Гетсиз.ру и компания Dräger представляют совместный проект, посвященный портативному газоанализу в промышленности. В серии ежемесячных публикации мы расскажем, как анализ воздуха помогает обеспечить безопасность на предприятии, представим мировые достижения в этой области и дадим рекомендации по подбору оптимальных решений для разных условий.

В двух ближайших выпусках Академии газоанализа Dräger речь пойдет о портативных газоанализаторах. Они, как правило, в первую очередь ассоциируются с контролем воздуха рабочей зоны. Портативный газоанализатор представляет собой небольшой носимый прибор для определения опасных газов. Газоанализатор имеет источник питания и, в отличие от индикаторных трубок, контролирует состояние атмосферы непрерывно в течение рабочей смены, отслеживая одновременно нескольких веществ.

Основной элемент газоанализатора, определяющий с каким газом/ми работает прибор, – это сенсор. Миниатюрное устройство весом в несколько граммов представляет собой микролабораторию, причем автоматическую; все измерения проводятся без участия человека. В газоанализатор устанавливается от одного до пяти сменных сенсоров (газовых ячеек), что позволяет измерять до семи газов одновременно. По принципу действия сенсоры делятся на четыре основных типа: термокаталитические, электрохимические, инфракрасные и фотоионизационные.

Термокаталитические сенсоры

Термокаталитические сенсоры «специализируются» на горючих газах (Ex), таких как метан, пропан, водород, окись углерода и углеводороды. При некоторых условиях они окисляются содержащимся в воздухе кислородом с высвобождением теплоты. Количество этого тепла косвенно определяется содержанием измеряемого газа в воздухе.

Как это работает? В термокаталитическом сенсоре содержаться так называемые пеллИсторы – крошечные пористые керамические бусины диаметром примерно 1 мм, в которые погружена платиновая спираль. По ней проходит электрический ток, нагревающий пеллистор до нескольких сотен градусов Цельсия. Керамическая бусина покрыта катализатором, который реагирует с горючим газом. Температура пеллистора повышается, а сопротивление платиновой спирали, соотвественно, увеличивается.

У сенсора, кроме активного измерительного элемента, есть неактивный компенсационный. Оба являются частями измерительной схемы – моста Уитстона, при помощи которой искомая величина сравнивается с эталонной, что позволяет оценить концентрацию требуемого газа.

Пример использования. Термокаталитические сенсоры – недорогие и популярные, к тому же решают отдельные задачи эффективнее, чем более дорогостоящие «коллеги». Так, термокаталитические сенсоры в отличие от инфракрасных способны определять водород.

Электрохимические сенсоры

Электрохимические сенсоры предназначены для измерения токсичных газов и кислорода. Многие из этих сенсоров отличаются высокой селективностью – избирательностью по отношению к измеряемому веществу.

Электрохимические сенсоры действуют в инертной среде, то есть среде с минимальными содержанием кислорода или его отсутствии.

Электрохимический сенсор – это аналог микрореактора, который в присутствии активных газов производит поток электронов, представляющий собой слабый, но измеримый электрический ток.

Как это работает? Электрохимический сенсор состоит как минимум из двух электродов – измерительного (1) и контрэлектрода (2), между которыми происходит электрический контакт: с одной стороны, через электропроводящую среду, электролит (вязкая жидкость для переноса ионов), с другой – через внешнюю электрическую токовую схему. Химическая реакция между электролитом и измеряемым веществом изменяет проводимость последнего.

Пример использования. Казалось бы, металлургические производства давно автоматизированы, однако по факту некоторые операции приходится выполнять вручную, например отбирать пробы из плавильной печи. В этой ситуации неизбежно столкновение с токсичными газами, в том числе с угарным – смертельным, не имеющим цвета и запаха. Из-за него происходит большинство несчастных случаев на металлургических заводах. При выбросе угарного газа его содержание в воздухе может в несколько раз превысить смертельную для человека дозу в 3000 мг/м³. При таких высоких концентрациях стандартные сенсоры на СО выходят из строя. Проблему решает созданный Dräger сенсор для металлургии, способный определять угарный газ в огромном диапазоне от 0 до 11500 мг/м³.

Инфракрасные сенсоры

Газы поглощают излучение в характерном для них спектре, некоторые даже в видимом (0,4-0,8 мкм). Поэтому мы видим хлор зелено-желтым, диоксид азота – коричнево-красными, а йод – фиолетовым. Углеводороды, к которым относят большинство горючих газов, поглощают электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне от 3,3 до 3,5 мкм, а кислород, азот и аргон нет. На этом свойстве веществ основан принцип действия инфракрасного сенсора.

Как это работает? Анализируемый воздух поступает в сенсор, в котором находится инфракрасный излучатель. Излучение проникает в кювету с пробой, много раз отражается, выходит через оптическую щель и попадает на два фильтра – измерительный и сравнительный. Измерительный воспринимает заданный диапазон спектра, сигнал сравнительного остается неизменным. Разница в данных, иначе говоря снижение интенсивности излучения и есть показатель концентрации газа.

Пример использования. Инфракрасные сенсоры, в отличие от термокаталитических, определяют горючие газы без кислорода. Технология гарантирует безопасность тысячам людей, чья работа связана с замкнутыми пространствами: резервуарами, в том числе для нефтепродуктов, коллекторами, канализационными колодцами и т.д.

Компания Dräger внесла особый вклад в безопасность работ в замкнутых пространствах, разработав сенсор Dual IR-Ex / CO₂, способный отслеживать одновременно горючие газы и диоксид углерода. Сенсор устойчив к высоким концентрациям углеводородов вплоть до 100% об. и надежен даже в экстремальных условиях, например, в присутствии сероводорода.

Единицы измерения концентрации газов:

Объемный процент (объемная доля) – единица измерения концентраций горючих веществ, кислорода и углекислого газа в воздухе рабочей зоны; безразмерная величина, выражается в процентах (% об.); равна отношению объема отдельного вещества в газовой смеси к объему всей пробы.
Пример: содержание углеводородов 100 % об. означает, что углеводороды составляют 100 % объема пробы.
Для оценки малых концентраций токсичных газов часто используют ppm (англ. parts per million, «пи-пи-эм») – миллионную долю, которая представляет собой одну часть на 1000000 частей и имеет значение 1×10⁻⁶ от базового показателя; по смыслу ppm аналогична проценту.
1 ppm = 0,0001 об.%, 1 об.% = 10000 ppm
Предельно допустимая концентрация (ПДК) горючих газов измеряется в миллиграммах на кубический метр (мг/м³).
Нижний предел взрываемости (НПВ) – минимальное количество горючего газа в воздухе, при котором он может воспламенится; определяется расчётным путём или экспериментально.

Фотоионизационные сенсоры

Многие органические вещества токсичны в концентрациях намного меньше нижнего предела взрываемости, по причине чего их сложно обнаружить термокаталитическими или инфракрасными сенсорами. Для таких случаев предназначены фотоионизационные сенсоры (анг. PID – photoionisation detector). Они определяют летучие органические соединения даже в минимальных концентрациях, что жизненно важно при работе в замкнутых пространствах, поиске утечек и т.д.

Как это работает? Когда воздух проходит через PID-сенсор, молекулы органических и неорганических веществ ионизируются под действием ультрафиолетового излучения специальной лампы. Свободные электроны и ионы создают ток, значение которого пропорционально содержанию в воздухе молекул анализируемого вещества. Ток преобразуется в электрический сигнал.

PID «видит» вещества, ионизационный потенциал которых ниже, чем энергия излучения УФ-лампы, и «не видит» соединения, потенциал ионизации которых его превышает. Поэтому фотоионизационный сенсор не может обнаружить метан.

Пример использования. PID-сенсоры чаще используют для обнаружения углеводородов нефти и нефтепродуктов в низких концентрациях. К примеру, ПДК нефти составляет всего 300 мг/м³. Столь мизерную долю вещества способен выявить только фотоионизационный сенсор.

Особенности использования

Чтобы обнаружить и измерить определенные газы нужны соответствующие типы сенсоров. Так, термокаталитические и инфракрасные выявляют горючие газы, которые могут взорваться или загореться. При этом термокаталитический сенсор не работает без кислорода. Поэтому в условиях, где O₂ нет или очень мало (≤7%), выявить горючие газы таким сенсором невозможно.

Кроме того, существуют ограничения при измерении разных газов одним газоанализатором. В частности, при определении концентрации сернистого газа (SO₂) в присутствии оксида азота (NO₂), они одинаково влияют на сенсор, накладываясь друг на друга. Потому производители не рекомендуют совместно использовать сенсоры на эти вещества.

Другие сенсоры наоборот – дополняют друг друга, расширяя возможности газоанализатора. Так инфракрасный сенсор способен «почувствовать» до 100 % об. паров нефтепродуктов, но скромные 300 мг/м³ не заметит. Фотоионизационный, напротив, измерит мельчайшие концентрации, но с серьезными не справится. При одновременном применении этих сенсоров газоанализатор сможет определить концентрацию паров нефтепродуктов в большом диапазоне.

Сенсоры ведущих производителей, таких как Dräger, имеют еще одну отличительную черту – высокую селективность, способность обнаруживать и откликаться на те газы, которые интересуют пользователя. При этом сенсор не реагирует на другие вещества, которые содержаться в пробе. Тем не менее добиться 100% стойкости к перекрестной чувствительности не представляется возможным, поэтому при расшифровке результатов приходится учитывать ее возможность.

Срок службы и надежность

Гарантийный срок службы самых популярных сенсоров Dräger (O₂, H₂S, горючие газы) составляет не менее трёх лет, однако, как показывает практика, они остаются работоспособными еще как минимум два-три года. Для сравнения: средний по рынку гарантийный срок службы сенсора для определения кислорода составляет два года.

Прогнозируемое время работы электрохимического сенсора Dräger для измерения угарного газа составляет пять лет при ежедневном использовании, однако зафиксирован случай, когда датчик функционировал больше семи лет. Надежность этого сенсора доказывает и его стойкость к метану, аммиаку, хлору, хлористому водороду и диоксиду углерода.

Разработка и производство

Ведущие игроки рынка портативных газоанализаторов давно имеют собственные департаменты разработки сенсоров, однако Dräger является одним из пионеров в этой области. В лабораториях штаб-квартиры компании в Любеке ведутся научные исследования, которые вскоре становятся основой технологий, воплощенных в реальной продукции.

Dräger законно гордится своим портфолио по сенсорам. 36 сенсоров для определения 46 газов – от всем известного кислорода до гидразина, самовоспламеняющегося топлива (с сочетании с окислителем) для космических кораблей. Гидразин крайне токсичен даже в минимальных концентрациях. Выпускаемый Dräger особо чувствительный сенсор способен обнаружить гидразин в количестве 0,1 ppm.

Помимо разработки нишевых продуктов, Dräger постоянно ищет способы победить кросс-чувствительность и снизить пределы обнаружения опасных газов. Еще одна важная задача, стоящая перед инженерами, – экономическая, т.е. снижение затрат потребителей.

Представительства компании в разных странах, включая Россию, напрямую работают с пользователями. Полная информация о возможностях продукта позволяет использовать его с максимальной эффективностью.

Продолжим тему газоанализаторов в следующем выпуске Академии. Поговорим о видах этих приборов и задачах, которые они способны решать.