Газовый детектор — это устройство, которое обнаруживает наличие газов в области, часто как часть системы безопасности. Газовый детектор может подавать сигнал тревоги операторам в области, где происходит утечка, давая им возможность покинуть ее. Этот тип устройств важен, поскольку существует множество газов, которые могут быть вредны для органической жизни, такой как люди или животные.
Газовые детекторы могут использоваться для обнаружения горючих , легковоспламеняющихся и токсичных газов, а также истощения кислорода . Этот тип устройств широко используется в промышленности и может быть найден в таких местах, как нефтяные вышки, для контроля производственных процессов и новых технологий, таких как фотоэлектрические . Они могут использоваться при тушении пожаров .
Обнаружение утечки газа — это процесс определения потенциально опасных утечек газа с помощью датчиков . Кроме того, визуальная идентификация может быть выполнена с помощью тепловизионной камеры. Эти датчики обычно используют звуковой сигнал тревоги для оповещения людей об обнаружении опасного газа. Воздействие токсичных газов может также происходить при таких операциях, как покраска, фумигация, заправка топливом, строительство, выемка загрязненных почв, операции по захоронению отходов, вход в замкнутые пространства и т. д. Обычные датчики включают датчики горючих газов, фотоионизационные детекторы, инфракрасные точечные датчики , ультразвуковые датчики , электрохимические газовые датчики и датчики металл-оксид-полупроводник (МОП). Совсем недавно начали использоваться датчики инфракрасного изображения. Все эти датчики используются для широкого спектра применений и могут быть найдены на промышленных предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах, в фармацевтическом производстве, на объектах фумигации, целлюлозно-бумажных комбинатах, авиа- и судостроительных предприятиях, на предприятиях по обработке опасных веществ, на очистных сооружениях, в транспортных средствах, при проверке качества воздуха в помещениях и в жилых домах.
Методы обнаружения утечек газа стали предметом беспокойства после того, как было обнаружено воздействие вредных газов на здоровье человека. До появления современных электронных датчиков методы раннего обнаружения основывались на менее точных детекторах. В течение 19-го и начала 20-го веков шахтеры брали с собой в туннели канареек в качестве системы раннего обнаружения опасных для жизни газов, таких как углекислый газ , угарный газ и метан . Канарейка, обычно очень певчая птица, переставала петь и в конечном итоге умирала, если ее не удаляли из этих газов, давая шахтерам сигнал быстро покинуть шахту.
Первым детектором газа в индустриальную эпоху была пламенная лампа безопасности (или лампа Дэви ), изобретенная сэром Гемфри Дэви (из Англии) в 1815 году для обнаружения наличия метана (рудничного газа) в подземных угольных шахтах. Пламя безопасной лампы состояло из масляного пламени, отрегулированного на определенную высоту на свежем воздухе. Для предотвращения возгорания в этих лампах пламя заключалось в стеклянный рукав с сетчатым пламегасителем. Высота пламени варьировалась в зависимости от наличия метана (выше) или недостатка кислорода (ниже). По сей день в некоторых частях мира пламя безопасной лампы все еще используется.
Современная эра обнаружения газа началась в 1926–1927 годах с разработкой датчика каталитического сгорания (LEL) доктором Оливером Джонсоном. Доктор Джонсон был сотрудником компании Standard Oil Company в Калифорнии (теперь Chevron), он начал исследования и разработки метода обнаружения горючих смесей в воздухе, чтобы помочь предотвратить взрывы в топливных резервуарах. Демонстрационная модель была разработана в 1926 году и обозначена как Модель A. Первый практический счетчик «электрический индикатор паров» начал производиться в 1927 году с выпуском Модели B.
Первая в мире компания по обнаружению газов Johnson-Williams Instruments (или JW Instruments) была основана в 1928 году в Пало-Альто, Калифорния, доктором Оливером Джонсоном и Филом Уильямсом. JW Instruments признана первой электронной компанией в Кремниевой долине. В течение следующих 40 лет JW Instruments стала пионером во многих «первых» в современную эпоху обнаружения газов, включая создание более компактных и портативных приборов, разработку портативного детектора кислорода, а также первого комбинированного прибора, который мог обнаруживать как горючие газы/пары, так и кислород.
До разработки электронных бытовых детекторов угарного газа в 1980-х и 1990-х годах наличие угарного газа определялось с помощью химически пропитанной бумаги, которая становилась коричневой при контакте с газом. С тех пор было разработано множество электронных технологий и устройств для обнаружения, мониторинга и оповещения об утечке широкого спектра газов.
По мере повышения стоимости и производительности электронных газовых датчиков они стали включаться в более широкий спектр систем. Первоначально их использовали в автомобилях для контроля выбросов двигателя , но теперь газовые датчики могут также использоваться для обеспечения комфорта и безопасности пассажиров. Датчики углекислого газа устанавливаются в зданиях как часть систем вентиляции с регулируемым спросом . Изучаются сложные системы газовых датчиков для использования в медицинских диагностических, мониторинговых и лечебных системах, далеко выходящих за рамки их первоначального использования в операционных . Газовые мониторы и сигнализаторы для угарного газа и других вредных газов становятся все более доступными для офисного и домашнего использования и становятся юридически обязательными в некоторых юрисдикциях.
Первоначально детекторы были созданы для обнаружения одного газа. Современные устройства могут обнаруживать несколько токсичных или горючих газов или даже их комбинацию. [1] Более новые газоанализаторы могут разбивать сигналы компонентов из сложного аромата для одновременной идентификации нескольких газов. [2]
Датчики металл-оксид-полупроводник (МОП) были представлены в 1990-х годах. Самый ранний известный газовый датчик МОП был продемонстрирован Г. Сбервельери, Г. Фалья, С. Гроппелли, П. Нелли и А. Каманци в 1990 году. С тех пор датчики МОП стали важными детекторами газов окружающей среды. [3]
Газовые детекторы можно классифицировать по принципу действия ( полупроводниковые , окислительные, каталитические, фотоионизационные, инфракрасные и т. д.). Газовые детекторы выпускаются в двух основных форм-факторах: портативные устройства и стационарные газовые детекторы.
Портативные детекторы используются для мониторинга атмосферы вокруг персонала и либо ручные, либо надеваются на одежду или на пояс/сбрую. Эти детекторы газа обычно работают от батареек. Они передают предупреждения с помощью звуковых и визуальных сигналов, таких как сигналы тревоги и мигающие огни, когда обнаруживаются опасные уровни паров газа.
Детекторы газа стационарного типа могут использоваться для обнаружения одного или нескольких типов газа. Детекторы стационарного типа обычно устанавливаются вблизи технологической зоны завода или диспетчерской, или зоны, которую необходимо защитить, например, жилой спальни. Обычно промышленные датчики устанавливаются на стационарных конструкциях из мягкой стали, а кабель соединяет детекторы с системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) для непрерывного мониторинга. Блокировка отключения может быть активирована в аварийной ситуации.
Электрохимические детекторы газа работают, позволяя газам диффундировать через пористую мембрану к электроду, где он либо химически окисляется, либо восстанавливается . Величина вырабатываемого тока определяется тем, сколько газа окисляется на электроде, [4] указывая концентрацию газа. Производители могут настраивать электрохимические детекторы газа, изменяя пористый барьер, чтобы обеспечить обнаружение определенного диапазона концентрации газа. Кроме того, поскольку диффузионный барьер является физическим/механическим барьером, детекторы, как правило, более стабильны и надежны в течение срока службы датчика и, таким образом, требуют меньшего обслуживания, чем другие ранние технологии детекторов.
Однако датчики подвержены воздействию коррозионных элементов или химического загрязнения и могут прослужить всего 1–2 года, прежде чем потребуется замена. [5] Электрохимические газовые детекторы используются в самых разных средах, таких как нефтеперерабатывающие заводы, газовые турбины, химические заводы, подземные газохранилища и т. д.
Датчики с каталитическими шариками ( пеллисторы ) обычно используются для измерения горючих газов, которые представляют опасность взрыва, когда концентрации находятся между нижним пределом взрываемости (НПВ) и верхним пределом взрываемости (ВПВ). Активные и контрольные шарики, содержащие катушки из платиновой проволоки, расположены на противоположных плечах мостовой схемы Уитстона и электрически нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия. Активный шарик содержит катализатор, который позволяет горючим соединениям окисляться, тем самым нагревая шарик еще больше и изменяя его электрическое сопротивление. Результирующая разность напряжений между активными и пассивными шариками пропорциональна концентрации всех присутствующих горючих газов и паров. Отбираемый газ поступает в датчик через спеченную металлическую фритту, которая обеспечивает барьер для предотвращения взрыва, когда прибор вносится в атмосферу, содержащую горючие газы. Пеллисторы измеряют по существу все горючие газы, но они более чувствительны к более мелким молекулам, которые быстрее диффундируют через агломерат. Измеряемые диапазоны концентраций обычно составляют от нескольких сотен ppm до нескольких объемных процентов. Такие датчики недороги и надежны, но для их тестирования требуется наличие в атмосфере как минимум нескольких процентов кислорода, и они могут быть отравлены или ингибированы такими соединениями, как силиконы, минеральные кислоты, хлорированные органические соединения и соединения серы.
Детекторы фотоионизации (ФИД) используют УФ-лампу с высокой энергией фотонов для ионизации химических веществ в отобранном газе. Если соединение имеет энергию ионизации ниже, чем у фотонов лампы, будет выброшен электрон, и результирующий ток пропорционален концентрации соединения. Обычные энергии фотонов лампы включают 10,0 эВ , 10,6 эВ и 11,7 эВ; стандартная лампа на 10,6 эВ работает годами, в то время как лампа на 11,7 эВ обычно работает всего несколько месяцев и используется только тогда, когда нет других вариантов. Широкий спектр соединений может быть обнаружен на уровнях от нескольких частей на миллиард (ppb) до нескольких тысяч частей на миллион (ppm). Обнаруживаемые классы соединений в порядке убывания чувствительности включают: ароматические соединения и алкилиодиды; олефины, соединения серы, амины, кетоны, эфиры, алкилбромиды и силикатные эфиры; органические эфиры, спирты, альдегиды и алканы; сероводород, аммиак, фосфин и органические кислоты. Нет реакции на стандартные компоненты воздуха или на минеральные кислоты. Основными преимуществами ФИД являются их превосходная чувствительность и простота использования; главным ограничением является то, что измерения не являются специфическими для соединений. Недавно были введены ФИД с предварительными фильтрующими трубками, которые повышают специфичность для таких соединений, как бензол или бутадиен . Стационарные, ручные и миниатюрные ФИД, закрепляемые на одежде, широко используются для промышленной гигиены, мониторинга опасных веществ и окружающей среды .
Инфракрасные (ИК) точечные датчики используют излучение, проходящее через известный объем газа; энергия от луча датчика поглощается на определенных длинах волн в зависимости от свойств конкретного газа. Например, окись углерода поглощает длины волн около 4,2-4,5 мкм. [6] Энергия в этой длине волны сравнивается с длиной волны за пределами диапазона поглощения; разница в энергии между этими двумя длинами волн пропорциональна концентрации присутствующего газа. [6]
Этот тип датчика выгоден тем, что его не нужно помещать в газ для его обнаружения, и его можно использовать для дистанционного зондирования . Инфракрасные точечные датчики можно использовать для обнаружения углеводородов [7] и других инфракрасных активных газов, таких как водяной пар и углекислый газ . ИК-датчики обычно встречаются на очистных сооружениях, нефтеперерабатывающих заводах, газовых турбинах, химических заводах и других объектах, где присутствуют горючие газы и существует вероятность взрыва. Возможность дистанционного зондирования позволяет контролировать большие объемы пространства.
Выбросы двигателя — еще одна область, где исследуются ИК-датчики. Датчик будет обнаруживать высокие уровни оксида углерода или других аномальных газов в выхлопных газах автомобиля и даже будет интегрирован с электронными системами автомобиля для уведомления водителей. [6]
Датчики инфракрасного изображения включают активные и пассивные системы. Для активного зондирования датчики инфракрасного изображения обычно сканируют лазером поле зрения сцены и ищут обратно рассеянный свет на длине волны линии поглощения определенного целевого газа. Пассивные датчики инфракрасного изображения измеряют спектральные изменения в каждом пикселе изображения и ищут определенные спектральные сигнатуры , которые указывают на присутствие целевых газов. [8] Типы соединений, которые могут быть отображены, такие же, как и те, которые могут быть обнаружены инфракрасными точечными детекторами, но изображения могут быть полезны для определения источника газа.
Полупроводниковые газовые датчики, чаще всего датчики металл-оксид-полупроводник (МОП), [3] обнаруживают газы с помощью химической реакции, которая происходит, когда газ вступает в прямой контакт с поверхностью чувствительного элемента, который обычно нагревается до температур от 200 °C до 500 °C. Диоксид олова является наиболее распространенным материалом, используемым в полупроводниковых газовых датчиках, [9] и электрическое сопротивление в датчике уменьшается, когда он вступает в контакт с контролируемым газом. Сопротивление слоя диоксида олова, обычно в диапазоне от 10 до 500 кОм на воздухе, может упасть до небольшой доли этого значения в присутствии восстановительного газа. [10] Это изменение сопротивления (часто вместе с сигналами других датчиков, например, значениями датчика влажности, для компенсации перекрестной чувствительности) используется для расчета концентрации газа. Полупроводниковые газовые датчики обычно используются для обнаружения водорода, паров спирта и вредных газов, таких как оксид углерода. [11] Одно из наиболее распространенных применений полупроводниковых газовых датчиков — датчики оксида углерода. Они также используются в алкотестере . [10] Поскольку датчик должен контактировать с газом, чтобы обнаружить его, полупроводниковые газовые датчики работают на меньшем расстоянии, чем инфракрасные точечные или ультразвуковые детекторы.
Датчики MOS могут обнаруживать различные газы, такие как оксид углерода, диоксид серы , сероводород и аммиак . С 1990-х годов датчики MOS стали важными детекторами газов окружающей среды. [3] Датчики MOS, хотя и очень универсальны, страдают от проблемы перекрестной чувствительности с влажностью и другими газами. Причиной перекрестной чувствительности к влажности является взаимодействие гидроксильных ионов с поверхностью оксида. [12] Такие помехи можно уменьшить с помощью алгоритмической оптимизации и работы с циклическим изменением температуры. [13] [14]
Ультразвуковые детекторы утечки газа не являются детекторами газа как таковыми. Они обнаруживают акустическую эмиссию, создаваемую при расширении сжатого газа в области низкого давления через небольшое отверстие (утечку). Они используют акустические датчики для обнаружения изменений фонового шума окружающей среды. Поскольку большинство утечек газа высокого давления генерируют звук в ультразвуковом диапазоне от 25 кГц до 10 МГц, датчики способны легко отличать эти частоты от фонового акустического шума, который возникает в слышимом диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. [15] Затем ультразвуковой детектор утечки газа выдает сигнал тревоги, когда происходит ультразвуковое отклонение от нормального состояния фонового шума. Ультразвуковые детекторы утечки газа не могут измерять концентрацию газа, но устройство способно определять скорость утечки выходящего газа, поскольку уровень ультразвукового звука зависит от давления газа и размера утечки. [15]
Ультразвуковые детекторы газа в основном используются для дистанционного зондирования в наружных условиях, где погодные условия могут легко рассеять выходящий газ, прежде чем он достигнет детекторов утечек, которым требуется контакт с газом для его обнаружения и подачи сигнала тревоги. Эти детекторы обычно встречаются на морских и наземных нефтегазовых платформах, газокомпрессорных и измерительных станциях, газотурбинных электростанциях и других объектах, где размещено много наружных трубопроводов.
Голографические газовые датчики используют отражение света для обнаружения изменений в полимерной пленочной матрице, содержащей голограмму. Поскольку голограммы отражают свет на определенных длинах волн, изменение их состава может генерировать цветное отражение, указывающее на присутствие молекулы газа. [16] Однако голографические датчики требуют источников освещения, таких как белый свет или лазеры , а также наблюдателя или ПЗС- детектора.
Все детекторы газа должны калиброваться по графику. Из двух форм-факторов детекторов газа портативные должны калиброваться чаще из-за регулярных изменений окружающей среды, с которыми они сталкиваются. Типичный график калибровки для стационарной системы может быть ежеквартальным, двухгодичным или даже ежегодным с более надежными устройствами. Типичный график калибровки для портативного детектора газа — это ежедневный «удар», сопровождаемый ежемесячной калибровкой. [17] Почти для каждого портативного детектора газа требуется определенный калибровочный газ . В США Управление по охране труда и технике безопасности (OSHA) может устанавливать минимальные стандарты для периодической повторной калибровки. [ требуется ссылка ]
Поскольку детектор газа используется для безопасности сотрудников/рабочих, очень важно убедиться, что он работает в соответствии со спецификациями производителя. Австралийские стандарты указывают, что человеку, работающему с любым детектором газа, настоятельно рекомендуется проверять работоспособность детектора газа каждый день, а также обслуживать и использовать его в соответствии с инструкциями и предупреждениями производителя. [18]
Испытание на провокацию должно состоять из воздействия на детектор газа известной концентрации газа, чтобы убедиться, что детектор газа среагирует и что сработает звуковая и визуальная сигнализация. Также важно осмотреть детектор газа на предмет случайных или преднамеренных повреждений, проверив, что корпус и винты не повреждены, чтобы предотвратить попадание жидкости, и что фильтр чистый, все это может повлиять на функциональность детектора газа. Базовый комплект калибровки или испытания на провокацию будет состоять из калибровочного газа / регулятора / калибровочного колпачка и шланга (обычно поставляются с детектором газа) и футляра для хранения и транспортировки. Поскольку 1 из 2500 непроверенных приборов не среагирует на опасную концентрацию газа, многие крупные предприятия используют автоматизированную испытательную / калибровочную станцию для ударных испытаний и калибруют свои детекторы газа ежедневно. [19]
Газовые мониторы дефицита кислорода используются для обеспечения безопасности сотрудников и рабочей силы. Криогенные вещества, такие как жидкий азот (LN2), жидкий гелий (He) и жидкий аргон (Ar), инертны и могут вытеснять кислород (O2 ) в замкнутом пространстве при наличии утечки. Быстрое снижение кислорода может создать очень опасную среду для сотрудников, которые могут не заметить эту проблему, прежде чем внезапно потеряют сознание. Учитывая это, важно иметь газоанализатор кислорода при наличии криогеники. Лаборатории, кабинеты МРТ , фармацевтические, полупроводниковые и криогенные поставщики являются типичными пользователями кислородных мониторов.
Содержание кислорода в дыхательном газе измеряется электрогальваническими датчиками кислорода . Они могут использоваться автономно, например, для определения доли кислорода в смеси нитрокс , используемой при подводном плавании , [20] или как часть контура обратной связи, который поддерживает постоянное парциальное давление кислорода в ребризере . [21]
Газообразный аммиак постоянно контролируется в промышленных холодильных процессах и процессах биологического разложения, включая выдыхаемое дыхание. В зависимости от требуемой чувствительности используются различные типы датчиков (например, пламенно-ионизационный детектор , полупроводниковый, электрохимический, фотонные мембраны [22] ). Детекторы обычно работают вблизи нижнего предела воздействия 25 ppm; [23] однако обнаружение аммиака для промышленной безопасности требует постоянного мониторинга выше предела смертельного воздействия 0,1%. [22]
Водород является чрезвычайно взрывоопасным материалом, когда его концентрация превышает 4%, что делает его опасным для безопасности. Поэтому крайне важно постоянно контролировать его концентрацию. Разработка высокочувствительных и надежных датчиков газообразного водорода имеет решающее значение для раннего обнаружения, позволяя осуществлять мониторинг в реальном времени и подавать сигналы тревоги до достижения опасной концентрации. Эти датчики играют решающую роль в обеспечении безопасного использования водорода в различных приложениях, от топливных элементов до промышленных процессов.
Было предложено много кандидатов на роль датчиков, включая электрические, [24] [25] оптические, [26] [27] акустические [28] ...
Основной принцип работы датчиков водорода заключается в интеграции каталитического материала, который претерпевает изменения своих физических свойств при воздействии водорода. Эти изменения могут проявляться различными способами, такими как сдвиги в рабочей функции материала или изменения в его поверхностном плазмонном резонансе . Каталитические материалы, такие как палладий и платина, обычно используются из-за их высокой чувствительности к водороду. Когда молекулы водорода взаимодействуют с этими металлами, они диссоциируют и поглощаются, вызывая изменения электрических или оптических характеристик. Затем эти сдвиги обнаруживаются и преобразуются в измеримый сигнал, что позволяет осуществлять точный мониторинг концентрации водорода в режиме реального времени. [29]
Существует несколько различных датчиков, которые можно установить для обнаружения опасных газов в жилом помещении. Угарный газ — очень опасный, но не имеющий запаха и цвета газ, что затрудняет его обнаружение человеком. Датчики угарного газа можно приобрести примерно за 20–60 долларов США. Многие местные юрисдикции в Соединенных Штатах теперь требуют установки датчиков угарного газа в дополнение к датчикам дыма в жилых помещениях.
Ручные детекторы горючих газов могут использоваться для отслеживания утечек из линий природного газа, баллонов с пропаном, баллонов с бутаном или любого другого горючего газа. Эти датчики можно приобрести за 35–100 долларов США.
Европейское сообщество поддержало исследование под названием проект MINIGAS, который координировался Техническим исследовательским центром Финляндии VTT. [30] Целью этого исследовательского проекта является разработка новых типов газовых датчиков на основе фотоники и поддержка создания меньших приборов с такой же или более высокой скоростью и чувствительностью, чем у обычных лабораторных газовых детекторов. [30]