kilka przetworników zgodnych z HART może komunikować się z użyciem jednego 2-żyłowego kabla komunikacyjnego. Komunikacja cyfrowa, z użyciem HART lub tzw. interfejsu RS 485 umożliwia klientowi zdalne odpytywanie stanu samopoczucia przetworników i przeprowadzanie profilaktycznych czynności konserwacyjnych w oparciu o te wyniki. Przetworniki pomiarowe 4-20 ma

21 Próbkowanie Istnieje wiele powodów, dla których możemy nie chcieć umieszczenia sensora bezpośrednio w miejscu, gdzie wystąpić może gaz docelowy (gaz, który będzie mierzony). Zastosować można w takim wypadku nieprzerwane próbkowanie o następujących zaletach: gaz można prekondycjonować (np. z użyciem filtrów), osuszyć i złagodzić, możliwe jest zastosowanie pułapki kondensatu, kompensacja zmian ciśnienia oraz aktywowanie dalsze ścieżki próbkowania z użyciem zaworów elektromagnetycznych. Możliwe jest także automatyczne podanie gazu kalibracyjnego lub testowego do sensora. Propagacja stref Podczas poboru próbek ze strefy zagrożenia (zwykle strefa 1), strefa Ex rozprzestrzenia się przez przewód próbkujący do obszaru bezpiecznego. Ponieważ w strefie bezpiecznej brak środków ochrony przeciwwybuchowej, istnieje zagrożenie zapłonem. Można tego uniknąć z użyciem tłumików (przerywaczy) płomieni w przewodzie próbkującym. Przerywacze płomieni nie hamują zapłonu - zapobiegają przeskokowi do strefy zagrożenia. Przewody próbkujące Im mniejszy przekrój przewodu próbkującego, tym wyższy spadek ciśnienia im większy przekrój przewodu, tym dłuższy czas reakcji: średnica wewnętrzna 4mm i tempo przepływu około 1 do 20 litrów na minutę to dobry kompromis. Próbkowanie wstępne Próbkowanie gazu z większej odległości (100 do 150m) zrealizować można z użyciem silnej pompy (10 do 20l/min). Druga, mniejsza pompa (ok. 1l/min) powinna zostać użyta w celu dostarczenia próbki gazu z przewodu próbkowania wstępnego do sensora. Monitorowanie linii próbkującej Biorąc pod uwagę znaczenie bezpieczeństwa, niezbędne jest zdanie sobie sprawy z faktu, iż próbkowanie zwiększa czas reakcji i konieczne jest monitorowanie kompletnej linii próbkującej pod kątem prawidłowej pracy. W tym celu stosowane są zwykle przepływomierze z przełącznikami stykowymi wyzwalającymi alarm w wypadku zablokowania przewodu próbkującego lub awarii pompy. Jeśli wykorzystywane są filtry lub pułapki kondensatu, należy poddawać je regularnej konserwacji. Adsorpcja przez tworzywo i ścianki Tworzywem przewodu próbkującego powinien być PTFE (Teflon), Viton lub stal nierdzewna. W wypadku niektórych gazów ma miejsce adsorpcja na powierzchni tworzywa, co może mieć wpływ na sygnał pomiarowy - szczególne w wypadku pomiarów w zakresie ppm. Próbkowanie

22 Ochrona przeciwwybuchowa W procesach przemysłowych często występują substancje palne, czasami także pyły palne. W takich obszarach istnieje możliwość wyzwolenia gazów i par palnych w związku z procesami (np. przez zawory nadmiarowe), jak również w wyniku nieprzewidzianych wypadków. W celach prewentywnych, strefy szkodliwe określane są obszarami (lub strefami ) Ex, w których możliwe jest użycie wyłącznie odpowiednio dopuszczonego sprzętu wyposażonego w stosowną ochronę przeciwwybuchową Ochrona przeciwwybuchowa regulowana jest na całym Świecie. Podstawa tych standardów wg IEC (międzynarodowych), CENELEC (Europa) i NEC 505 (Ameryka Pł.) jest bardzo podobna i oparta na koncepcji 3-strefowej ostatnio także coraz częściej akceptowanej na terenie USA, Strefa wg IEC, NEC 505 i CENELEC Strefa 0 Strefa 1 Strefa 2 Niebezpieczne atmosfery wybuchowe obecne są... stale, długookresowo lub często okazjonalnie, prawdop. wystąpią nieczęsto i tylko krótkookresowo podczas, gdy dobrze znana amerykańska klasyfikacja ochrony przeciwwybuchowej wg NEC 500 oparta jest na koncepcji 2-działowej : Dział wg NEC 500 Dział 1 Dział 2 Niebezpieczne atmosfery wybuchowe obecne są... prawdopodobnie zaistnieją mało prawdopodobnie zaistnieją Według IEC, NEC 505 i EN istnieje siedem ustandaryzowanych typów ochrony dla sprzętu elektrycznego w strefie 1, podczas, gdy w Ameryce Północnej (USA/ Kanada) wg NEC 500 istnieją trzy typy ochrony przeciwwybuchowej dla działu 1: Typ ochrony wg IEC, NEC 505 i CELENEC Porównywalny typ ochrony wg NEC 500 Zabezpieczone przed wybuchami Obud. zabezp. przed wyb. Hermetyzacja Wypełnianie proszkiem Zanurzanie w oleju Urządzenie pod ciśnieniem Przedmuchiwane/pod ciśnieniem Podwyższone bezpieczeństwo Bezpieczeństwo samoistne Bezpieczny samoistnie Obecnie wypełnianie proszkiem i zanurzanie w oleju są rzadko używane w technikach pomiarowych i sterujących, w detekcji gazowej nie są używane wcale. Urządzenie pod ciśnieniem oznacza stałe przedmuchiwanie np. powietrzem pod ciśnieniem i jest typową ochroną głównych urządzeń i szaf. Ustandaryzowane oznakowanie urządzeń chronionych przed wybuchami, np. Ex de IIC T4 lub Klasa I, Dz. 1, Grupa B, C, D informuje ekspertów o przydatności i zgodności z wyznaczoną strefą zagrożenia. Ochrona przeciwwybuchowa

23 Typ ochrony: bezpieczeństwo samoistne STL Produkty techniki pomiarowej i sterowania o stosunkowo niskim poborze mocy, można zaprojektować w inteligentny sposób w odniesieniu do ochrony przeciwwybuchowej. Inteligentny, gdyż produkt zaprojektowany jest tak, że nawet w wypadku pierwszej lub drugiej usterki zagwarantowane jest, iż nie będzie możliwe powstanie iskrzenia o wystarczającej energii oraz powierzchni o wystarczającej temperaturze i związanego z tym zagrożenia zapłonem. Wyładowania elektryczne muszą posiadać pewną energię minimalną (energię zapłonu), w przeciwnym wypadku nie będą w stanie zapalić najbardziej palnej mieszanki danego gazu palnego z powietrzem z pewnością niemożliwy jest więc zapłon dowolnej innej mieszanki danego gazu w powietrzu. Dla danego gazu temperatura powierzchni elementów elektrycznych lub elektronicznych nie powinna przekroczyć pewnej wartości (temperatury samozapłonu). Tym samym jeśli układy elektroniczne produktu zostały zaprojektowane w odpowiedni sposób i obecna energia elektryczna (tj. czynna moc i indukcyjność), jak również parametry elektryczne (tj. natężenie i napięcie) są ograniczone do pewnych wartości maksymalnych, układ taki nie może stać się źródłem zapłonu i produkt określany jest mianem samoistnie bezpiecznego. Do tego celu przeznaczony jest dość ważny osprzęt: gdy samoistnie bezpieczne układy prądowe prowadzą do strefy zagrożenia, należy je chronić przed zbyt wysoką mocą z użyciem tzw. barier bezpieczeństwa. Bariery bezpieczeństwa zawierają przynajmniej bezpiecznik, rezystory ograniczające natężenie i diody Zenera ograniczające napięcie. Produkty samoistnie bezpieczne oznakowane są z użyciem i. Budowa barier bezpieczeństwa jest zaawansowana, lekka i prosta samoistnie bezpieczne produkty można także konserwować, gdy są zasilane. Umożliwia to odłączanie okablowania i wymiana sensorów bez deklasyfikacji strefy, ponieważ nie jest możliwe wystąpienie iskrzenia i gorących powierzchni. Typ ochrony: bezpieczeństwo samoistne

24 Typ ochrony: obudowa ognioszczelna ST Obudowa ognioszczelna to najstarszy z typów ochrony używany w przemyśle górniczym, od początku ostatniego wieku (oznakowanie d odnosi się do niemieckiego pochodzenia tej metody ochrony przeciwwybuchowej). W porównaniu z samoistnie bezpiecznym typem ochrony, obudowa ogniotrwała jest ciężką i mechaniczną metodą unikania zapłonu w atmosferach wybuchowych: Eksplozja ma po prostu miejsce wewnątrz obudowy i uniemożliwiany jest przeskok. Oznacza to, iż ogniotrwała obudowa ochronna musi być zaprojektowana w taki sposób, aby wytrzymała wewnętrzne ciśnienie wybuchu. Im większa objętość obudowy, tym wyższe możliwe ciśnienie wybuchu i tym bardziej solidna musi być obudowa. Jeśli gazy palne przedostają się do wnętrza obudowy, należy przyjąć, iż nastąpi ich zapłon przez znajdujące się w jej wnętrzu układy elektroniczne (które mogą wytwarzać iskrzenie lub posiadać gorące powierzchnie). Przy zapłonie obudowa wytrzyma ciśnienie wybuchu i wyzwoli je przez posiadające ważną funkcję, zwykle metalowe elementy łącznikowe o pewnej powierzchni minimalnej (z określoną szerokością i długością odstępów): gorące gazy płynące wzdłuż ścieżek zostaną schłodzone poniżej ich temperatury samozapłonu, co stanowi szczególnie efektywny system wygaszania płomieni. W tym ustandaryzowanym typie ochrony, potencjalne płomienie wewnątrz obudowy nie mogą przeskoczyć do strefy zagrożenia. Obudowy ognioszczelne są solidne i ciężkie, nie wolno ich także otwierać, gdy są zasilane. W celach konserwacyjnych wymagane jest uzyskanie zezwolenia na prowadzenie prac pożarowo niebezpiecznych. Połączenia elektryczne urządzeń w obudowach ognioszczelnych możliwe są na trzy sposoby: 1. Rury sztywne: okablowanie elektryczne prowadzone jest wewnątrz zamkniętych, dopuszczonych rur metalowych. Rury są bezpośrednio wkręcone w stożkowy gwint NPT urządzenia. Kompletny system rurowy jest uszczelniony i ognioszczelny. 2. Kabel załączony jest z użyciem dopuszczonego, ognioszczelnego dławika. Wada: ochrona przeciwwybuchowa nie może być zagwarantowana przez producenta, lecz jedynie przez instalatora na miejscu. 3. Okablowanie załączane jest z użyciem dopuszczonej puszki rozdzielczej z podwyższonym bezpieczeństwem ( e ). Typ ochrony: obudowa ognioszczelna

25 ATEX 95 Dyrektywa Europejska 94/9/EG Znana także pod nazwą ATEX 95 (wcześniej: ATEX 100a), obowiązkowa na terenie UE od 1 lipca 2003 i dotycząca producentów. Sprzęt i systemy ochronne do użycia w potencjalnie wybuchowych atmosferach muszą spełniać zasadnicze wymagania bezpieczeństwa i higieny pracy (EHSR), które przyjmuje się za spełnione na podstawie pewnych zharmonizowanych norm. Oznakowanie CE do wolnego handlu na terenie Unii Europejskiej: 0158 Numer jednostki notyfikowanej dotyczący jakości Spełniono wymagania EU Oznakowanie (zgodnie z ATEX): II 2 GD Typy potencjalnie niebezpiecznych atmosfer: G: Gaz, pary; D: pył Kategoria I: Górnictwo, II: inne obszary zastosowania poza górnictwem zgodne z dyrektywą 94/9/EC Ochrona przeciwwybuchowa: Ex ib IIC T4 Klasa termiczna Grupa wybuchowa: I: Górnictwo, II: inne obszary poza górnictwem dla ia, ib, d i n: Podgrupy IIA, IIB i IIC Typ ochrony (tutaj: bezpieczny samoistnie) Sprzęt zabezpieczony przed wybuchami Certyfikat oceny typu WE TPS 04 ATEX 1003X Rok publikacji certyfikatu X: Warunki specjalne U: niekompletny komponent Ex Numer certyfikatu Zgodny z dyrektywą 94/9/EC Jednostka notyfikowana dopuszczająca urządzenie pod względem typu Kategorie urządzeń i wymagania bezpieczeństwa: Grupa urządzeń Kategoria Bezpieczeństwo I (Górnictwo) M1 bardzo wysokie M2 wysokie II (inne obszary poza górnictwem) 1 bardzo wysokie 2 3 wysokie normalne ATEX 95 Dyrektywa Europejska 94/9/EG

26 ATEX 137 Dyrektywa Europejska 1999/92/EG ST Znana także pod nazwą ATEX 137 (wcześniej: ATEX 118a), obowiązkowa w krajach UE od 30 czerwca 2006, skierowana do pracodawców i użytkowników końcowych w kwestii wymagań minimalnych BHP dla pracowników w potencjalnie wybuchowych atmosferach. Definicje stref: Gaz, para Pył Atmosfera wybuchowa strefa 0 strefa 20 nieprzerwanie, długookresowo lub często strefa 1 strefa 2 strefa 21 okazjonalnie, prawdopod. wystąpi strefa 22 nieczęsto i tylko krótkookresowo Wybór sprzętu (tabela jest połączeniem pomiędzy kategorią ATEX 95 i strefami ATEX 137): Użycie dozwolone dla Gaz, para (G) Pył (D) Urządzenia kategorii 1 w strefie 0, 1, 2 w strefie 20, 21, 22 Urządzenia kategorii 2 w strefie 1, 2 w strefie 21, 22 Urządzenia kategorii 3 w strefie 2 w strefie 22 Przykład: w strefie 21, gdzie prawdopodobne jest wystąpienie atmosfer wybuchowych spowodowanych pyłami, używane urządzenia muszą posiadać oznakowanie II 2D lub II 1D. Niezbędne środki: Ocena zagrożenia wybuchem Klasyfikacja obszaru zagrożenia na strefy Oznakowanie miejsc niebezpiecznych trójkątnym znakiem ostrzegawczym Ex Adekwatne środki bezpieczeństwa Dokumentacja ochrony przeciwwybuchowej Kompetencje pracowników Kryteria systemu dopuszczono do pracy w strefach prac niebezpiecznych Wytyczne redukcji ryzyka: Zapobieganie tworzenia atmosfer wybuchowych - lub, jeśli nie jest to możliwe: Unikanie zapłonu atmosfer wybuchowych - lub, jeśli nie jest to możliwe: Minimalizacja szkodliwych efektów wybuchów do akceptowalnego poziomu. ATEX 137 Dyrektywa Europejska 1999/92/EG

27 Poziom integralności bezpieczeństwa SIL Termin integralność bezpieczeństwa i stacjonarne systemy detekcji gazowej nie są zwolnione z trendu klasyfikacji systemów ochronnych z użyciem tzw. poziomu integralności bezpieczeństwa (SIL) w odniesieniu do niezawodności aktywacji środków ochronnych redukujących zagrożenia. - Tam, gdzie istnieje techniczne zagrożenie osób, mienia lub środowiska, niezbędnym jest uzyskanie pewnego stopnia bezpieczeństwa z użyciem środków redukujących zagrożenia. Jeśli środki takie realizowane są automatycznie z użyciem systemów elektrycznych, elektronicznych lub programowalnych, terminem głównym jest bezpieczeństwo funkcjonalne. - Takie systemy, zwane często systemami ochronnymi lub systemami bezpieczeństwa, pełnią funkcję bezpieczeństwa i muszą charakteryzować się odpowiednią niezawodnością w odniesieniu do rzeczywistego zagrożenia. - Systemy takie mogą jednak zawieść w wyniku losowej awarii. Jeśli zawiodą, nie mogą pozostać w stanie niebezpiecznym (zagrażającym) i muszą zostać natychmiast naprawione. Powyższe sugeruje także możliwość wykrycia faktu wystąpienia usterki. - Dużą część możliwych awarii (identyfikowanych z użyciem tzw. FMEDA) wykryć można przez monitorowanie usterek (funkcje diagnostyczne) tak, aby system znajdujący się w stanie możliwej do wykrycia awarii mógł zostać wymuszony do stanu bezpiecznego, zabezpieczonego przed awariami. - Statystycznie procent przypadkowych i niebezpiecznych awarii, których nie można wykryć automatycznie, jest bardzo mały, tzw. usterki DU (usterki niebezpieczne i niemożliwe do wykrycia), choć rzadkie, mogą utrudnić wykonanie funkcji bezpieczeństwa. - W wyniku ustosunkowania prawdopodobieństwa wystąpienia usterek DU (niebezpiecznych i niemożliwych do wykrycia) do wszystkich możliwych usterek, uzyskujemy tzw. wartość Pokrycia Diagnostycznego (DC) i ważną wartość Składowych Awarii Bezpiecznych (SFF). Obie wartości przekraczać muszą pewne wartości procentowe w zależności od indywidualnych wymagań bezpieczeństwa. - Inteligentne koncepcje bezpieczeństwa (szczególnie zastosowanie redundancji), okresowo powtarzane testy sprawności i środki prewencyjne, pozwalają na dodatkowe zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia awarii DU (niebezpiecznych i niemożliwych do wykrycia) - Pozostałe zagrożenie szczątkowe można oszacować statystycznie i sklasyfikować. W wyniku obliczeń otrzymywane są cztery różne poziomy integralności bezpieczeństwa od SIL1 do SIL4, gdzie SIL4 odzwierciedla najwyższy poziom niezawodności. SIL4 nie jest jednak ustanawiany dla systemów detekcji gazowych, zwykle klasyfikowanych jako SIL2 lub, w wypadku użycia rozwiązań redundantnych, SIL3. Poziom integralności bezpieczeństwa SIL