الكشف عن الغاز

الكشف عن الغاز

تنتشر أجهزة كشف الغاز في جميع مجالات الحياة، بدءًا من مصانع تجهيز الأغذية وصولاً إلى مواقف السيارات، ومن الطائرات وصولاً إلى الكازينوهات. فأي مكان قد يشهد نقصًا محتملاً في الأكسجين أو وجود غازات سامة يحتاج إلى جهاز كشف الغاز لمراقبة سلامة الأشخاص. ومن الاستخدامات الشائعة خلال المشاريع الميدانية: دخول الأماكن الضيقة، وحفر الآبار، وفحص التربة، ومراقبة المناطق، وسلامة العمال، وجودة الهواء الداخلي، وكشف التسربات.

بالطبع، فهي موجودة منذ زمن طويل جدًّا، بدءًا من الكناري، الذي كان للأسف حيلة لم تنجح سوى مرة واحدة، حيث كان يموت بسرعة كبيرة عند تعرضه لغاز الميثان، دون أي قدرات إنذار سمعية أو بصرية سوى زقزقة خفيفة وغياب تام للحركة. لحسن الحظ، تطورت التكنولوجيا بشكل كبير، وها نحن الآن نمتلك بعض الأجهزة الإلكترونية المتطورة للغاية.

دعونا نتناول بعض الأساسيات:

• الجزء في المليون (ppm) هو جزء واحد من كل 1,000,000 جزء. وبشكل عام، يُعد جزء في المليون (ppm) أدنى وحدة قياس، حيث إن 10,000 جزء في المليون = 1% من حيث الحجم
• LEL (الحد الأدنى للانفجار) هو وحدة القياس التالية، وهي تمثل نسبة مئوية من مستوى الانفجار % (حجمي) لمركب ما
• 100% LEL هو أدنى تركيز يمكن أن تتسبب عنده مادة قابلة للاشتعال في نشوب حريق أو انفجار عند اشتعالها
• الحد الأعلى للانفجار (UEL) هو أقصى تركيز للغاز في الهواء يمكن أن يشتعل
• لكل مركب (غاز) حد أدنى للانفجار (LEL) مختلف، وهو النقطة التي يبدأ عندها المركب في الاحتراق أو يصبح قابلاً للانفجار
• تصبح معظم المركبات القابلة للاشتعال متفجرة عند حجم أقل من 5%
• لكل غاز حد أدنى للانفجار (LEL) وحد أقصى للانفجار (UEL) مختلفان
• النسبة المئوية للغاز هي أعلى وحدة قياس، وهي تمثل كمية الغاز النقي

كيف تعمل مستشعرات الكشف عن الغاز؟

لا شك أن التكنولوجيا الحديثة ستجعل الشرح الوارد أدناه عفا عليه الزمن مع تقدمها السريع، لذا إليكم أدناه الأساسيات بإيجاز.

مستشعر الأكسجين هو مستشعر كهروميكانيكي. ويمكن الكشف عن أي غاز قابل للأكسدة أو الاختزال كهروميكانيكيًا باستخدام مستشعر كهروكيميائي يعتمد على الوقود. ويؤدي استهلاك الأكسجين إلى توليد تيار كهربائي يتناسب خطيًّا مع تركيز الغاز في الهواء.

نظرًا لأن مستشعر الأكسجين يتعرض للأكسجين باستمرار، فإن العمر الافتراضي للمستشعر يتراوح بين سنة وسنتين.

يتكون مستشعر المواد القابلة للاشتعال من ملفين من سلك بلاتيني رفيع، كل منهما مدمج في حبة من الألومينا، وموصَلان كهربائيًّا في دائرة جسرية. إحدى الحبتين مشبعة بمحفز خاص يعزز عملية الأكسدة، بينما تُعالج الأخرى لمنع حدوث الأكسدة. يتم تمرير التيار عبر الملفين بحيث يصلان إلى درجة حرارة تحدث عندها أكسدة الغاز بسهولة عند الحبيبة المُحفزة (حوالي 500 درجة مئوية).

وهذا يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل أكبر، مما يزيد من مقاومة الملف البلاتيني الموجود في الحبيبة المحفزة، مما يؤدي إلى اختلال توازن الجسر. ويكون هذا التغير في القراءة خطيًا، بالنسبة لمعظم الغازات، حتى مستوى LEL البالغ 100% وما فوقه، ولا يستغرق وقت الاستجابة سوى بضع ثوانٍ لاكتشاف مستويات الإنذار (عادةً عند 20% LEL).

كما أن مستشعرات الغازات السامة هي أيضًا مستشعرات كهروميكانيكية وتعمل وفقًا لنفس المبادئ الأساسية التي يعمل بها مستشعر الأكسجين. تستهلك المستشعرات الكهروميكانيكية كميات ضئيلة من الغاز، ويتم التحكم في امتصاص الغاز والإخراج الكهربائي بواسطة “حاجز الانتشار”.

الأماكن الضيقة وكشف الغازات

المساحة الضيقة هي أي مساحة تكون كبيرة بما يكفي لدخول شخص ما إليها وأداء العمل المكلف به، وتكون وسائل الدخول أو الخروج منها محدودة، ولا تكون مصممة لتواجد العمال فيها بشكل مستمر. ويشمل ذلك جميع القطاعات تقريبًا، بما في ذلك المرافق العامة، والبناء، واستكشاف الهيدروكربونات ومعالجتها، والبتروكيماويات، والقطاع البحري، والزراعة، وتجهيز الأغذية وتصنيع المشروبات، فضلاً عن خدمات الطوارئ.

يجب على أرباب العمل تقييم المخاطر التي تشكلها أماكن العمل هذه على موظفيهم، والسعي إلى الوقاية منها. وفي معظم الحالات، سيتطلب كل من التقييم ونظام العمل الآمن إجراء اختبارات للهواء باستخدام معدات فحص الغازات.

يمكن تقسيم مخاطر الغازات في الأماكن الضيقة إلى ثلاث فئات عامة: الغازات القابلة للاشتعال، والغازات السامة، ونقص أو زيادة نسبة الأكسجين.

مخاطر الغازات القابلة للاشتعال

لكي يحدث الاحتراق، يجب أن يحتوي الهواء على تركيز أدنى من الغاز أو البخار القابل للاشتعال. وتُسمى هذه الكمية بـ «الحد الأدنى لحد الاشتعال» (LEL). وتختلف قيم الحد الأدنى لحد الاشتعال باختلاف المركبات، لذا من الضروري أن تكون أجهزة الكشف قادرة على رصد المستويات الصحيحة.

وعادةً ما تشكل خزانات التخزين التي احتوت في السابق على وقود هيدروكربوني وزيوت خطراً. وهناك مخاطر أخرى ناجمة عن تسربات الوقود، مثل: انفجار خزانات الوقود؛ وخطوط الأنابيب داخل الموقع وخارجه، واسطوانات الغاز، والمنشآت التي تعمل بمحركات. أما بالنسبة للعاملين في الحفر والمجاري وغيرها من المواقع تحت سطح الأرض، فإن غاز الميثان الناتج عن تحلل المواد العضوية يمثل خطراً شبه عام.

الغازات والأبخرة السامة

قد يتعرض العاملون في الأماكن الضيقة للعديد من المركبات السامة، اعتمادًا على طبيعة العمل. وينبغي إجراء تقييم للمخاطر لتحديد المواد السامة التي قد يتعرض لها العامل في أي موقف عمل معين.

وعند النظر إلى الغازات السامة المرتبطة بتطبيقات محددة، نجد أن قطاع المياه، على سبيل المثال، يستخدم العديد من المركبات السامة في تنظيف ومعالجة كل من مياه الصرف والمياه النظيفة. ومن ثم، فإن المواد الخطرة مثل الكلور والأوزون وثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكلور تشكل مخاطر إضافية في كل من مناطق التخزين والمعالجة.

الأكسجين – هل مستواه مرتفع جدًّا أم منخفض جدًّا؟

يبلغ التركيز الطبيعي للأكسجين في الهواء النقي 20.9%. وتُعتبر الأجواء خطرة إذا انخفض التركيز إلى ما دون 19.5% أو تجاوز 23.5%.

في حالة عدم وجود تهوية كافية، فإن مجرد عملية التنفس ستؤدي إلى انخفاض مستويات الأكسجين بسرعة مذهلة. كما أن عملية الاحتراق تستهلك الأكسجين أيضًا، لذا فإن المعدات التي تعمل بمحركات واللهب المكشوف مثل مشاعل اللحام تشكل مخاطر محتملة. كما يمكن أن يتم إزاحة الأكسجين. فالنيتروجين، على سبيل المثال، عند استخدامه لتطهير خزانات تخزين الهيدروكربونات قبل إعادة استخدامها، يطرد الأكسجين من الحاوية ويجعلها شديدة الخطورة إلى أن يتم تهويتها جيدًا.

كما أن مستويات الأكسجين المرتفعة تشكل خطورة أيضًا. فمثلما هو الحال مع النقص في الأكسجين، فإن الإفراط فيه يضعف قدرة المصاب على التفكير بوضوح والتصرف بحكمة. علاوة على ذلك، تشكل الأجواء الغنية بالأكسجين خطرًا كبيرًا لاندلاع الحرائق.

أنواع أجهزة كشف الغاز

يمكن استخدام كل من أجهزة كشف الغاز المحمولة والثابتة لمراقبة الأماكن الضيقة. تتألف الأنظمة الثابتة عادةً من “رأس” كاشف واحد أو أكثر متصل بلوحة تحكم منفصلة. وإذا سجل أحد أجهزة الكشف مستوىً خطيرًا من الغاز، فإن لوحة التحكم تطلق الإنذار عن طريق تشغيل صفارات الإنذار وأضواء التحذير الخارجية. ويُعد هذا النوع من التركيبات مناسبًا للمساحات الأكبر حجمًا مثل غرف المرافق، التي تتوفر فيها مساحة كافية لاستيعاب الأجهزة أو المحطات البعيدة التي عادةً ما تكون غير مأهولة.

ومع ذلك، فإن الكثير من أعمال الأماكن الضيقة تتم في مناطق أكثر تقييدًا، مما يجعل الوحدات المحمولة المدمجة أكثر ملاءمة. وتتيح سهولة الاستخدام، من خلال التشغيل بضغطة زر واحدة، تقليل الحاجة إلى التدريب إلى الحد الأدنى مع ضمان مستوى أعلى من السلامة. من خلال الجمع بين مستشعر واحد أو أكثر وإشارات صوتية ومرئية قوية للتنبيه عند بلوغ مستويات الغاز المحددة مسبقًا، يمكن حمل أجهزة الكشف المحمولة أو ارتداؤها أينما دعت الحاجة. بالإضافة إلى ذلك، يسهل حمل الجهاز الصغير الحجم في الأماكن الضيقة، مما يضمن عدم تفويت أي جيوب ذات تركيز غاز مرتفع.

هناك ميزات معينة يجب أن تتوفر في كل جهاز كاشف غاز محمول. فمن الواضح أن الأدوات المنقذة للحياة المخصصة للبيئات الصعبة يجب أن تكون متينة قدر الإمكان، مع أجزاء إلكترونية موثوقة موضوعة داخل أغلفة مقاومة للصدمات. ورغم أن الحاجة إلى ترك مستشعرات الغاز مكشوفة في الهواء الطلق تعني أنه لا يمكن إحكام إغلاق أي جهاز تمامًا، إلا أن توفير درجة عالية من الحماية ضد دخول الغبار والماء أمر ضروري. وعلى الرغم من المتانة، فإن جهاز الكشف المصمم جيدًا سيكون خفيفًا وصغير الحجم بما يكفي لارتدائه طوال فترة العمل.

وأخيرًا، نظرًا للصعوبات التي ينطوي عليها العمل في مساحة ضيقة، وربما في ظل إضاءة ضعيفة، يجب أن تكون الأجهزة سهلة الاستخدام. فمهما كانت البنية الداخلية للكاشف أو خيارات إدارة البيانات متطورة، يجب ألا يواجه العاملون في الميدان أكثر من شاشة واضحة، وتشغيل بسيط بضغطة زر واحدة، وإنذارات عالية الصوت وساطعة.

أجهزة استشعار الغازات القابلة للاشتعال

وكما هو موضح أدناه، تتوفر مستشعرات الغازات القابلة للاشتعال في أشكال مختلفة، منها المستشعرات الحفازة، ومستشعرات أشباه الموصلات ذات الأكسيد المعدني، ومستشعرات الأشعة تحت الحمراء.

أجهزة استشعار الغازات القابلة للاشتعال الحفازة

تقوم أجهزة استشعار الغازات القابلة للاشتعال الحفازة، التي تُستخدم للكشف عن الأجواء القابلة للانفجار، باكتشاف الغازات القابلة للاشتعال عن طريق إحداث احتراق لهذه الغازات داخل حجرة جهاز الاستشعار.

لا تقتصر مزايا أجهزة الاستشعار الحفازة على توفير خطية جيدة فحسب، بل إنها قادرة أيضًا على الاستجابة لمعظم الغازات القابلة للاشتعال. ومع ذلك، ونظرًا لأن التغير في المقاومة عند مستوى %LEL ضئيل نسبيًّا، فإنها تعمل بشكل أفضل في التركيزات التي تتراوح بين 1,000 و50,000 جزء في المليون.

أما بالنسبة لعيوبها:

• فهي لا تقيس الكميات الضئيلة (أقل من 200 جزء في المليون) من الغاز، ولذلك لا ينبغي استخدامها لتحديد المستويات السامة
• ولكي تعمل بدقة، فإنها تتطلب وجود نسبة 14% على الأقل من الأكسجين في الهواء
• لا يُنصح باستخدامه في الأجواء التي تحتوي على الأسيتيلين
• قد يتعرض المستشعر للتلف بسبب الرصاص أو السيليكون أو غيرهما من المواد السامة الحفازة
• قد تتأثر القراءات بتكثف بخار الماء والرطوبة
• استجابة ضعيفة للهيدروكربونات منخفضة الطاقة، مثل أبخرة النفط والكيروسين ووقود الديزل ووقود الطائرات التجارية
• وغالبًا ما تفقد هذه الأجهزة خصائصها الخطية بعد مرور عام تقريبًا

مستشعر الغازات القابلة للاشتعال الذي يعمل بتقنية أشباه الموصلات ذات الأكسيد المعدني (MOS)

تُعرف مستشعرات الغازات القابلة للاشتعال التي تعمل بتقنية أشباه الموصلات ذات الأكسيد المعدني (MOS)، والمعروفة أيضًا باسم مستشعرات الحالة الصلبة، منذ سنوات عديدة. وبفضل عمرها التشغيلي الطويل الذي يتراوح بين ثلاث وخمس سنوات، تُعد هذه المستشعرات شديدة المتانة، وتتمتع بقدرة جيدة على التعافي من التعرض لتركيزات عالية من الغاز التي قد تتسبب في تلف أنواع أخرى من المستشعرات.

وكما هو الحال مع المستشعرات الحفازة، يمكن أن تتأثر قراءات مستشعرات MOS أيضًا بالرطوبة وتكثف بخار الماء. بالإضافة إلى ذلك، ورغم أنها لا تتطلب نفس كمية الأكسجين التي تتطلبها نظيراتها الحفازة، فإنها تحتاج هي الأخرى إلى الأكسجين لتعمل بدقة.

بالإضافة إلى العيوب المذكورة أعلاه، تشمل العيوب الأخرى الخاصة بمستشعرات MOS ما يلي:

• تتطلب عناصر التسخين في بعض أجهزة الاستشعار MOS قدرًا كبيرًا من الطاقة، مما يعني الحاجة إلى حزم بطاريات أكبر حجمًا
• على الرغم من استجابة مستشعرات MOS للعديد من المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) ومركبات الهيدروفلوروكربون (HFCs) والمذيبات، فإنها لا تقتصر على مركب واحد بعينه

أجهزة استشعار القابلية للاشتعال بالأشعة تحت الحمراء

ظهرت هذه المستشعرات مؤخرًا نسبيًّا في بعض الأجهزة. وهي تعمل بشكل جيد في مستويات الأكسجين المنخفضة أو في الأجواء التي تحتوي على الأسيتيلين؛ إلا أنها باهظة الثمن إلى حدٍّ ما. تعمل هذه المستشعرات عن طريق انعكاس الضوء عن مرآة وقياس كمية الضوء الممتصة أثناء الانكسار. تتطلب مستشعرات الأشعة تحت الحمراء عادةً تدفقًا ثابتًا عبر وحدة الاستشعار، وقد تستغرق وقتًا طويلاً لإلغاء حالة الإنذار. كما أنها غير قادرة على الكشف عن الهيدروجين. ولن تكون مستشعرات الأشعة تحت الحمراء التي تمت معايرتها لقياس هيدروكربون بسيط مثل الميثان أو الإيثان دقيقة عند قياس أبخرة الهيدروكربونات ذات الوزن الجزيئي الأعلى، أو المذيبات، أو أنواع الوقود.

أجهزة استشعار المواد السامة

أجهزة استشعار السمية الكهروكيميائية (الكيميائية الرطبة)

تستجيب هذه المستشعرات لمادة كيميائية (مادة) معينة. تتوفر أجهزة استشعار مخصصة كيميائيًا لما يصل إلى 30 غازًا مختلفًا، بما في ذلك الكلور، والأمونيا، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد النيتروجين، وأكسيد النيتريك، وسيانيد الهيدروجين، وكبريتيد الهيدروجين، وثاني أكسيد الكبريت. وستوضح المعلومات الفنية المقدمة من الشركات المصنعة أجهزة الاستشعار المتاحة لوحداتها.

تتميز هذه المستشعرات بخطية جيدة، مما يجعلها دقيقة للغاية فيما يتعلق بالمادة التي تتفاعل معها. ويمكنها قياس الكميات الكبيرة أو الصغيرة على حد سواء، ويبلغ العمر الافتراضي النموذجي لهذه المستشعرات حوالي عام واحد بالنسبة للعديد من الغازات السامة، ويصل إلى عامين بالنسبة لكبريتيد الهيدروجين وأول أكسيد الكربون.

وكما هو الحال مع جميع أجهزة الاستشعار، فإن أجهزة الاستشعار الكيميائية الرطبة لها حدودها. فقد يتجمد السائل الإلكتروليتي عند تركه في بيئات تقل درجة حرارتها عن 0 درجة مئوية. وقد تتأثر بعض أجهزة الاستشعار الكيميائية سلبًا بالارتفاع، حيث إنها قد تكون حساسة للضغط.

أجهزة استشعار الغازات السامة ذات النطاق الواسع القائمة على أشباه الموصلات ذات الأكسيد المعدني (MOS)

يوجد في السوق عدد من أجهزة الاستشعار MOS المختلفة، وقد تم تطوير أحدها للكشف عن الغازات السامة. ويشبه تركيبه وطريقة عمله الجهاز المستخدم للكشف عن الغازات القابلة للاشتعال. ومع ذلك، فإن مستشعر MOS السام واسع النطاق قادر على الاستجابة لمستويات منخفضة بالجزء في المليون (PPM) لمجموعة واسعة من الغازات السامة، بما في ذلك أول أكسيد الكربون، وكبريتيد الهيدروجين، والأمونيا، والستايرين، والتولوين، والبنزين، والعديد من الهيدروكربونات والمذيبات الأخرى. لا تستطيع مستشعرات MOS الكشف عن ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكبريت. لا يستطيع المستشعر تحديد نوع الغاز الذي واجهته أو تركيزه، بل يقتصر دوره على الإشارة إلى أن الجو المحيط قد يشكل خطرًا على صحتك.

أجهزة الكشف بالتأين الضوئي (PIDs)

يستخدم المتخصصون في مجال الصحة والسلامة وغيرهم تقنية مستشعرات التأين الضوئي لتقييم المخاطر الجوية في أماكن العمل منذ ستينيات القرن العشرين. ويتراوح العمر الافتراضي لهذه المستشعرات بين سنة وثلاث سنوات. وعادةً ما تكون تكلفتها باهظة جدًّا بحيث لا يمكن استخدامها في أجهزة مزودة بعدة مستشعرات.

الخلاصة

بالنسبة لأولئك الذين يعملون في بيئات قد تشكل خطراً على صحتهم، فإن اختيار جهاز الكشف عن الغاز المناسب قد يكون أهم قرار تتخذونه على الإطلاق. فقد تتوقف حياتكم على هذا القرار، لذا من الضروري أن يكون المستخدم/المشتري على دراية بالمخاطر التي قد يواجهها وبأجهزة الاستشعار المناسبة لحمايته. تشير البيانات التي تم جمعها في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات إلى أن 65% من الذين لقوا حتفهم في الأماكن الضيقة لم يكونوا على علم بأن المكان الذي دخلوه ينطوي على خطر محتمل. يحدث أكثر من 50% من حالات الوفاة في الأماكن الضيقة بين أفراد فرق الإنقاذ، كما أن أكثر من ثلث الوفيات حدثت بعد أن تم اختبار المكان وإعلان أنه آمن وإزالة جهاز كشف الغاز.

يجب أن يستند اختيار جهاز كشف الغاز إلى نوع الخطر المواجه. وللأسف، يقوم عدد كبير جدًا من المشترين بإجراء واحدة من أكبر عمليات الإنفاق على المعدات وأكثرها أهمية دون أن يفهموا حقًا ما يشترونه. وتعد المستشعرات وقدراتها العامل الأهم على الإطلاق عند اختيار جهاز كشف الغاز، ومع ذلك، غالبًا ما تستند القرارات إلى الحجم والسعر والميزات التي لا علاقة لها بقدرات الجهاز على الكشف.

تتوفر أجهزة كشف الغازات بمجموعة متنوعة من الأحجام والأشكال والألوان وتكوينات المستشعرات. وبالنسبة للأعمال التي تتم في الأماكن الضيقة، من الضروري مراقبة مستويات نقص أو زيادة الأكسجين، والغازات القابلة للاشتعال، والمواد السامة. ولذلك، فإن وجود جهاز قادر على التعامل مع هذه المخاطر الثلاثة أمر ضروري.