Breve storia del rilevamento dei gas 

L'evoluzione del rilevamento dei gas è cambiata notevolmente nel corso degli anni. Nuove idee innovative, dai canarini alle apparecchiature di monitoraggio portatili, forniscono ai lavoratori un monitoraggio continuo e preciso dei gas.

La rivoluzione industriale è stata il catalizzatore dello sviluppo del rilevamento dei gas grazie all'uso di combustibili molto promettenti, come il carbone. Poiché il carbone può essere estratto dalla terra attraverso l'estrazione mineraria o sotterranea, strumenti come elmetti e lampade a fiamma erano l'unica protezione dai pericoli dell'esposizione al metano nel sottosuolo, ancora da scoprire. Il gas metano è incolore e inodore, per cui è difficile accorgersi della sua presenza fino a quando non si scopre un modello evidente di problemi di salute. I rischi dell'esposizione al gas hanno portato a sperimentare metodi di rilevamento per preservare la sicurezza dei lavoratori per gli anni a venire.

Necessità di rilevare i gas

Quando l'esposizione al gas divenne evidente, i minatori capirono che dovevano sapere se nella miniera c'era una sacca di gas metano dove stavano lavorando. All'inizio del XIX secolo è stato registrato il primo rilevatore di gas e molti minatori indossavano luci a fiamma sull'elmetto per poter vedere mentre lavoravano, quindi la capacità di rilevare il metano, estremamente infiammabile, era fondamentale. Il lavoratore indossava una spessa coperta bagnata sul corpo e portava con sé un lungo stoppino con l'estremità accesa. Entrando nelle miniere, l'individuo muoveva la fiamma intorno e lungo le pareti alla ricerca di sacche di gas. Se le trovava, la reazione si accendeva e veniva segnalata all'equipaggio mentre la persona che rilevava era protetta dalla coperta. Con il tempo sono stati sviluppati metodi più avanzati per rilevare il gas.

L'introduzione dei canarini

Il rilevamento del gas è passato dagli esseri umani ai canarini, grazie ai loro forti cinguettii e ai sistemi nervosi simili per il controllo dei modelli di respirazione. I canarini venivano posizionati in determinate aree della miniera e da lì gli operai controllavano i canarini per prendersene cura e per verificare se la loro salute era stata compromessa. Durante i turni di lavoro, i minatori ascoltavano il cinguettio dei canarini. Se un canarino iniziava a scuotere la gabbia, era un forte indicatore dell'esposizione a una sacca di gas che aveva iniziato a compromettere la sua salute. I minatori evacuavano quindi la miniera e notavano che non era sicuro entrare. In alcune occasioni, se il canarino smetteva di cinguettare, i minatori sapevano di poter uscire più rapidamente prima che l'esposizione al gas avesse la possibilità di compromettere la loro salute.

La luce della fiamma

La lampada a fiamma è stata l'evoluzione successiva per il rilevamento del gas in miniera, a seguito delle preoccupazioni per la sicurezza degli animali. Pur fornendo luce ai minatori, la fiamma era alloggiata in un guscio antifiamma che assorbiva il calore e catturava la fiamma per evitare che incendiasse il metano eventualmente presente. Il guscio esterno conteneva un pezzo di vetro con tre incisioni orizzontali. La linea centrale era impostata come ambiente ideale per il gas, quella inferiore indicava un ambiente con carenza di ossigeno e quella superiore indicava l'esposizione al metano o un ambiente arricchito di ossigeno. I minatori accendevano la fiamma in un ambiente con aria fresca. Se la fiamma si abbassava o iniziava a spegnersi, indicava che l'atmosfera aveva una bassa concentrazione di ossigeno. Se la fiamma si allargava, i minatori sapevano che era presente metano con ossigeno, e in entrambi i casi indicavano che dovevano lasciare la miniera.

Il sensore catalitico

Sebbene la lampada a fiamma abbia rappresentato un'evoluzione nella tecnologia di rilevamento dei gas, non si trattava tuttavia di un approccio "unico" per tutti i settori. Pertanto, il sensore catalitico è stato il primo rilevatore di gas ad assomigliare alla tecnologia moderna. I sensori funzionano in base al principio che quando un gas si ossida, produce calore. Il sensore catalitico funziona attraverso la variazione di temperatura, che è proporzionale alla concentrazione del gas. Pur rappresentando un passo avanti nello sviluppo della tecnologia necessaria per il rilevamento dei gas, all'inizio richiedeva ancora un'operazione manuale per ricevere una lettura.

Tecnologia moderna

La tecnologia di rilevamento dei gas si è sviluppata enormemente dall'inizio del XIX secolo, quando fu registrato il primo rilevatore di gas. Oggi sono oltre cinque i diversi tipi di sensori comunemente utilizzati in tutti i settori industriali, tra cui Elettrochimico, Perle catalitiche (Pellistor), Rivelatore a fotoionizzazione (PID) e tecnologia a infrarossi (IR), insieme ai più moderni sensori Spettrometro di proprietà molecolare (MPS) e Ossigeno a lunga vita (LLO2), i moderni rilevatori di gas sono altamente sensibili, precisi e soprattutto affidabili, il che consente a tutto il personale di rimanere al sicuro riducendo il numero di incidenti sul lavoro.

Quanto durerà il mio sensore di gas?

I rilevatori di gas sono ampiamente utilizzati in molti settori industriali (come il trattamento delle acque, la raffineria, il petrolchimico, l'acciaio e l'edilizia, per citarne alcuni) per proteggere il personale e le apparecchiature dai gas pericolosi e dai loro effetti. Gli utenti di dispositivi portatili e fissi conoscono bene i costi potenzialmente significativi per mantenere i loro strumenti in condizioni di sicurezza durante la loro vita operativa. I sensori di gas sono intesi per fornire una misura della concentrazione di un analita di interesse, come CO (monossido di carbonio), CO2 (anidride carbonica) o NOx (ossido di azoto). I sensori di gas più utilizzati nelle applicazioni industriali sono due: elettrochimici per la misurazione dei gas tossici e dell'ossigeno e pellistori (o sfere catalitiche) per i gas infiammabili. Negli ultimi anni, l'introduzione di entrambi ossigeno e MPS (Molecular Property Spectrometer) ha permesso di migliorare la sicurezza.

Come faccio a sapere quando il mio sensore è guasto?

Ci sono stati diversi brevetti e tecniche applicate ai rivelatori di gas negli ultimi decenni che sostengono di essere in grado di determinare quando un sensore elettrochimico ha fallito. La maggior parte di queste, tuttavia, deduce solo che il sensore sta funzionando attraverso una qualche forma di stimolazione dell'elettrodo e potrebbe fornire un falso senso di sicurezza. L'unico metodo sicuro per dimostrare che un sensore sta funzionando è applicare un gas di prova e misurare la risposta: un bump test o una calibrazione completa.

Sensore elettrochimico

I sensorielettrochimici sono i più utilizzati in modalità di diffusione, in cui il gas dell'ambiente circostante entra attraverso un foro nella faccia della cella. Alcuni strumenti utilizzano una pompa per fornire aria o campioni di gas al sensore. Il foro è coperto da una membrana in PTFE che impedisce all'acqua o agli oli di entrare nella cella. Le gamme e le sensibilità dei sensori possono essere variate utilizzando fori di dimensioni diverse. I fori più grandi garantiscono una maggiore sensibilità e risoluzione, mentre quelli più piccoli riducono la sensibilità e la risoluzione ma aumentano la portata.

Fattori che influenzano la vita del sensore elettrochimico

Ci sono tre fattori principali che influenzano la vita del sensore, tra cui la temperatura, l'esposizione a concentrazioni di gas estremamente elevate e l'umidità. Altri fattori sono gli elettrodi del sensore e le vibrazioni estreme e gli shock meccanici.

Le temperature estreme possono influenzare la vita del sensore. Il produttore indicherà un intervallo di temperatura operativa per lo strumento: tipicamente da -30˚C a +50˚C. I sensori di alta qualità saranno comunque in grado di sopportare escursioni temporanee oltre questi limiti. Una breve (1-2 ore) esposizione a 60-65˚C per i sensori H2S o CO (per esempio) è accettabile, ma incidenti ripetuti provocheranno l'evaporazione dell'elettrolita e spostamenti nella lettura di base (zero) e una risposta più lenta.

Anche l'esposizione a concentrazioni di gas estremamente elevate può compromettere le prestazioni del sensore. I sensori elettrochimici sono tipicamente testati dall'esposizione fino a dieci volte il loro limite di progetto. I sensori costruiti con materiale catalizzatore di alta qualità dovrebbero essere in grado di resistere a tali esposizioni senza cambiamenti nella chimica o perdita di prestazioni a lungo termine. I sensori con un carico di catalizzatore inferiore possono subire danni.

L'influenza più considerevole sulla vita del sensore è l'umidità. La condizione ambientale ideale per i sensori elettrochimici è 20˚Celsius e 60% RH (umidità relativa). Quando l'umidità ambientale aumenta oltre il 60%RH, l'acqua viene assorbita nell'elettrolita causandone la diluizione. In casi estremi il contenuto di liquido può aumentare di 2-3 volte, provocando potenzialmente una perdita dal corpo del sensore e quindi attraverso i pin. Al di sotto del 60%RH l'acqua nell'elettrolito inizierà a disidratarsi. Il tempo di risposta può essere significativamente esteso come l'elettrolita o disidratato. Gli elettrodi del sensore possono, in condizioni insolite, essere avvelenati da gas interferenti che adsorbono sul catalizzatore o reagiscono con esso creando sottoprodotti che inibiscono il catalizzatore.

Le vibrazioni estreme e gli urti meccanici possono anche danneggiare i sensori rompendo le saldature che legano insieme gli elettrodi di platino, le strisce di collegamento (o i fili in alcuni sensori) e i perni.

Aspettativa di vita "normale" del sensore elettrochimico

I sensori elettrochimici per i gas comuni come il monossido di carbonio o il solfuro di idrogeno hanno una vita operativa tipicamente dichiarata di 2-3 anni. Sensori di gas più esotici come il fluoruro di idrogeno possono avere una vita di soli 12-18 mesi. In condizioni ideali (temperatura e umidità stabili nella regione di 20˚C e 60%RH) senza incidenza di contaminanti, i sensori elettrochimici sono noti per funzionare più di 4000 giorni (11 anni). L'esposizione periodica al gas bersaglio non limita la vita di queste piccole celle a combustibile: i sensori di alta qualità hanno una grande quantità di materiale catalizzatore e conduttori robusti che non si esauriscono con la reazione.

Sensore a pellistor

I sensoria pellistore sono costituiti da due bobine di filo abbinate, ciascuna inserita in una perla di ceramica. La corrente viene fatta passare attraverso le bobine, riscaldando le perle a circa 500˚C. Il gas infiammabile brucia sulla perlina e il calore aggiuntivo generato produce un aumento della resistenza della bobina che viene misurata dallo strumento per indicare la concentrazione del gas.

Fattori che influenzano la durata del sensore a pellistor

I due fattori principali che influenzano la vita del sensore sono l'esposizione ad un'alta concentrazione di gas e il bilanciamento o l'inibizione del sensore. Anche gli urti meccanici estremi o le vibrazioni possono influenzare la vita del sensore. La capacità della superficie del catalizzatore di ossidare il gas si riduce quando è stata avvelenata o inibita. Una durata del sensore superiore ai dieci anni è comune nelle applicazioni in cui non sono presenti composti inibitori o avvelenanti. I pellistori più potenti hanno una maggiore attività catalitica e sono meno vulnerabili all'avvelenamento. Le perle più porose hanno anche una maggiore attività catalitica in quanto il loro volume superficiale è aumentato. Un'abile progettazione iniziale e sofisticati processi di fabbricazione assicurano la massima porosità delle perle. L'esposizione ad alte concentrazioni di gas (>100%LEL) può anche compromettere le prestazioni del sensore e creare un offset nel segnale zero/linea di base. Una combustione incompleta porta a depositi di carbonio sul tallone: il carbonio "cresce" nei pori e crea danni meccanici. Il carbonio può comunque essere bruciato nel tempo per far riemergere i siti catalitici. Urti meccanici estremi o vibrazioni possono in rari casi causare anche una rottura delle bobine del pellistore. Questo problema è più prevalente nei rivelatori di gas portatili piuttosto che in quelli a punto fisso, poiché è più probabile che cadano, e i pellistori utilizzati sono a bassa potenza (per massimizzare la durata della batteria) e quindi utilizzano bobine di filo più sottili e delicate.

Come faccio a sapere quando il mio sensore è guasto?

Un pellistor che è stato avvelenato rimane elettricamente operativo ma può non rispondere al gas. Quindi il rivelatore di gas e il sistema di controllo possono sembrare in uno stato sano, ma una perdita di gas infiammabile può non essere rilevata.

Sensore di ossigeno

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Il nostro nuovo sensore di ossigeno senza piombo e di lunga durata non ha fili di piombo compressi che l'elettrolita deve penetrare, permettendo l'uso di un elettrolita spesso che significa nessuna perdita, nessuna corrosione indotta da perdite e una maggiore sicurezza. La robustezza aggiuntiva di questo sensore ci permette di offrire con fiducia una garanzia di 5 anni per una maggiore tranquillità.

I sensori diossigeno a lunga durata hanno una durata di vita di 5 anni, con tempi di inattività ridotti, costi di gestione inferiori e un impatto ambientale ridotto. Misurano con precisione l'ossigeno in un'ampia gamma di concentrazioni, dallo 0 al 30% del volume, e rappresentano la nuova generazione di sensori di gas O2.

Sensore MPS

MPS Il sensore offre una tecnologia avanzata che elimina la necessità di calibrare e fornisce un "vero LEL (limite inferiore di esplosività)" per la lettura di quindici gas infiammabili, ma è in grado di rilevare tutti i gas infiammabili in un ambiente multispecie, con conseguenti minori costi di manutenzione continua e una ridotta interazione con l'unità. Ciò riduce il rischio per il personale ed evita costosi tempi di inattività. Il sensore MPS è inoltre immune all'avvelenamento del sensore.  

Il guasto del sensore dovuto all'avvelenamento può essere un'esperienza frustrante e costosa. La tecnologia del sensore MPS™non è influenzata dai contaminanti presenti nell'ambiente. I processi che presentano contaminazioni hanno ora accesso a una soluzione che funziona in modo affidabile con un design a prova di guasto per avvisare l'operatore e offrire la massima tranquillità al personale e ai beni situati in ambienti pericolosi. È ora possibile rilevare più gas infiammabili, anche in ambienti difficili, utilizzando un solo sensore che non richiede calibrazione e ha una durata prevista di almeno 5 anni.