Preventivní opatření pro správnou funkci plynových zařízení II

TECHNICKÁ OPATŘENÍ

Technická opatření k eliminaci nebo alespoň snížení rizik spojených s provozem plynových zařízení jsou podstatně efektivnější než organizační opatření popsaná v předchozích článcích. Důvodem je, že jsou nezávislá, nebo téměř nezávislá na lidském činiteli - jedná se totiž často o zařízení nevyžadující žádnou údržbu (např. nadprůtokové nebo protipožární pojistky) nebo údržbu občasnou (např. detektory plynů).

V podstatě lze s určitou nadsázkou prohlásit, že charakter technických preventivních opatření mají všechna ustanovení technických předpisů. Proto se v této podkapitole zaměříme zejména na technická řešení, která nejsou u nás zatím zcela běžná, dosti často nejsou ani vyžadována legislativou, ale přesto vzhledem k jejich cenové dostupnosti a spolehlivosti by měl projektant i budoucí provozovatel (uživatel) zvážit jejich použití. Oprávněně vyšší pocit bezpečí a uchráněné hodnoty, ale zejména zdraví a životy osob, za to nepochybně stojí.

DETEKTORY HOŘLAVÝCH PLYNŮ

V současné době neexistuje žádný senzor, který by byl stoprocentně selektivní na jeden plyn. Dosažení takovéto selektivity vyžaduje použití analytických metod identifikace plynů. Příklady takových metod jsou infračervená spektroskopie, plynová chromatografie nebo hmotnostní spektrometrie.

Tyto metody jsou velmi přesné a selektivní. Některé jejich typické aplikace zahrnují detekci výbušnin na letištích a analýzu kvality ovzduší. Tyto analytické nástroje však vyžadují vysoce kvalifikovaný personál, jsou velmi drahé a z těchto důvodů jsou určeny pro laboratorní praxi. Mnoho z nich navíc trpí dalšími nedostatky: nutností časté údržby, pomalou odezvou či velkými rozměry, což je činí nepraktickými pro některé oblasti, jako je například provozní monitorování kvality vzduchu a bezpečnost. Přístroje pro běžnou provozní praxi musí splnit řadu požadavků:

• odolnost proti mechanickému poškození
• odolnost proti korozi
• odolnost vůči prachu a povětrnostním vlivům
• možnost instalace v prostorech s nebezpečím výbuchu
• dlouhá životnost
• provozní stabilita
• jednoduchá údržba
• jednoduchá obsluha
• možnost použití v multisenzorových systémech
• cenová dostupnost

Pro představu jsou na obrázku 1 uvedeny příklady analytických přístrojů.

a) Plynový chromatograf

b) Hmotnostní spektrometr

Senzory plynu

Senzor plynu je čidlo, který v přítomnosti molekul daného plynu produkuje elektrický signál, jehož intenzita je úměrná koncentraci plynu. Protože existuje velké množství různých plynů a celá řada odlišných aplikací, v nichž jsou tyto plyny využívány, liší se i požadavky na jejich detekci. V některých případech postačí detekce a měření jednoho plynu, v jiných je požadováno měření koncentrací všech plynů přítomných v daném místě.

Princip funkce senzoru (čidla) je znázorněn na obrázku 2.

Obr. 2 Princip funkce senzoru (čidla)

K monitorování kvality vzduchu a bezpečnost jsou nejrozšířenější a nejvhodnější následující typy senzorů:

• elektrochemické
• infračervené
• katalytické
• fotoionizační
• polovodičové (též senzory pevné fáze)

Tyto senzory nejsou schopny detekovat jeden konkrétní plyn. Každý z nich je citlivý na určitou skupinu plynů. Jinými slovy, senzor je nespecifický a reaguje i na jiné plyny, podobně jako detektor kouře v domácnosti není schopen rozlišit mezi kouřem způsobeným hořícím nábytkem a kouřem z připáleného jídla. Někdy může být instalován chemický filtr, který umožní průchod detekovaného plynu a zároveň zachytí nežádoucí interferující (rušící) látky. Používá se například uhlíkový filtr, jenž odfiltruje většinu uhlovodíků; k čidlu jím projdou pouze molekuly CO, H₂ a CH₄. U polovodičových senzorů lze nastavením různých hodnot jejich povrchové teploty zvýšit citlivost k detekovanému plynu a současně omezit citlivost k ostatním plynům. V případě potřeby může být použita analytická kolona, na níž proběhne kvalitativní i kvantitativní analýza všech přítomných plynů.

Elektrochemické senzory

Velikost, geometrie, výběr jednotlivých komponent a konstrukce elektrochemického senzoru závisí obvykle na jeho předpokládaném využití. Vzhled elektrochemických senzorů určených k detekci různých plynů může být podobný, ale jejich funkce může být výrazně odlišná.

Elektrochemické senzory jsou obvykle velmi selektivní k detekovanému plynu. Selektivita závisí na typu senzoru, detekovaném plynu a jeho koncentraci. Nejselektivnější je elektrochemický senzor pro detekci kyslíku, který je navíc velmi spolehlivý a má dlouhou životnost. Obvyklá životnost elektrochemických senzorů je 1 až 3 roky (závisí značně na celkovém objemu plynu, který jím prošel, a na teplotě, tlaku a vlhkosti okolního prostředí).

Elektrochemické senzory vyžadují ke svému provozu velmi málo energie. Jejich spotřeba energie je nejnižší ze všech typů senzorů používaných pro detekci plynu. Z tohoto důvodu jsou elektrochemické senzory široce používány u multifunkčních přenosných detektorů, používaných k detekci více druhů plynu.

Příklad elektrochemického senzoru a detektoru je uveden na obrázku 3.

a) Elektrochemické senzory k detekci sirovodíku a kyslíku

b) Elektrochemický detektor

Katalytické senzory

Katalytické senzory se využívají především pro detekci hořlavých plynů. Senzor sám o sobě je nepříliš složitý, a proto je jednoduchá i jeho výroba. Ve své původní, nejjednodušší formě sestával pouze z platinového vlákna. Katalytické senzory vyrábí velké množství výrobců po celém světě, jejich kvalita a vlastnosti se však mohou výrazně lišit.

Katalytický senzor pracuje na principu katalýzy. Hořlavé směsi plynů nevzplanou, dokud nedosáhnou teploty vznícení. Avšak v přítomnosti určité chemické látky - katalyzátoru se mohou vznítit i při teplotách podstatně nižších. Tento jev je znám jako katalytické spalování. Katalytické vlastnosti má většina oxidů kovů a jejich směsí. V topeništích, v nichž se spaluje plyn, se používají například sopečné horniny, které obsahují celou řadu různých oxidů kovů. Neslouží zde tedy pouze jako dekorační prvek, ale přispívají k lepšímu spalování, což se projeví vyšší účinností spalovacího procesu. Vynikajícími katalyzátory pro spalování jsou například sloučeniny platiny, paladia a thoria. Sloučeniny platiny jsou používány mimo jiné i v katalyzátorech instalovaných na výfukovém potrubí motorových vozidel.

Všechny elektrické vodiče mění při změně teploty svoji vodivost. Veličině, která popisuje tuto změnu, se říká teplotní součinitel odporu. Je vyjádřen jako procentuální změna odporu při zvýšení teploty o jeden stupeň. Platina má v porovnání s ostatními kovy vysoký teplotní součinitel odporu. Tento koeficient je u platiny navíc lineární v rozsahu teplot 500 °C až 1000 °C, což je rozmezí, v němž katalytický senzor pracuje. To znamená, že změřený elektrický signál je přímo úměrný koncentraci plynu. To značně zlepšuje přesnost a zjednodušuje elektronické obvody. Platina má rovněž vynikající mechanické vlastnosti. Je pevná a může z ní být vytvořen tenký drát, z něhož lze zhotovit hlavičky senzoru. Platina má navíc výborné chemické vlastnosti. Je odolná vůči korozi a může být dlouhou dobu vystavena zvýšené teplotě, aniž by změnila své fyzikální vlastnosti. Je tak schopna produkovat spolehlivý konstantní signál po dlouhou dobu.

Princip měření je založen na změně odporu senzoru teplem vzniklým při spalování plynu na povrchu senzoru.

Příklad katalytického senzoru a detektoru je uveden na obrázku 4.

a) Katalytické senzory

b) Katalytický detektor

Polovodičové senzory

V současnosti jsou k dispozici polovodičové senzory pro detekci více než 150 různých plynů, včetně takových, které mohou být jinak detekovány pouze pomocí nákladných analytických metod. Polovodičové senzory mají velmi dlouhou životnost; není dokonce neobvyklé nalézt plně funkční senzory instalované před 30 lety. Příčina jejich dlouhé životnosti spočívá v principu funkce: u polovodičových senzorů je plyn adsorbován na povrchu senzoru, čímž se mění odpor polovodiče. Materiál senzoru není v průběhu času spotřebováván, jako je tomu u katalytických senzorů.

Polovodičové senzory jsou jedněmi z nejuniverzálnějších senzorů - detekují široké spektrum plynů a mohou být používány v celé řadě různých aplikací. Jednou z unikátních vlastností polovodičových senzorů je schopnost detekovat jak nízké, tak i vysoké koncentrace plynu.

Důležitou vlastností polovodičových senzorů je jejich dlouhá životnost, která je obvykle nejméně 10 let, je-li detektor používán v čistém prostředí. Na druhé straně jsou však náchylnější k interferenci s ostatními plyny než jiné typy senzorů. Proto mohou být při použití v prostředí s více plyny spouštěny falešné poplachy. V určitých případech lze tuto interferenci minimalizovat použitím vhodného filtru, který nežádoucí plyny zachytí. Například polovodičový senzor pro detekci oxidu uhelnatého a vodíku může být doplněn uhlíkovým filtrem, který většinu interferujících plynů eliminuje.

Velkou výhodou polovodičových senzorů je jejich všestrannost. Například monitorovací zařízení v chemických továrnách detekují mnoho různých plynů, navíc v širokém rozmezí koncentrací. To umožňuje sledování plynů, které jsou v nízkých koncentracích toxické a ve vysokých výbušné. Tato jejich vlastnost značně zjednodušuje návrh a údržbu monitorovacího systému.

Příklad polovodičového senzoru a detektoru je uveden na obrázku 5.

a) Polovodičové senzory

b) Polovodičový detektor

Infračervené senzory

Detekované plyny jsou často agresivní a reaktivní. Většina senzorů je v přímém kontaktu s detekovaným plynem, což po určité době ovlivňuje jeho funkci, zkracuje životnost a může vést i k jeho úplnému zničení. Hlavní výhodou infračervených (IČ) detektorů je, že senzor nepřichází do kontaktu s detekovaným plynem.

Hlavní součásti detektoru jsou chráněny optickými prvky, dochází pouze k interakci molekul plynu s infračervenými paprsky. Do styku s plynem přichází pouze vzorkovací komora a související součásti. Tyto součásti jsou chráněny proti korozi a bývají navrženy tak, že jsou snadno vyměnitelné.

Obecně řečeno, pro monitorování toxických a hořlavých látek jsou IČ detektory jedny z uživatelsky nejkomfortnějších a vyžadují nejmenší údržbu. IČ senzory jsou vysoce selektivní a nabízejí široké spektrum citlivostí, od koncentrací v řádu ppm (1 z miliónu, neboli 0,0001 %) po 100 % dolní meze výbušnosti.

Princip detekce pomocí infračerveného záření využívá pouze malou část elektromagnetického spektra (viz obrázek 6).

Obr. 6 Elektromagnetické spektrum

Infračervené záření leží hned za oblastí viditelného světla: pro lidský zrak je neviditelné, ale projevuje se jako teplo.

Pro infračervenou analýzu je nejužitečnější oblast vlnových délek mezi 3.10³ až 3.10⁴ nm (1 nm (nanometr) = 10^-9 m), neboť absorpce infračerveného záření molekulami plynu je v této oblasti unikátní a selektivní. V IČ spektroskopii jsou molekuly organických látek vystaveny infračervenému záření a pokud energie tohoto záření odpovídá energii určitých molekulových vibrací, dojde k absorpci. Tato pohlcená energie způsobí zintenzivnění vibrací molekul. Aby byla určitá látka IČ aktivní, musí vibrace způsobovat změnu dipólového momentu. Například molekula HCl (chlorovodík) s centrem kladného náboje na atomu vodíku a centrem záporného náboje na atomu chloru má dipólový moment, a proto absorbuje IČ záření. Naproti tomu molekula N₂ (dusík) dipólový moment nemá, a proto je dusík IČ neaktivní.

Každá molekula absorbuje jedinečné spektrum frekvencí infračerveného záření, protože skupiny atomů spojené různými chemickými vazbami se navzájem liší silou těchto vazeb a hmotnostmi jednotlivých atomů. Analýzou získaného spektra se zjistí funkční skupiny atomů, přítomné v molekule. Spektra jednotlivých plynů mohou být nasnímána a uložena v paměti detektoru. Provádí-li se poté analýza, je získané spektrum porovnáváno s křivkami uloženými v paměti přístroje a na základě toho je plyn identifikován.

Infračervené záření emitované v detektoru obsahuje vlny o různých vlnových délkách. Když tyto vlny interagují s molekulami plynu, určitá část vlnění má stejnou frekvenci jako vibrace atomových vazeb a je pohlcena, zatímco zbytek projde. Pohlcená energie způsobí nárůst teploty. Koncentraci plynu lze tedy zjistit dvěma způsoby:

• měřením teploty
• měřením pohlceného záření

Množství absorbované energie IČ záření je závislé molekulové struktuře daného uhlovodíku a jeho koncentraci. Detektor je nejméně citlivý na metan (CH₄). U propanu (C₃H₈) a butanu (C₄H₁₀) jeho citlivost prudce stoupá - důkazem toho je fakt, že IČ detektor kalibrovaný na 100 % čistý metan se "zahltí" (saturuje) pouhými několika procenty propanu nebo butanu - v paměti přístroje musí být proto uloženy spektrální křivky detekovaných plynů.

IČ detektory mají dlouhou životnost, obvykle 3 až 5 let.

Příklad polovodičového senzoru a detektoru je uveden na obrázku 7.

a) Infračervený senzor

b) Infračervený detektor

Fotoionizační senzory

Fotoionizační senzor pracuje na principu ionizace molekul plynu UV zářením. Je používán především k detekci těkavých organických látek.

Ultrafialové záření je součást elektromagnetického spektra, ležící přímo před oblastí viditelného světla (viz obrázek 6). Vlnová délka UV záření je kratší než u infračerveného nebo viditelného světla a protože kratším vlnovým délkám odpovídají vyšší frekvence, má toto záření i vyšší energii.

Srdcem fotoionizačního detektoru je zdroj ultrafialového záření, kterým je UV lampa. Původní verze obsahovaly uvnitř lampy elektrody, podobné těm, které byly kdysi používány ve vakuových trubicích v televizích a rádiích. Lampy používané dnes nemají elektrody uvnitř, ale vně, jsou levnější a mají delší životnost. V 80. letech došlo k pokroku ve vývoji integrovaných obvodů a spolu s tím vznikala elektronika schopná lépe zaznamenávat slabý signál z fotoionizačních senzorů a převést ho na spolehlivá a užitečná data. Tyto skutečnosti vedly k vývoji malých, přenosných fotoionizačních detektorů, které jsou praktické, spolehlivé, mají rychlou odezvu a jsou schopny měřit i nízké koncentrace plynu. Dnes jsou fotoionizační senzory nejpoužívanějšími zařízeními k detekci těkavých organických látek.

Lampa je naplněna inertním plynem o nízkém tlaku. Pokud je tomuto plynu dodána energie odpovídající přirozené energii vibrací molekul, dojde k vybuzení UV záření, jež je schopno ionizovat celou řadu těkavých organických látek.

Fotoionizační senzory mají rychlou odezvu a nabízejí vysokou přesnost a citlivost při detekci nízkých koncentrací těkavých organických látek. Hlavní nevýhodou těchto přístrojů je, že fotoionizační lampa vyžaduje časté čištění. Protože okénko lampy je přímo vystaveno detekovanému plynu, má rozhodující vliv na přesnost měření jeho stav a kvalita. Detektor se znečištěným a čistým okénkem bude dávat zcela odlišné výsledky. Tyto senzory nejsou tedy příliš vhodné pro stacionární aplikace. Jsou proto používány spíše u přenosných přístrojů.

Životnost závisí na druhu lampy. Bývá asi 6 000 hodin.

Příklad fotoionizačního senzoru a detektoru je uveden na obrázku 8.

a) UV lampa

b) Fotoionizační detektor

Z uvedeného přehledu je zřejmé, že na trhu je k dispozici velký výběr všech možných detektorů, a to jak přenosných, tak i stabilních. Tyto přístroje poskytují účinnou ochranu v různých průmyslových i neprůmyslových aplikacích.