A szénhidrogén-gázok nagy energiasűrűséggel és szabályozható égéssel rendelkeznek, ami előnyös az ipari gyártási folyamatokban, például a fémolvasztásban és a cementgyártásban. Emellett egyre gyakrabban alkalmazzák őket az ipari hűtésben is, mivel termodinamikai hatékonyságuk magasabb, mint más hűtőközegé. A gázszivárgások azonban üzemeltetési veszélyt jelentenek, ha azokat nem észlelik és nem orvosolják haladéktalanul.
A tervezőknek pontos, megbízható módszerekre van szükségük a szénhidrogén-gázok koncentrációjának meghatározásához, még jóval azelőtt, hogy a koncentrációk elérnék az alsó robbanási határértéket (ARH illetve LEL – lower explosive limit).
Ez a cikk az ipari folyamatokban használt legfontosabb szénhidrogén-gázok ARH-küszöbértékeit, valamint a tervezők előtt álló kihívásokat tárgyalja a gázkoncentrációk meghatározása során. Ezután bemutatja a Honeywell nem diszperzív infravörös (NDIR) érzékelőjét, és megmutatja, hogyan támogatja az hosszú távú üzembiztonságot, valamint hogyan csökkenti a kalibrálási terhet az ipari alkalmazásokban.
A szénhidrogén-gázok alsó robbanási határértékei (ARH) és a biztonsági követelményeknek megfelelő mérés kihívásai
Az ARH az a legalacsonyabb koncentráció (a környezeti levegő százalékában kifejezve), amelynél a gázok vagy gőzök oxidálószer (általában oxigén) és gyújtóforrás – például szikra, láng vagy elegendő hő – jelenlétében hirtelen lángra lobbanhatnak. Ha ezek közül bármelyik elemet eltávolítjuk a környezetből, megelőzhetők a tüzek és robbanások, ami aláhúzza a szénhidrogén-gázok (azaz az üzemanyagok) pontos észlelésének fontosságát az ipari biztonság szempontjából. Az 1. táblázat az ipari folyamatokban használt számos szénhidrogén-gáz alsó robbanási határértékét (ARH) mutatja be.
| Szénhidrogén-gáz | Metán | Etán | Propán | Bután | Pentán | Hexán | |
| Kémiai képlet | CH4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | C5H12 | C6H14 | |
| ARH (térfogatszázalék) | 5 | 3 | 2,2 | 1,8 | 1,5 | 1,2 |
- táblázat: Az alsó robbanási határérték (ARH) a szénhidrogén-gázok típusától függően változik, ezért a szelektív észlelés és mérés fontos szerepet játszik a biztonságos működési környezet fenntartásában. (Forrás: Honeywell)
Mivel az ARH a jelen lévő teljes levegőmennyiség viszonylag kis százalékát teszi ki, az érzékelési módszerek általában az éghető gázok mérési értékeit az ARH 100%-ára vetítik. Például a környezeti metánkoncentráció 2,5%-át 50% ARH-ként rögzítik. Ez az átváltás segít az ipari üzemeltetőknek gyorsan meghatározni az illékony gázszivárgásokkal járó üzemeltetési kockázat mértékét, lehetővé téve a gázkoncentrációk csökkentését célzó intézkedések meghozatalát, például a szellőzés fokozását vagy az ellátás leállítását.
Az alacsony alsó robbanási határértékkel rendelkező illékony gázok szintén számos mérési kihívást jelentenek a gázkoncentrációk meghatározásakor a biztonsági szempontok szerint kialakított ipari alkalmazásokban. Először is, az érzékelőknek sokkal nagyobb pontosságra van szükségük, mint az egyszerű gázjelenlét-érzékelőknek. A magas mérési pontosságnak köszönhetően az ipari üzemeltetők már jóval azelőtt észlelhetik a szénhidrogén-gázkoncentráció fokozatos emelkedését, hogy az elérné az alsó robbanási határértéket.
Például mivel az etán ARH-értéke 3%, egy ±5% ARH-pontosságú (ami ±0,15% teljes levegőkoncentrációnak felel meg) etángáz-érzékelő jól illeszkedik a biztonsági küszöbértékek méréséhez. Ugyanakkor egy ±1% teljes levegőkoncentrációs pontosságú érzékelő ugyan alkalmas lehet az etán jelenlétének észlelésére, de biztonsági alkalmazásokhoz mégsem nyújt elegendő figyelmeztetést.
Az ipari biztonsági alkalmazások esetében is felmerülnek aggályok a gázérzékelők kalibrálásával, a hibajelzéssel és az üzemidővel kapcsolatban. Egyes érzékelőtechnológiák esetében az illékony gázoknak való folyamatos kitettség érzékelőmérgezést okozhat, azaz a gázérzékelő elemek kémiai szennyeződés miatti visszafordíthatatlan károsodását. Ez a károsodás pontatlan mérési eredményeket hozhat anélkül, hogy egyértelmű jelzés lenne arra, hogy az érzékelő meghibásodott. Mivel az érzékelőmérgezés kialakulásának időtartama előre nem jelezhető, az érzékelő állapotát csak következetes tesztelési és karbantartási rendszerek segítségével lehet nyomon követni, ami jelentős többletmunkát jelent az ipari biztonsági csapatok számára.
Hasonlóképpen, az ipari környezetben is jelentős ingadozások fordulhatnak elő a hőmérséklet, a relatív páratartalom és a légnyomás tekintetében, amelyek számos érzékelő mechanizmus kalibrálási pontosságát befolyásolják. Éppen ezért a fejlesztőknek olyan gázérzékelő technológiákra van szükségük, amelyek magas mérési pontosságot, hosszú távú megbízhatóságot és környezeti ellenállóképességet biztosítanak ipari környezetben.
Hogyan javítja az NDIR-érzékelés a megbízhatóságot és az élettartamot az ipari gázérzékelés területén
A katalitikus gyöngyön vagy elektrokémiai technológiákon alapuló gázérzékelőktől eltérően az NDIR gázérzékelők a gázkoncentrációt úgy mérik, hogy meghatározott hullámhosszokon az infravörös (IR) abszorpciót érzékelik. Minden gáznak egyedi abszorpciós profilja van, így a megfelelő kalibrálás és célzás révén az NDIR-érzékelők minimális keresztérzékenység mellett szelektíven képesek mérni a levegőben található meghatározott célgázok koncentrációját.
Az NDIR gázérzékelők működése
Az NDIR gázérzékelők egy szélessávú sugárzó fénynyalábot bocsátanak ki, amelyet egy mintakamrán keresztül irányítanak (1a. ábra). A mérendő gázkeverék ebben a kamrában található. Egy optikai szűrő kiszűri a célgázra jellemző infravörös hullámhosszt, és a szűrt fényt egy infravörös detektor méri. A célhullámhossz a jelen lévő célgáz mennyiségével arányosan abszorbeálódik, ezért ez az abszorpció felhasználható a kamrában lévő koncentráció meghatározására. Az 1b. ábrán látható továbbá, hogy a miniatürizált NDIR-érzékelők hogyan használhatnak belső visszaverődésekkel rendelkező hengeres szerkezetet az abszorpció növelése és a mérési érzékenység javítása érdekében.
Az optikai mérési technikák számos előnnyel járnak, ami miatt az NDIR gázérzékelők kiválóan alkalmasak hosszú távú ipari biztonsági alkalmazásokra. Az első előny a jobb hibajelzés.
Mivel az NDIR-érzékelők folyamatosan figyelik az optikai jeleket, az optikai alrendszerekben – például a fényforrásban vagy az érzékelőben – fellépő meghibásodások viszonylag könnyen felismerhetők. Ezeket a hibákat ezután jelezhetik a gépkezelőknek, akik azonnal intézkedhetnek. Ezzel szemben a kopott katalitikus gyöngyös vagy elektrokémiai érzékelők esetében nagyobb a valószínűsége annak, hogy pontatlan mérési eredményeket adnak, mint hogy egyértelmű jeleket mutassanak az alkatrész meghibásodására. Az alsó robbanási határ (ARH) biztonsági méréseinek kontextusában az NDIR-érzékelők ezért megbízható gázkoncentráció-figyelést tesznek lehetővé. Ezt az előnyt tovább erősíti az NDIR-érzékelők optikai alkatrészeinek hosszú távú stabilitása, amelynek köszönhetően azok hosszú évekig képesek fenntartani a mérési pontosságot.
Mivel az NDIR-érzékelők nem támaszkodnak az érzékelőelemnél végbemenő, anyagvesztéssel járó kémiai reakcióra, természetüknél fogva ellenállnak a katalitikus gyöngyös és az elektrokémiai érzékelési technológiákhoz kapcsolódó kopásnak. A viszonylag zárt felépítéssel és a belső mérési kompenzációval kombinálva az NDIR gázérzékelők kiváló tartósságot és minimális mérési eltérést biztosítanak zord környezeti feltételek mellett is, például magas páratartalom vagy magas hőmérséklet esetén. Ráadásul az NDIR gázérzékelők megbízhatósága meghosszabbítja a gázbiztonsági rendszerek élettartamát, kevesebb karbantartási igény mellett és alacsonyabb teljes tulajdonlási költségekkel(TCO).
Nagy pontosságú szénhidrogén-gázérzékelő zord ipari környezetekhez
Azoknak a fejlesztőknek, akiknek ipari folyamatok során a legfontosabb szénhidrogén-koncentrációk biztonsági szempontból megfelelő figyelemmel kísérésére van szükségük, a Honeywell C1N-2654-40D 4-es sorozatú NDIR-érzékelő (2. ábra) kompakt, robusztus
megoldást kínál modern digitális funkciókkal. A C1N-2654-40D átmérője 20,5 milliméter (mm), magassága 16,6 mm (a csatlakozócsapok nélkül), és hőmérséklet-, páratartalom- és nyomáskompenzált kimeneti jelet biztosít a 0%–100% ARH tartomány megbízható nyomon követéséhez a következő környezeti feltételek mellett:
- Üzemi hőmérséklet-tartomány: 20–60 °C
- Üzemi relatív páratartalom-tartomány: 0%–100% (kondenzációcsökkentéssel)
- Üzemi légnyomás-tartomány: 800 millibar (mbar) – 1200 mbar
A 0,5%-os ARH-értéknél elérhető, akár 250 ppm-es kezdeti mérési felbontás nagy érzékenységet biztosít a szivárgás első jeleinek észlelésekor. A magas mérési ismételhetőséggel és a metán és propán esetében ±2% ARH (vagy a leolvasott érték ±5%-a), valamint az etán, bután, pentán és hexán esetében ±5% ARH (vagy a leolvasott érték ±10%-a) leolvasási pontossággal kombinálva a C1N-2654-40D nagy felbontású, fokozatos ARH-százalékos figyelést tesz lehetővé a gázkoncentrációk változásához igazodó dinamikus biztonsági reakciókhoz. Ezek a mérési kimenetek lineárisak is, így minimalizálják a feldolgozási igényeket és egyszerűsítik a biztonsági rendszer tervezését.
A C1N-2654-40D érzékelő 1 Hz mintavételi frekvenciát biztosít a koncentráció rendszeres frissítéséhez, a válaszidő (T90) pedig a célgáztól függően 9 másodperc (s) (metán) és 24 s (hexán) között mozog. A 3–5 voltos tápfeszültség rugalmas integrációt tesz lehetővé új vagy meglévő konstrukciókba, az alacsony készenléti és aktív energiafogyasztás pedig támogatja a nagy pontosságú gázérzékelést akkumulátorral működő eszközökben, például kézi gázkoncentráció-mérőkben.
A C1N-2654-40D nem csupán az ipari biztonsági alkalmazásokban végzett ARH-monitorozáshoz szükséges megbízható keretrendszert támogatja, hanem számos előnyt kínál a hosszú távú üzemeltetés és a piacra lépés idejének lerövidítése szempontjából is.
A Honeywell C1N-2654-40D érzékelőket gyártás közben előre kalibrálják, és a kalibrációs adatokat közvetlenül az érzékelőbe tárolják, így nincs szükség további beállításokra. Az eszközök emellett két, a felhasználó által konfigurálható mérési küszöbértéknél (akár 60% ARH) biztonsági riasztási jeleket adnak, valamint rendelkeznek egy visszaszámlálóval, amely egy beállított napok száma elteltével jelezheti a rendszer opcionális újrakalibrálásának szükségességét, továbbá egy 5000 napos (kb. 14 éves) élettartam-visszaszámlálóval, amely egyszerűsíti a biztonsági rendszer fejlesztését és hatékonyabbá teszi a berendezések hosszú távú kezelését számos gépen. További funkciók konfigurálhatók a C1N-2654-40D UART-interfészén keresztül.
Ezen felül a C1N-2654-40D érzékelők előzetesen tanúsítást kaptak arról, hogy megfelelnek a globális teljesítményszabványoknak – ideértve az ATEX jelölést, valamint az IEC 60079-0, IEC 60079-11 és IEC 60079-28 szabványokat a robbanásveszélyes környezetben használt berendezésekre vonatkozóan –, ezzel támogatva az ipari gázérzékelő berendezések gyártása során a szabványoknak való megfelelésre irányuló erőfeszítéseket. A C1N-2654-40D érzékelőt úgy tervezték, hogy zord ipari környezetben is több mint 10 évig működőképes maradjon, így az ipari biztonsági rendszerek fejlesztőinek rendkívül megbízható, hosszú távú megoldást kínál a szénhidrogén-gázok észlelésére.
Következtetés
A szénhidrogén-gázszivárgások továbbra is tartós aggodalomra adnak okot az ipari biztonság szempontjából, ezért a fejlesztőknek rendkívül pontos érzékelési megoldásokra van szükségük a gázkoncentráció figyelemmel kíséréséhez, a szivárgás korai felismerésétől egészen az alsó robbanási határértékig (ARH). A Honeywell C1N-2654-40D 4-es sorozatú NDIR-érzékelője ezt a teljesítményt garantálja az ipari folyamatokban használt legfontosabb szénhidrogén-gázok esetében, hosszú távú megbízhatósággal, környezeti ellenálló képességgel és gyári előkalibrálással, javítva ezáltal az üzemeltetési biztonsági eredményeket.
Rolf Horn
Applications Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail: rolf.horn@digikey.com
