W wielu procesach realizowanych w zakładach produkcyjnych konieczne jest monitorowanie występowania i stężeń różnych gazów. Wykorzystuje się w tym celu urządzenia stacjonarne i przenośne. Rodzaj wykorzystywanych urządzeń wynika z potrzeb związanych ze stosowanymi technologiami i wymaganiami dotyczącymi zachowania odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa na stanowiskach pracy.
Detektor gazu jest urządzeniem, które pomaga w wykrywaniu obecności gazów i często stanowi element systemu bezpieczeństwa w zakładach przemysłowych. Jak podkreślono w opublikowanym w tym roku przez Market Research Future (MRFR) raporcie, większość detektorów gazu wykorzystuje obecnie technologię łączności bezprzewodowej, np.: ZigBee, Wi-MAX, Wi-Fi i Blue-tooth, do łączenia się z komputerami stacjonarnymi, tabletami lub smartfonami. Stosowane są w nich także różne typy czujników, np. elektrochemiczne czujniki gazu, półprzewodnikowe, podczerwieni i ultradźwiękowe.
Urządzenia do wykrywania gazu mają szeroki zakres zastosowań – od budynków mieszkalnych, przez użyteczności publicznej, samochody, po obiekty przemysłowe. Czujniki gazów znajdują też wiele nowatorskich zastosowań. Jak informowano w lipcu bieżącego roku, naukowcy z Instytutu Bioinżynierii Katalonii i Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Barcelonie zaprojektowali nanodron SNAV do wykrywania toksycznych gazów w sytuacjach awaryjnych. Będzie on pomocny w trakcie prowadzenia akcji ratunkowych, szczególnie w budynkach zawalonych z powodu wybuchów i trzęsień ziemi.
Rynek urządzeń do wykrywania gazu
Według raportu opublikowanego w czerwcu tego roku przez Zion Market Research, dotyczącego rynku urządzeń do wykrywania gazu (systemów przenośnych i stacjonarnych), globalny rynek tego typu urządzeń w 2018 r. miał wartość 2,87 mld dolarów. Oczekuje się, że do 2025 r. osiągnie on 3,89 mld dolarów, przy średnim rocznym wzroście w latach 2019–2025 na poziomie 5,2%.
Jeśli chodzi o technologie, to rynek sprzętu do wykrywania gazu dzieli się na przystosowane do wykrywania: wielu rodzajów gazów oraz pojedynczych gazów. Jak oceniają specjaliści, w okresie prognozy, czyli do 2025 r., na rynku będzie dominował segment urządzeń do wykrywania jednego rodzaju gazu.
Główne gałęzie przemysłu, w których wykorzystuje się detektory gazu, to: przemysł chemiczny, przetwórstwa ropy i gazu, a także uzdatniania wody i ścieków.
Analitycy zwrócili uwagę, że sprzęt do wykrywania gazu jest często wykorzystywany jako część systemu bezpieczeństwa, który rozpoznaje np. wycieki kilku rodzajów gazów na danym obszarze. Urządzenia wykrywające gaz są połączone z systemem sterowania, aby w przypadku wykrycia takich incydentów alarmować pracowników i kierować ich ewakuacją oraz automatycznie zatrzymać proces produkcyjny.
Jak wiadomo, na całym świecie przykłada się coraz większą wagę do bezpieczeństwa pracowników. Dlatego oczekuje się, że globalne zapotrzebowanie na urządzenia do monitorowania stężeń gazu i do wykrywania obecności gazów niebezpiecznych będzie stale rosło, szczególnie w segmencie przemysłowym. Autorzy raportu oczekują, że najszybciej rozwijającym się w ciągu najbliższych kilku lat będzie rynek urządzeń do wykrywania gazu w regionie Azji i Pacyfiku.
Według oceny analityków firmy Zion Market Research głównymi graczami na globalnym rynku sprzętu do wykrywania gazu są firmy: Industrial Scientific, MSA Safety, Drägerwerk, Honeywell International, Riken Keiki, General Electric, Siemens, Thermo Fisher Scientific, RAE Systems, Emerson Electric, Sensor Electronics, ESP Safety, Airtest Technologies, Tyco International i Trolex.
Przede wszystkim bezpieczeństwo
W artykule o roli detektorów gazów palnych i toksycznych dla bezpieczeństwa zakładów przemysłowych, opublikowanym w czerwcu 2019 r. przez portal Environmental Technology1, zwrócono uwagę, że np. wodór, gaz palny, jest bezbarwny, bezwonny, bez smaku i nietoksyczny, ale zajmuje najwyższą pozycję w rankingu palności według NFPA (National Fire Protection Association). Jest łatwopalny, nawet jeśli tylko niewielkie jego ilości zostaną zmieszane z powietrzem.
Z kolei niskie stężenie toksycznych gazów takich jak amoniak może wywoływać kaszel oraz podrażnienie nosa i gardła. Chlor, choć sam nie jest łatwopalny, może reagować wybuchowo lub tworzyć związki wybuchowe z innymi związkami chemicznymi, takimi jak terpentyna i amoniak.
Zgodnie z normami z grupy IEC 60079-29 i IEC 62990, system bezpieczeństwa powinien zapewniać więcej niż tylko wykrywanie obecności gazów palnych i toksycznych. Musi umożliwiać powiadomienie o alarmie, jeśli dane z detektorów osiągną określony próg, oraz automatycznie podejmować działania naprawcze, takie jak zwiększenie wentylacji, zamknięcie zaworu lub drzwi albo odłączenie zasilania urządzeń w celu ograniczenia ryzyka. Przenośne detektory gazu zmniejszą ryzyko dla personelu, zapewniając pełne pokrycie wykrywania we wszystkich miejscach pracy.
Obecnie dostępnych jest wiele różnych technologii wykrywania gazu i przy wyborze do zastosowania w konkretnym przypadku należy rozważyć możliwości, zalety i wady każdej z nich. Punktowe detektory gazu monitorują określony obszar lub punkt w obiekcie (gaz musi wejść w kontakt z detektorem, aby nastąpiło jego wykrycie) i wymagają kalibracji. Powinny być też w sposób przemyślany rozmieszczone, by odpowiednio wcześnie wykryły gaz.
Do wykrywania gazów palnych najczęściej wybiera się detektory katalityczne i punktowe czujniki podczerwieni (IR). Czujniki katalityczne oferują dobrą powtarzalność i dokładność, szybki czas reakcji i niski koszt początkowy. Podobnie jak w przypadku detektorów katalitycznych, detektory IR muszą znaleźć się w chmurze gazu, aby nastąpiło wykrycie, i mogą wykrywać tylko węglowodory (nie wykrywają zagrożenia wodorem). Jedną z ich zalet jest np. większa odporność na zanieczyszczenia. W przypadku gazów toksycznych najczęściej stosowanymi technologiami detektorów stałych są ogniwa elektrochemiczne (EC) i czujniki półprzewodnikowe z tlenkiem metalu (MOS).
Warto również zwrócić uwagę na ultradźwiękowe detektory wycieków gazu, mogące rozpoznawać dźwięki o wysokiej częstotliwości, emitowane przez gaz wydostający się z przewodów pod ciśnieniem. Jeśli w zakładzie są warunki, które mogą temu sprzyjać, to zaletą detektorów akustycznych jest szybsze wykrywanie takich zdarzeń, bo nie potrzeba bezpośredniego kontaktu gazu z czujnikiem. Są też odporne na warunki środowiskowe (deszcz, mgła, wiatr lub ekstremalne temperatury).
Miniaturyzacja i zastosowanie nowoczesnych czujników spowodowało wzrost zainteresowania przenośnymi detektorami wielogazowymi. Rozwój różnych technologii, w tym do komunikacji bezprzewodowej, pozwala wyposażać pracowników w urządzenia, dzięki którym można znacznie zwiększyć poziom ich bezpieczeństwa. Dostępne są urządzenia, w których zintegrowano np. detektor wielogazowy, czujnik bezruchu i czujnik upadku użytkownika.
Przykładem takiego rozwiązania jest detektor wielogazowy z czujnikiem bezruchu, czujnikiem upadku i lokalizacją GPS – Blackline G7c kanadyjskiej firmy Blackline Safety. System współpracuje z portalem Blackline Live operatora, umożliwiającym podgląd lokalizacji urządzeń i alarmów, komunikację oraz zbieranie danych Blackline Analytics. Wbudowany moduł GPS pozwala z kolei na lokalizację G7c i wskazanie jego pozycji na mapie. W miejscach, do których nie dociera sygnał GPS, portal podaje ostatnie znane położenie urządzenia. Dane pobierane z sieci GSM nie są dokładne, dlatego w budynkach stosuje się tzw. etykiety (beacon) – małe urządzenia zasilane przez baterie, które umieszcza się w różnych miejscach w zakładzie produkcyjnym i odwzorowuje na planie zakładu umieszczonym w portalu. Komunikują się one z przenośnymi modułami detektorów pracowników, co pozwala szybko odnaleźć użytkownika potrzebującego pomocy.
Aspekty praktyczne
Jak mówi Tomasz Kolago z firmy Technopomiar, jednym z istotnych parametrów czujników gazów palnych jest czas odpowiedzi. Są aplikacje, w których ma on szczególne znaczenie ze względu na bezpieczeństwo obiektu lub instalacji oraz prawdopodobieństwo szybkiej ucieczki gazu z miejsca zabudowy detektora. Sugeruje się, by czas odpowiedzi czujnika T90 wynosił <10 sekund. Czujniki gazów palnych powinny mieć ustawioną czułość na wykrywane gazy lub opary.
Przy doborze i kalibracji czujników należy uzyskać od przedstawiciela producenta informacje dotyczące zalecanych gazów kalibracyjnych oraz odpowiednich współczynników korekcji. Natomiast przy doborze czujników elektrochemicznych trzeba brać pod uwagę ich czułość skrośną na inne gazy i informować o niej klienta końcowego. Przykładowo, celka elektrochemiczna do detekcji tlenku węgla wskazuje czułość skrośną na wodór (100 ppm H2 zostanie wykryte jako 33 ppm CO) oraz tlenek azotu (100 ppm NO zostanie wykryte jako 25 ppm CO).
Tomasz Kolago podkreśla, że należy bezwzględnie przestrzegać podanych przez producenta terminów kalibracji systemu detekcji. Dotyczy to zwłaszcza czujników, które w wypadku uszkodzenia elementu pomiarowego będą wskazywały koncentrację zerową (np. czujniki elektrochemiczne). Również wysokie stężenia monitorowanych gazów mogą uszkodzić czujnik, np. wyczerpać celkę elektrochemiczną lub uszkodzić element pomiarowy czujnika katalitycznego gazów palnych. Dlatego niezwykle ważne jest, by po przekroczeniu koncentracji alarmowej sprawdzić czujnik gazami wzorcowymi, a jeśli jest to konieczne, wymienić go lub wykalibrować. Dlatego zaleca się, by użytkownik potrafił skalibrować posiadany system detekcji, miał odpowiednie wyposażenie lub był w stałym kontakcie z lokalnym serwisem producenta.
Jak dodaje ekspert z firmy Technopomiar, często nie jest możliwe pełne zabezpieczenie obiektu oraz personelu za pomocą stacjonarnych systemów detekcji gazów. Dlatego personel, zwłaszcza poruszający się w obszarach szczególnie narażonych na wystąpienie niebezpiecznych koncentracji gazów toksycznych, palnych lub braku tlenu, powinien być wyposażony w mierniki osobiste.
Na rynku dostępne są rozwiązania dodatkowo oferujące możliwość zdalnego śledzenia koncentracji oraz lokalizacji miernika osobistego (GPS oraz łączność BLE, Wi-Fi, radiowa 902-928 MHz lub ISM 802.15.4 2.4 GHz, o zasięgu do 3 km). Natomiast detektory fotojonizacyjne mogą wykrywać szerokie spektrum substancji, w tym opary organicznych związków chemicznych takich jak rozpuszczalniki. Każdy pierwiastek lub związek chemiczny ma określony potencjał jonizacji, czyli ilość energii niezbędną do przemieszczenia elektronu i jego „jonizacji”, wyrażoną w eV. Jeśli potencjał jonizacji próbki gazu będzie mniejszy niż energia lampy w eV, nastąpi jonizacja gazu, czyli rozbicie na jony dodatnie i ujemne, które mogą zostać łatwo zliczone przez detektor. Detektory fotojonizacyjne ze względu na bardzo dużą grupę wykrywanych związków wykorzystują tzw. współczynniki korekcyjne (CF), które umożliwiają dostosowanie czułości lampy PID w celu bezpośredniego pomiaru konkretnego gazu w porównaniu z gazem kalibracyjnym. Dzięki temu nie ma konieczności wykorzystywania osobnego gazu kalibracyjnego dla każdego związku.
Co na rynku
Na rynku jest duży wybór stacjonarnych i przenośnych urządzeń monitorujących natężenie gazów, jak mówi Sławomir Kulczyński z firmy MERA, oferującej przenośne detektory i mierniki gazów. W jej ofercie znajdują się urządzenia niemieckiej firmy Testo, polskiej firmy Temat oraz amerykańskiej firmy Bacharach. Detektory firmy Testo to: testo 317-2, CO testo 317-3 oraz testo 316-1. Urządzenia firmy Bacharach to: detektor gazu Leakator 10 i gazów oraz czynników chłodnicznych Informant 2. Jeśli chodzi o wykrywacze nieszczelności instalacji gazowej firmy Temat, są to urządzenia CG-1S oraz CG-1U i CG-M1S.
W przypadku wszystkich wykrywaczy nieszczelności dostępne są modele z wysięgnikiem oraz z peszlem. Wersje miernika z wysięgnikiem pozwalają na kontrolę domowych instalacji gazowych na wysokości ok. 3 m (model CG-1U-W). Natomiast wersje z peszlem mogą służyć np. do kontroli instalacji gazowych w samochodzie (model CG-1U-P).
Z kolei firma Introl oferuje zarówno stacjonarne systemy detekcji, jak i detektory osobiste, np. model QRAE 3 firmy RAE Systems (Honeywell) – uniwersalny detektor gazów, który zapewnia stały monitoring poziomu tlenu (O2), substancji łatwopalnych (LEL) i gazów toksycznych, w tym siarkowodoru (H2S), tlenku węgla (CO), dwutlenku siarki (SO2), cyjanowodoru (HCN) i innych, dla pracowników i osób pracujących w niebezpiecznych środowiskach. Jak podaje firma, urządzenie ma pięciodrożny alarm i skuteczną sygnalizację zagrożenia. Dzięki wbudowanej komunikacji bezprzewodowej można obserwować pomiar i stany alarmów w sposób ciągły w czasie rzeczywistym. Wyposażenie detektora w komunikację bezprzewodową pozwala na użycie urządzenia w zamkniętym systemie pętli (kompatybilnym z hostem EchoView) lub z oprogramowaniem ProRAE Guardian, Real-Time Wireless Safety System.
Znanym na naszym rynku producentem mierników i systemów wykrywania gazów wybuchowych, toksycznych, tlenu i freonów jest przedsiębiorstwo GAZEX. Jak informuje firma, przenośne detektory gazów toksycznych, wybuchowych i tlenu z rodziny urządzeń miniTOX 3x mogą mierzyć jednocześnie stężenia czterech różnych gazów. Technologia mikroprocesorowa i oryginalne oprogramowanie firmy umożliwiają jednoczesne monitorowanie stężeń od jednego do czterech gazów, kontrolę przekroczenia dwóch ustawialnych progów alarmowych, zliczanie wartości średnich ważonych NDS i NDSCh dla gazów toksycznych, archiwizację wyników z ostatnich 10 godzin pracy w pamięci wewnętrznej oraz komunikację z komputerem PC. Wykorzystuje się w nich sensory katalityczne, elektrochemiczne lub optyczne (Infra-Red). Wszystkie detektory są wzorcowane we własnym Laboratorium Wzorcującym, działającym zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17025 (akredytacja PCA nr AP150).
Przy realizacji niektórych procesów w przemyśle potrzebna jest nie tylko detekcja gazów, ale też ich stała analiza. Z takich analizatorów gazów korzysta się przy monitorowaniu emisji w spalarniach odpadów i elektrowniach, przy analizie gazów w przemyśle chemicznym, monitorowaniu pieców obrotowych w cementowniach i podobnych zastosowaniach. Tego typu urządzenia oferuje np. firma Siemens. Spośród jej rozwiązań można wymienić np. analizator ULTRAMAT 6 IR. Umożliwia on ciągły pomiar stężeń składników, które w podczerwieni wykazują zdolność pochłaniania fal w zakresie od 2 do 9 µm (takich jak: CO, CO2, NO, N2O, SO2, NH3, H2O, CH4).
To, oczywiście, tylko kilka wybranych przykładów z oferty rynkowej. Przed wyborem konkretnego rozwiązania, ze względu na wielość dostępnych opcji, warto skorzystać z doradztwa firmy oferującej tego typu urządzenia.
Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do odbiorców z branży automatyki przemysłowej.
