ÚJ IRÁNYZATOK A MŰSZER ÉS MÉRÉSTECHNIKÁBAN |
A gázveszély-jelző műszerekben használt mérési módszerek ismertetése
Az iparban dolgozók, és a termelés, illetve a termelési
eszközök biztonságáért felelős személyek jól ismerik az iparban,
katasztrófavédelemben stb. előforduló gázveszély-jelzéssel összefüggő
mérési és felügyeleti feladatokat. Ez a cikk a megfelelő mérési módszer
kiválasztásában nyújt segítséget azok számára, akik ilyen területen
dolgoznak. A személyi védelemre vagy telepített rendszerként használt gázveszély-jelző
műszerek, a veszélyes gázok elleni védelemet szolgálják. Ezek a
biztonságtechnikai készülékek riasztják a felhasználójukat a mérgező-
vagy robbanásveszélyes gázok jelenlétekor, illetve oxigénhiány esetén. A
gázérzékelő műszerek fő alkatelemei az érzékelők,
tulajdonképpen ezek határozzák meg a felhasználási területüket. A műszerek
kiválasztásakor különféle kérdések merülnek fel:
Melyik mérési elven működő készülék a
legalkalmasabb az adott területre?
Miért használnak adott típusú érzékelőket az
egyes gázokra?
Milyen az érzékelők teljes- és az “üresjárási”
élettartama?
Miként lehet kiválasztani az egyes felhasználási területekre a legalkalmasabb műszert?
A következőkben megpróbálunk választ adni ezekre a
kérdésekre, áttekintést adva az
érzékelők mérési elvéről, használatuk előnyeiről és
esetleges hátrányaikról.. A gázérzékelők kiválasztására szolgáló
útmutatóban a cikk végén táblázatos formában is összehasonlítjuk a különböző
érzékelőtípusokat.
A katalitikus érzékelőt (KÉ) általában éghető gázok és gőzök jelenlétének érzékelésére és mérésére használják alsó robbanási határ (ARH) 0...100% méréstartományban. A érzékelő két elemből áll, az egyik a tényleges érzékelő, a másik a kompenzátor (1. ábra). Az érzékelő mindkét eleme tekercselt fémszál (általában platina), amelyeket egy Wheatstone hídba kapcsolnak. Az érzékelő elemet katalizátorral vonják be (katalitikusan aktív), ennek felületén izzításakor az éghető gáz elég. A gáz elégése megnöveli az érzékelő hőmérséklet és ez által megnő annak ellenállása. A kompenzátor-szálat katalitikusan inaktív anyaggal vonják be “elszennyezik”, így annak felületén a mintagáz nem ég el, és ezért nem változik az ellenállása. Ez a tekercs arra szolgál, hogy kiegyenlítse (kompenzálja) a mérendő gáz nedvességének és hőmérséklet változásának hatását. A érzékelő válasza, a légtérben lévő éghető gázokra, függ a gáz összetételétől, molekulasúlyától és gőznyomásától. Megfelelő működéséhez a mintában legalább 5...10 tf% oxigénnek kell lennie. A mérés pontossága tehát függ az oxigéntartalomtól. A katalitikus érzékelő kevésbé érzékeny a hőmérséklet és páratartalom hatására, nagyobb az ismétlőképessége és a viszonylagos (relatív) stabilitása. Hátránya, hogy bizonyos gázok jelenléte az érzékelőt "mérgezi" vagy inhibíciót (gátlás, késleltetés) okoz, ez csökkenti az érzékenységét, vagy jóvátehetetlenül károsítja az érizékelőt. A leggyakoribb "mérgek" és kémiai reakciókat gátló anyagok (inhibitorok:) az ólom, a higany, a foszfor, valamint a kén és halogénelemek vegyületei, továbbá a szilikon-vegyületek. A katalitikus elégetés elvén működő érzékelőket hordozható műszerekben és telepített rendszerek távmérőfejeiben is használják.
1. ábra. A katalitikus elégetés elvén működő érzékelő elvi felépítése
*MSA-AUER Hungária Kft. A katalitikus érzékelők főbb jellemzői:
|
A hővezetéses
elvén működő (HK) érzékelőket néhány éve használják az
éghető gázok mérésére szolgáló műszerekben az ARH% feletti méréstartományban
és gázszivárgás keresésre. A 2. ábrán látható érzékelő két
elemből áll, mindkettő egy tekercselt fémszál (néhány esetben a
tekercset bevonják). Az érzékelő elemhez (detektor) bejut a környezetben
lévő gázelegy. Ezzel szemben a másik
elem (kompenzátor) légmentesen záródó térben van, amelyben pl. nitrogén
van. Ez az elem egyenlíti ki (kompenzálja) a környezeti hőmérséklet változás
hatását. Az elemeket körülbelül 250 °C hőmérsékletre fűtik. Az
elemen (detektorszál) keletkező hőt a környező gáz elvezeti.
Az elvezetett hőmennyiség függ a gáz hővezető-képességétől,
amely egy anyagra jellemző érték. A hőelvezetés miatt az érzékelő
elem hőmérséklete megváltozik, és ez a változás mérhető egy hídáramkörrel.
A hővezetéses elven működő érzékelő leglényegesebb előnye,
hogy működéséhez nem szükséges oxigén, és a érzékelő nem érzékeny
a mérgezésre. Hátránya, hogy nem lehet mérni vele olyan gázokat, amelyek hővezető-képessége
szempontjából hasonlítanak a referencia gázra (azaz a nitrogénre). A hővezetéses
elven működő érzékelőket elsősorban szivárgáskeresőkben,
vagy 100 térf %-ig történő
koncentrációmérésre alkalmas hordozható műszerekben használják.
A gázveszély-jelző készülékek gyártásában nagy
tapasztalattal, és fejlett gyártástechnológiával rendelkező cégek a
HK és KÉ elven működő érzékelők együttesét használják,
amellyel ki lehet küszöbölni a mérendő gáz változó oxigén tartalmából
adódó hibát.
2. ábra. A HK érzékelő elvi felépítése
Főbb jellemzők:
|
A fényelnyelés elvén
működő érzékelőket a gyakorlatban általában infravörös érzékelőknek
nevezik. A mérés elve az, hogy a gázok a fényenergiát egy jellegzetes hullámhosszon
az infravörös tartományban elnyelik. A sugarak elnyelése azok hullámhosszától,
a gáz fajtájától és a gázréteg vastagságától függ. A fényelnyelés
elvén működő gázérzékelők a következő legfontosabb
elemekből állnak: egy fényforrás, amely lehet például egy izzólámpa
vagy egy félvezető sugárforrás is, egy mérőkamra, amelybe a mintagáz
bejut, és egy optikai szűrővel ellátott érzékelő (3. ábra).
A fény áthatol a mérőkamrán és az érzékelőre jut. Ha a mérendő
gáz a kamrába kerül, az egy adott, a gázra jellemző hullámhosszon vagy
hullámsávban elnyeli a fényt. A gázkoncentráció egyenesen arányos az
elnyelt energia mennyiségével A szűrő (interferenciaszűrő)
teszi lehetővé a mintagázra jellemző elnyelési hullámhosszsáv beállítását.
Ha a szűrő sávszélessége keskenyebb, akkor kisebb a hullámhosszsáv
is, és ezért nagyobb az érzékenység. A légnedvesség, az izzó fényerejének
változása, por és szennyeződések hatása a két érzékelőre
azonos, ezáltal kompenzálják egymást.
A fényelnyelési
elven müködő érzékelők használatát korlátozza az egyes gázok
elnyelési tartományának (adszorpciós spektrumának) sajátossága. Ezzel a mérési
módszerrel egyszerű atomos, illetve molekuláris felépítésű gázok
nem mérhetők. Az infravörös érzékelők semleges környezetben is képesek
mérni a gázokat (kis oxigéntartalmú vagy oxigénmentes a térben is), nem érzékenyek
mérgezésre, pontosan beállíthatók egy meghatározott gáz mérésére. Az
infravörös érzékelők különlegesen stabilak, nagyon rövid a megszólalási
idejük és nagyon kicsi az ún. hosszúidejű nullpont eltolódásuk (driftjük). 3. ábra. Az infravörös
érzékelő elvi felépítése: 1. sugárforrás,
2-5. ablak, 3. mérőkamra, 4. homorú tükör, 6. sugárosztó,
7. interferenciaszűrő a viszonyítási (referencia) hullámhossz
előállítására, 9. interferenciaszűrő, 8-10. (piroelektronikai)
mérőérzékelő |
A különféle MOS érzékelők klórozott összetevőket tartalmazó éghető gázokat, valamint néhány mérgező gázt, mint pl. szénmonoxid vagy kénhidrogén képesek érzékelni és mérni. A MOS érzékelők nem érzékenyek agresszív anyagokra, így ezek ismeretlen gázösszetételű környezetben is használhatóak. A MOS érzékelők általában alumínium hengeren lévő porkohászati eljárással (színterelt) fémoxid (ón-, cin vagy vas) filmből állnak, amelyet körülvesz egy fűtőszál (4. ábra). Két aranyozott elektródát helyeznek az eloxált hengerek végéhez. Az egész érzékelő elemet egy fémházba zárják, amelyet egy rozsdamentes acélból készült hálószövésű fedéllel látnak el. A fedél egyidejűleg egy lángzár és gázáteresztő feltét. Méréskor az érzékelő elemet 250...350 °C-ra fűtik. Az érzékelőelembe jutó gáz reakcióba lép az oxidréteggel (vagy egyes mérgező gázok adszorbeálódnak a felületen), és ez ellenálláscsökkenést okoz a két elektróda között.
A MOS érzékelő kimeneti jele logaritmikusan változik
a gázkoncentráció függvényében. Ez korlátozza a érzékelő pontosságát
és mérési tartományát. Az oxigénkoncentráció változása, a nedvesség
és a hőmérséklet változása is befolyásolja a mérési pontosságot. Bár
a MOS érzékelők előállítási költsége viszonylag kicsi, a érzékelő
ismétlőképessége és állandósága meglehetősen gyenge. A érzékelő
energiaszükséglete nagy, mivel az elemet fűteni kell, ez korlátozza
használatukat hordozható készülékekben. A MOS érzékelőket általában
a telepített gázérzékelő rendszerekben használják. |
|
Az elektrokémiai
elven működő érzékelőket széles körben használják
mérgező gázok érzékelésére, mérési tartományuk néhány
ppm-től kezdődik, az oxigént térfogatszázalék tartományban tudnak
mérni. Az elektrokémiai elven működő érzékelők különböző
mérgező gázok mérésére
használhatók, beleértve a szén-monoxidot, a kén-hidrogént, a kén-dioxidot,
a nitrogéndioxidot. Az érzékelőt egy adott gáz mérésére készítik,
ennek ellenére az gyakran mutat keresztérzékenységet más, a légkörben lévő
gázzal vagy gázokkal szemben. Az elektrokémiai érzékelők alapelemei:
az érzékelő elektród, az ellenelektród, valamint általában egy összehasonlító
(referencia) elektród (5. ábra). Az elektródokat zárt, elektrolittal töltött
házban helyezik el. A gáz diffúziós membránon keresztül jut az érzékelőelektródra.
Ha a gáz az elektródra,vagy az elektrolitba, ezt követően a mérőelektródra
jut, és kémiai reakció - oxidáció vagy redukció - játszódik le. A reakció
típusa a mérni kívánt gáztól függ. A szén-monoxid pl. szén-dioxiddá
alakul, (oxidáció) az oxigénből pedig víz képződik (redukció). A
reakció következtében áram keletkezik, a kimeneti jel a gáz koncentrációjával
egyenesen arányos. Az elektrokémiai reakción alapuló érzékelők kisméretűek,
energia igényük szintén kicsi, így hordozható műszerekben is használhatók.
Az érzékelők hőmérsékleti tartománya széles (-20 °C...+50 °C),
mert a jelfeldolgozó áramkörbe hőmérséklet-kiegyenlítő (kompenzáló)
elemeket építenek be. Összefoglalva: az elektrokémiai elven működő
érzékelők nagyon jól használhatók mérgező gázok, valamint oxigén
mérésére, hordozható és telepített rendszerekben egyaránt.
5. ábra. Az elektrokémiai érzékelő elvi felépítése |
Összefoglalva: az elektrokémiai elven működő érzékelők nagyon jól használhatók mérgező gázok, valamint oxigén mérésére, hordozható és telepített rendszerekben egyaránt.
A fotoionizációs elven működő érzékelőket
(PID) olyan esetekben használják, amikor nagy érzékenységre (a mérni kívánt
mennyiség 1...100 ppm lehet) és
korlátozott szelektivitásra (szélessávú érzékelésre) van szükség
(6. ábra). A műszereket általában illékony szerves vegyületek, mint
pl. benzin, toluol, xilol, vinilklorid, hexán
stb. mérésére használják. Ezek a készülékek - az ilyen anyagok érzékelése
esetén - rövid megszólalási
idejüek. A PID működése az érzékelő kamrába beáramló
anyagminta összetevőinek az ionizációján alapul. A töltött részecskék
az érzékelőben lévő elektród felületén kötödnek meg. Az elektród
felületén megkötödött anyagot nagy energiájú ultraibolya sugárzással
ionizálják. A PID műszer azoknak a vegyületeknek meghatározására
használhatók, amelyeknek az ionizálási potenciálja (elektronvolt-ban
megadva) kisebb vagy egyenlő, mint az UV lámpa sugárzási energiája (foton-kibocsátási
energia). Ennek az eljárásnak a legnagyobb előnye a
rövid megszólalási idő és a kiváló üresjárási élettartam.
A lámpa élettartama viszont rövidebb lehet a nagyobb energiatartományokban.
Átlagos élettartamuk 400....6000 üzemóra. Nagy hátránya a PID műszereknek,
hogy a nedvességre érzékenyek és hajlamosak a nullponteltolódásra (drift).
Ezért gyakrabban kell kalibrálni, mint más elven működő gázérzékelő
műszereket. Ezt a műszert általában hordozható műszerekben
használják.
6. ábra. Fotóionizációs elven működő
érzékelő elvi felépítése |
Az infravörös fotóakusztikus
gázmonitorok mérési elve a fotóakusztikus hatáson alapul. E mérésnél zárt
térben keletkező hangmező létrehozásáról van szó, egy intenzitásmodulált
sugárzás adszorpciója által. Az adszorpció intenzitása arányos a mérni kívánt
gáz koncentrációjával. A gázok az infravörös tartományban jellegzetes
elnyelési tulajdonságokat mutatnak, egy különleges infravörös szűrővel
ellátott műszerrel, meghatározott gázokat egyenként (szelektíven)
lehet kimutatni. Az érzékelőben a sugárzás modulálódik. A mért gáz
által létrehozott nyomásváltozást kondenzátormikrofon érzékeli és alakítja
át elektromos jellé, majd az elektronika felerősíti, és feldolgozza. E
módszerrel a mérgező gázok, pl. ammónia és hütőközegek nagyon
pontosan meghatározhatók.
A módszer előnyei:
a mérés oxigénmentes közegben is végrehajtható,
szilikonok, nehézfém
vegyületek, halogének vagy kénvegyületek nem szennyezik az érzékelőt,
a mérendő gáz
nedvességtartalma nem befolyásolja a mérést,
kimagaslóan jó
nullpont-tartás,
mérgező gázok és hűtőközegek mérésekor lehetővé teszi akár a 3 ppm-es riasztási szint beállítását is.
A hátrányok:
a mérőműszer
drága,
a készülékek újrakalibrálása
nehézkes.
Az ismertetés remélhetően átfogó tájékoztatást
nyújtott a gázérzékelőkről. Néhány
eljárás már ötven éves, a kutatás és a fejlesztés területén állandó
erőfeszítések történnek a gázérzékelő műszerek teljesítőképességének
fokozására. Ezenfelül új eljárások vezetnek be a kutatás és fejlesztéshez
és az ipari és más igények kielégítésére. Néhány esetben csak közelítő
eredményt nyújtó meghatározás szükséges, más esetben nagyon pontos méréseket
kell végezni. A jól kiválasztott érzékelő, egy hozzáillesztett
elektronikával megfelelő védelmet nyújthat a veszélyes gázokkal
szemben.
A személyvédelemre szolgáló gázérzékelők típusainak osztályozása
katalitikus elégetés | hővezetés | NDIR (infravörös) |
MOS (félvezető) |
elektrokémiai (O2) |
elektrokémiai (mérgező) |
fotoionizációs | |
méréshatár2 | ARH% | 0...100 V/V% |
0...100 V/V% |
10000 ppm-től |
0...30 V/V% |
ppb...ppm | ppb...ppm |
élettartam3 | ···· | ···· | ····· | ····· | ··· | ···· | ·· |
üresjárási időtartam4 | ····· | ····· | ······ | ····· | ··· | ··· | ······ |
meghatározott gázok5 | ··· | · | ···· | ·· | ······ | ···· | · |
megszólalási idő6 | ···· | ···· | ··· | ···· | ···· | ···· | ····· |
energia felhasználás7 | ··· | ··· | ··· | · | ····· | ····· | ···· |
ismétlőépesség8 | ···· | ··· | ····· | ·· | ···· | ···· | ··· |
stabilitás/null- ponteltolódás9 |
···· | ··· | ····· | ·· | ···· | ···· | ·· |
kalibráció10 időközök |
havonta | havonta | kétszer évente vagy évente |
havonta | havonta | havonta | havonta |
hőmérsékleti tartomány11 | ····· | ···· | ···· | ···· | ···· | ···· | ·· |
A nedvesség hatása12 | ···· | · | ····· | ·· | ···· | ···· | · |
ár Ft | 100.000 | 100.000 | 100.000 | 25.000 | 100.000 | 170.000 | 170.000 |
1.
A érzékelők sajátosságai, rangsorolva a következő
besorolások szerint: gyenge ·, megfelelő ··,
jó ···,
2.
Mérési tartomány, ppb/ppm szint a mérgező gázokra,
ARH % tartomány az éghető gázokra, térf
% tartomány az oxigén mérésénél
3.
A érzékelők várható élettartama: < 3 hónap ·,
< 1 év ··,
< 2 év ···,
< 5 év ····,
> 5 év ·····
4.
“Üresjárási” élettartam; néhány érzékelő
esetében megfelelő száraz, hűvös helyen történő tárolás
esetében lényegében korlátlan ·····,
de pl. az elektrokémiai cellás érzékelők esetében 6 hónap ···.
5.
A érzékelőket besorolhatjuk meghatározott gázokra történő
kalibrálhatóságuk szerint: ·-·····.
6.
Megszólalási idő, amíg az üzemkész állapotban lévő
érzékelő eléri a mért érték 90 %-át.
7.
Teljesítményfelvételi igény, különösen fontos a
hordozható műszerek esetében a korlátozott akkumulátorteljesítmény
miatt.
8.
A mérés ismétlőképessége az egymást követő
kalibrálások között.
9.
Néhány érzékelő esetében lassú nullponteltolódás
észlelhető. Ez az ún. drift meghatározza a nulla és érzékenység
kalibrálás gyakoriságát.
10.
A kalibrálás gyakorisága (tájékoztató jellegű érték,
ugyanazon mérési elven működő érzékelők esetében a különböző
anyagok szerint is lehet eltérés). Megjegyzés: A kalibrálás összehasonlítás
egy hiteles anyagmintával, amely rögzíti a talált metrológiai jellemzőket.
Nem azonos a beszabályozással.
11.
A legtöbb érzékelő megbízhatóan működik
40...50 °C-ig. Alacsonyabb hőmérsékleti tartományban, mialatt néhány
típus -40 °C alatt is működőképes ·····.,
mások csak 0 °C fölött képesek megfelelően működni ·.
12.
Rövididejű nem kondenzálódó nedvesség hatása.
Török Attila
A laprendszer készítője: UFE Bt.