Węglowodory to organiczne związki chemiczne mające w swoim składzie wyłącznie atomy węgla i wodoru CxHx. Do najbardziej znanych należą lekki metan CH4 (główny składnik gazu ziemnego i biogazu), cięższe od powietrza propan C3H8 i butan C4H10 (główne składniki gazu płynnego w motoryzacji oznaczanego LPG), średnio ciężkie jak pentan C5H12 (obecny w wielu gałęziach przemysłu jak np. produkcja styropianu) czy heksan C6H14 (obecny w ropie naftowej i stosowany jako rozpuszczalnik), aż do ciężkich o liczbie atomów węgla powyżej 7 jak np. heptan, a także toluen C7H8 lub ksylen C8H10 (popularne rozpuszczalniki).
Temu głównemu łańcuchowi związanemu z wydobyciem gazu i ropy naftowej często towarzyszy najlżeszy z pierwiastków i nieposiadający atomów węgla czyli wodór H2 (obecny w wielu gałęziach przemysłu od niepożądanej emisji w ładowalniach akumulatorów do instalacji technologicznych wykorzystujacych go w procesach produkcyjnych). Wiele z tych gazów występuje jednocześnie na zakładach co rodzi problem identyfikacji gazu mierzonego w przypadku ich emisji i pomiarów.
Detektory wielogazowe, stacjonarne czujniki gazów czy wykrywacze nieszczelności mają jedną wspólną cechę. Korzystają w większości z tych samych technologii detekcji gazów czyli z tych samych sensorów.
Jest kilka metod wykrywania i pomiaru gazów, które są relatywnie niedrogie i stosowane zarówno w urządzeniach przenośnych jak i w urządzeniach stacjonarnych.
Pierwszą metodą jest sensor półprzewodnikowy. Bazuje na zmianie przewodności materiału półprzewodnika (najczęściej ditlenku cyny SnO2) w kontakcie z gazem. Sensor tego typu charakteryzuje się niską ceną, ale to niestety jego jedyna zaleta. Do wad natomiast można zaliczyć brak odporności na zmiany temperatury i wilgotności, niską selektywność (czyli silną reakcję na inne gazy), możliwość zatrucia innymi związkami (np. silikonami) oraz nieliniową charakterystyką wprowadzającą znaczne błędy pomiarowe. Obiecywany przez dostawców wieloletni czas eksploatacji w praktyce nie przekracza 5-6 lat o ile w ogóle zapewnimy pracę w czystym powietrzu co w terenie często kończy się na 3-4 latach. W zastosowaniach przemysłowych ten rodzaj czujnika nie jest zalecany.
Drugie rozwiązanie to sensor katalityczny, bazujący na reakcji spalania gazu na powłoce katalitycznej wywołującej wzrost temperatury i zmianę przewodności. Zestawienie z sygnałem kontrolnym (pozbawionym elementu reaktywnego) umożliwia nie tylko pomiar, ale także wyeliminowanie zmian temperatury otoczenia. Dzięki temu otrzymujemy stabilny pomiar o liniowej charakterystyce. Sensor jest także bardziej selektywny w stosunku do półprzewodnikowego. O ile koszt już nie stanowi większej przeszkody o tyle w przenośnych miernikach gazów wadą jest niższa odporność na przekroczenia zakresu.
Trzecim rozwiązaniem jest sensor podczerwony (InfraRed), którego działanie opiera się na wysyłaniu i odbiorze promieniowania podczerwonego. Gaz, który znajdzie się pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem zabiera część widma co urządzenie odczytuje jako pomiar. Sensor ma liczne zalety. Jest całkowicie odporny na przekroczenia zakresu i zatrucia. Nie wymaga tlenu do pomiaru gazów wybuchowych i pobiera minimalne ilości prądu. Te cechy sprawiają, że ten rodzaj sensora dobrze sprawdza się w przenośnych miernikach gazów. Długi okres życia i okres między kalibracjami umożliwia także zastosowanie w przenośnych detektorach wielogazowych niewymagających kalibracji.
Wszystkie te rozwiązania posiadają jednak jedną poważną wadę – nie rozróżniają jaki gaz wybuchowy mierzą. Każdy z powyższych sensorów jest fabrycznie kalibrowany na konkretną substancję np. na metan. I tylko dla tego jednego gazu pomiary są prawidłowe. Dla wszystkich innych węglowodorów pomiar będzie znacznie różnił się od rzeczywistości. Niektórzy producenci podają współczynniki odpowiedzi i współczynniki korekcyjne (ang. Correction Factors – CF), które umożliwiają pewne przybliżenie i pomiar innego gazu pod warunkiem, że wiemy jaki gaz mierzymy.
W systemach stacjonarnych projektant dobiera system detekcji do danego zagrożenia. W większości przypadków gaz jest określony i może zostać dobrany konkretny detektor z sensorem katalitycznym (w standardowych aplikacjach) lub podczerwonym (w aplikacjach narażonych na przekroczenia zakresu). Rozbudowane cyfrowe systemy detekcji pozwalają na wpięcie różnych detektorów, różnych substancji w jeden system. W przypadkach oparów paliw jak przemysł petrochemiczny stosuje się specjalnie dobrane detektory oparów benzyny, a w innych dobór detektora wymaga dużego doświadczenia, wiedzy i uwzględnienia znacznych błędów pomiarowych, a co za tym idzie wyższych współczynników bezpieczeństwa.
W urządzeniach przenośnych i systemach bezpieczeństwa pracowników samodzielnych tzw. systemach blackline dostępna jest jeszcze jedna technologia pomiarowa. To sensor MPS (Molecular Property Spectrometer – spektrometr właściwości molekularnych). Sensor tego typu umożliwia pomiar 12 najbardziej popularnych węglowodorów (z uwzględnieniem wodoru) oraz ich klasyfikację do jednej z 6 grup.
Tego typu sensor to nowa technologia w dziedzinie detekcji gazów. Możliwość rozróżnienia gazu wybuchowego jaki mierzymy jest szczególnie wykorzystywana w obiektach z różnorodnymi zagrożeniami jak obiekty petrochemiczne, produkcyjne czy wszelkie przestrzenie zamknięte z nieznaną atmosferą.
Źródło: Michał Domin, Detektory
