Gasdetectie

Gasdetectie

Gasdetectoren zijn overal te vinden, van voedselverwerkingsbedrijven tot parkeergarages, van vliegtuigen tot casino’s. Op elke plek waar mogelijk een tekort aan zuurstof kan ontstaan of giftige gassen aanwezig kunnen zijn, is een gasdetector nodig om de veiligheid van mensen te waarborgen. Enkele veelvoorkomende toepassingen tijdens veldprojecten zijn: het betreden van besloten ruimtes, het boren van putten, bodemonderzoek, gebiedsmonitoring, veiligheid van werknemers, luchtkwaliteit binnenshuis en lekdetectie.

Natuurlijk bestaan ze al heel lang, te beginnen met de kanarie, die helaas maar één keer kon worden ingezet: wanneer hij aan methaan werd blootgesteld, stierf hij vrij snel, zonder andere audiovisuele alarmmogelijkheden dan een licht getjilp en een totaal gebrek aan beweging. Gelukkig heeft de technologie aanzienlijke vooruitgang geboekt en beschikken we op dit moment over zeer geavanceerde elektronische apparatuur.

Laten we eerst even de basisprincipes doornemen:

• Eén ppm is één deel op 1.000.000 delen. Over het algemeen is ppm (parts per million) de kleinste meeteenheid: 10.000 ppm = 1% per volume
• LEL (onderste explosiegrens) is de volgende meeteenheid en wordt uitgedrukt als een percentage van het explosieve %(vol)-niveau van een verbinding
• 100% LEL is de laagste concentratie waarbij een brandbare stof bij ontbranding een brand of explosie kan veroorzaken
• UEL (bovenste explosiegrens) is de maximale concentratie van gas in de lucht waarbij verbranding plaatsvindt
• Elke verbinding (gas) heeft een andere LEL, oftewel het punt waarop de verbinding gaat branden of explosief wordt
• De meeste brandbare verbindingen worden explosief bij een volume van minder dan 5%
• Elk gas heeft een andere LEL en UEL
• Het gaspercentage is de hoogste meeteenheid; dit is de hoeveelheid zuiver gas

Hoe werken gasdetectiesensoren?

Naarmate de moderne technologie zich verder ontwikkelt, zal de onderstaande uitleg ongetwijfeld achterhaald raken; daarom volgt hier in het kort een overzicht van de basisprincipes.

De zuurstofsensor is een elektromechanische sensor. Elk gas dat elektromechanisch kan worden geoxideerd of gereduceerd, kan worden gedetecteerd met behulp van een op brandstof gebaseerde elektrochemische sensor. Het verbruik van zuurstof wekt een stroom op die lineair evenredig is met de concentratie van het gas in de lucht.

Aangezien de zuurstofsensor voortdurend aan zuurstof wordt blootgesteld, bedraagt de normale levensduur van de sensor één tot twee jaar.

De brandbare sensor bestaat uit twee spoelen van fijne platinadraad, die elk zijn ingebed in een bolletje aluminiumoxide en elektrisch zijn verbonden in een brugschakeling. Een van de bolletjes is geïmpregneerd met een speciale katalysator die oxidatie bevordert, terwijl het andere is behandeld om oxidatie te remmen. Er wordt stroom door de spoelen geleid, zodat deze een temperatuur bereiken waarbij oxidatie van een gas gemakkelijk plaatsvindt bij de gekatalyseerde bol (ongeveer 500 °C).

Hierdoor stijgt de temperatuur nog verder, waardoor de weerstand van de platinaspiraal in de gekatalyseerde korrel toeneemt, wat leidt tot een onbalans in de brug. Deze verandering in de uitgang is voor de meeste gassen lineair tot en boven 100% LEL en de responstijd bedraagt slechts enkele seconden om alarmniveaus te detecteren (doorgaans 20% LEL).

De gassensoren zijn eveneens elektromechanisch en werken volgens dezelfde basisprincipes als de zuurstofsensor. Elektromechanische sensoren verbruiken uiterst kleine hoeveelheden gas, waarbij de gasopname en de elektrische output worden geregeld door een “diffusiebarrière”.

Besloten ruimten en gasdetectie

Een besloten ruimte is elke ruimte die groot genoeg is om iemand toe te laten om daar toegewezen werkzaamheden uit te voeren, die slechts over beperkte toegangs- of uitgangsmogelijkheden beschikt en die niet is ontworpen voor continu verblijf van werknemers. Dit geldt voor vrijwel elke sector, waaronder nutsbedrijven, de bouw, de exploratie en verwerking van koolwaterstoffen, de petrochemische industrie, de scheepvaart, de landbouw, de voedselverwerking en de brouwerij-industrie, evenals de hulpdiensten.

Werkgevers moeten de risico’s beoordelen die deze werkplekken voor hun werknemers met zich meebrengen en ernaar streven deze te voorkomen. In de meeste gevallen zullen zowel de beoordeling als het veilige werksysteem het testen van de atmosfeer met gasdetectieapparatuur vereisen.

Gasrisico’s in besloten ruimtes kunnen worden onderverdeeld in drie brede categorieën: brandbare gassen, giftige gassen en zuurstofgebrek of -verrijking.

Risico's van brandbare gassen

Om verbranding te laten plaatsvinden, moet de lucht een minimale concentratie aan brandbaar gas of damp bevatten. Deze hoeveelheid wordt de LEL genoemd. Verschillende stoffen hebben verschillende LEL-waarden, dus is het van cruciaal belang dat detectoren in staat zijn om de juiste concentraties te detecteren.

Over het algemeen vormen opslagvaten waarin koolwaterstofbrandstoffen en oliën hebben gezeten een gevaar. Andere gevaren komen voort uit brandstoflekken: gesprongen brandstofcontainers; pijpleidingen op en buiten het terrein, gasflessen en door motoren aangedreven installaties. Voor werknemers in putten, riolen en andere ondergrondse locaties vormt methaan, dat ontstaat door de afbraak van organisch materiaal, een vrijwel alomtegenwoordig gevaar.

Giftige gassen en dampen

Werknemers die in besloten ruimtes werken, kunnen, afhankelijk van de aard van het werk, aan tal van giftige stoffen worden blootgesteld. Er moet een risicobeoordeling worden uitgevoerd om vast te stellen aan welke giftige stoffen een werknemer in een bepaalde werksituatie kan worden blootgesteld.

Als we kijken naar giftige gassen die bij specifieke toepassingen voorkomen, blijkt bijvoorbeeld dat de watersector veel giftige stoffen gebruikt voor het reinigen en verwerken van zowel afvalwater als schoon water. Gevaren zoals chloor, ozon, zwaveldioxide en chloordioxide vormen dan extra risico’s, zowel in opslag- als in behandelingsruimtes.

Zuurstof – te hoog of te laag?

De normale zuurstofconcentratie in frisse lucht bedraagt 20,9%. Een atmosfeer is gevaarlijk als de concentratie daalt tot onder 19,5% of stijgt tot boven 23,5%.

Zonder voldoende ventilatie zal het zuurstofgehalte al door het simpele ademen verrassend snel dalen. Ook bij verbranding wordt zuurstof verbruikt, waardoor door motoren aangedreven installaties en open vlammen, zoals lasbranders, potentiële gevaren vormen. Zuurstof kan bovendien worden verdrongen. Stikstof bijvoorbeeld, dat wordt gebruikt om opslagtanks voor koolwaterstoffen vóór hergebruik te spoelen, verdringt de zuurstof uit de tank, waardoor deze zeer gevaarlijk blijft totdat deze grondig is geventileerd.

Hoge zuurstofconcentraties zijn eveneens gevaarlijk. Net als bij een tekort aan zuurstof zal een teveel het vermogen van het slachtoffer om helder te denken en verstandig te handelen aantasten. Bovendien vormen zuurstofrijke omgevingen een aanzienlijk brandgevaar.

Soorten gasdetectoren

Zowel draagbare als vaste gasdetectoren kunnen worden gebruikt voor het bewaken van besloten ruimtes. Vaste systemen bestaan doorgaans uit één of meer detectoren die zijn aangesloten op een apart bedieningspaneel. Als een detector een gevaarlijk gasniveau registreert, geeft het paneel alarm door externe sirenes en zwaailichten te activeren. Dit soort installatie is geschikt voor grotere ruimtes zoals technische ruimtes, waar voldoende plaats is voor de apparatuur of voor afgelegen stations die doorgaans onbemand zijn.

Veel werkzaamheden in besloten ruimtes vinden echter plaats in nog krappere ruimtes, waardoor compacte, draagbare apparaten geschikter zijn. Dankzij het gebruiksgemak – bediening met één knop – is er slechts minimale training nodig, terwijl tegelijkertijd de veiligheid wordt gewaarborgd. Door één of meer sensoren te combineren met krachtige akoestische en visuele signalen die waarschuwen wanneer vooraf ingestelde gasniveaus worden bereikt, kunnen draagbare detectoren overal waar ze nodig zijn worden meegenomen of gedragen. Bovendien kan een compact instrument gemakkelijk in een besloten ruimte worden meegenomen, waardoor wordt voorkomen dat plekken met een hoge gasconcentratie over het hoofd worden gezien.

Bepaalde kenmerken mogen bij elke draagbare gasdetector niet ontbreken. Het is duidelijk dat levensreddende apparaten voor veeleisende omgevingen zo robuust mogelijk moeten zijn, met betrouwbare elektronica in een schokbestendige behuizing. Hoewel geen enkel instrument volledig afgedicht kan zijn omdat de gassensoren aan de buitenlucht moeten worden blootgesteld, is een hoge mate van bescherming tegen het binnendringen van stof en water essentieel. Ondanks deze robuustheid zal een goed ontworpen detector ook licht en compact genoeg zijn om gedurende een hele dienst te dragen.

Ten slotte moeten instrumenten gebruiksvriendelijk zijn, gezien de moeilijkheden die het werken in een krappe ruimte – mogelijk bij slechte verlichting – met zich meebrengt. Hoe geavanceerd de interne architectuur of de opties voor gegevensbeheer van een detector ook mogen zijn, het personeel in het veld mag niet worden geconfronteerd met meer dan een duidelijk display, een eenvoudige bediening met één knop en luide/heldere alarmsignalen.

Sensoren voor brandbare gassen

Zoals hieronder wordt toegelicht, zijn er sensoren voor brandbare gassen in de vorm van katalytische sensoren, halfgeleidersensoren op basis van metaaloxiden en infraroodsensoren.

Katalytische sensoren voor brandbare gassen

Katalytische sensoren voor brandbare gassen, die worden ingezet in explosieve omgevingen, detecteren brandbare gassen door een verbranding van de gassen in de sensorkamer op gang te brengen.

Katalytische sensoren bieden niet alleen een goede lineariteit, maar reageren ook op de meeste brandbare gassen. Aangezien de weerstandsverandering bij %LEL echter relatief klein is, werken ze het beste bij concentraties tussen 1.000 en 50.000 ppm.

Wat betreft de nadelen:

• Ze meten geen sporenhoeveelheden (minder dan 200 ppm) van gas en mogen daarom niet worden gebruikt om giftige concentraties vast te stellen
• Om nauwkeurig te kunnen werken, hebben ze minimaal 14% zuurstof in de lucht nodig
• Niet aanbevolen voor gebruik in acetyleenomgevingen
• De sensor kan worden beschadigd door lood, siliconen of andere katalytische vergifstoffen
• De meetwaarden kunnen worden beïnvloed door condensatie van waterdamp en luchtvochtigheid
• Slechte reactie op koolwaterstoffen met een laag energiegehalte, zoals oliedampen, kerosine, dieselbrandstof en commerciële vliegtuigbrandstoffen
• Vaak verliezen ze na ongeveer een jaar hun lineariteit

MOS-sensor (metaaloxide-halfgeleider) voor brandbare gassen

MOS-sensoren (Metallic Oxide Semiconductor) voor brandbare gassen, ook wel bekend als solid-state-sensoren, bestaan al jaren. Met een lange levensduur van drie tot vijf jaar is dit een zeer robuuste sensor die goed herstelt van hoge gasconcentraties die andere soorten sensoren zouden kunnen beschadigen.

Net als bij katalytische sensoren kunnen ook de meetwaarden van MOS-sensoren worden beïnvloed door vochtigheid en condensatie van waterdamp. Bovendien hebben ze, hoewel ze niet zoveel zuurstof nodig hebben als hun katalytische tegenhangers, toch zuurstof nodig om nauwkeurig te kunnen werken.

Naast de hierboven genoemde nadelen zijn er nog andere nadelen die specifiek zijn voor MOS-sensoren, namelijk:

• Verwarmingselementen in sommige MOS-sensoren verbruiken veel stroom, waardoor er grotere accu’s nodig zijn
• Hoewel MOS-sensoren reageren op talrijke VOS, HFK’s en oplosmiddelen, zijn ze niet specifiek voor één bepaalde verbinding

Infraroodbrandstofsensoren

Sinds kort worden deze sensoren in sommige instrumenten toegepast. Ze functioneren goed bij lage zuurstofconcentraties of in acetyleenomgevingen; ze zijn echter vrij duur. Deze sensoren werken door licht via een spiegel te weerkaatsen en de hoeveelheid licht te meten die tijdens de breking wordt geabsorbeerd. Infraroodsensoren vereisen doorgaans een constante doorstroming door de meetopstelling en het kan even duren voordat het alarm wordt opgeheven. Ze zijn niet in staat om waterstof te detecteren. Een infraroodsensor die is gekalibreerd voor een eenvoudige koolwaterstof zoals methaan of ethaan, zal geen nauwkeurige metingen geven bij dampen van koolwaterstoffen met een hoger molecuulgewicht, oplosmiddelen of brandstoffen.

Sensoren voor giftige stoffen

Elektrochemische (natchemische) toxische sensoren

Deze sensoren reageren op een specifieke chemische stof. Er zijn chemisch specifieke sensoren beschikbaar voor maximaal 30 verschillende gassen, waaronder chloor, ammoniak, koolmonoxide, kooldioxide, stikstofdioxide, stikstofmonoxide, waterstofcyanide, waterstofsulfide en zwaveldioxide. In de technische informatie van de fabrikant staat aangegeven welke sensoren voor hun apparaat beschikbaar zijn.

Deze sensoren hebben een goede lineariteit, waardoor ze zeer nauwkeurig zijn voor de stof waarop ze reageren. Ze kunnen zowel grote als kleine hoeveelheden meten en hebben een typische levensduur van ongeveer één jaar voor veel giftige gassen en tot twee jaar voor waterstofsulfide en koolmonoxide.

Net als alle andere sensoren hebben ook natchemische sensoren hun beperkingen. De elektrolytische vloeistof kan bevriezen wanneer deze wordt blootgesteld aan temperaturen onder 0 °C. Sommige chemische sensoren kunnen nadelig worden beïnvloed door de hoogte, aangezien ze drukgevoelig kunnen zijn.

Giftige breedspectrum-gassensoren op basis van metaaloxide-halfgeleiders (MOS)

Er zijn verschillende MOS-sensoren op de markt en er is er een ontwikkeld voor het detecteren van giftige gassen. De opbouw en werking ervan zijn vergelijkbaar met die van de sensor die wordt gebruikt voor het detecteren van brandbare gassen. De MOS-sensor voor giftige gassen met een breed detectiebereik is echter in staat om te reageren op lage PPM-concentraties van een breed scala aan giftige gassen, waaronder koolmonoxide, waterstofsulfide, ammoniak, styreen, tolueen, benzine en vele andere koolwaterstoffen en oplosmiddelen. MOS-sensoren kunnen geen kooldioxide of zwaveldioxide detecteren. De sensor kan u niet vertellen welk gas u bent tegengekomen of wat de concentratie is, maar geeft alleen aan dat de atmosfeer schadelijk kan zijn voor uw gezondheid.

Foto-ionisatiedetectoren (PID’s)

Gezondheids- en veiligheidsdeskundigen en anderen maken al sinds de jaren zestig gebruik van foto-ionisatiesensortechnologie voor het beoordelen van gevaren in de lucht op de werkplek. De levensduur van deze sensoren bedraagt één tot drie jaar. Ze zijn doorgaans te duur om in een instrument met meerdere sensoren te worden gebruikt.

Conclusie

Voor degenen onder u die werken in omgevingen die gevaarlijk kunnen zijn voor uw gezondheid, kan het kiezen van de juiste gasdetector wel eens de allerbelangrijkste beslissing zijn die u ooit neemt. Uw leven kan afhangen van die beslissing; het is dan ook van cruciaal belang dat de gebruiker/koper zich bewust is van de gevaren waarmee hij te maken kan krijgen en van de juiste sensoren om zich daartegen te beschermen. Uit gegevens die eind jaren zeventig en begin jaren tachtig zijn verzameld, bleek dat 65% van degenen die in besloten ruimtes omkwamen, zich er niet van bewust waren dat de ruimte die ze betraden een potentieel gevaar vormde. Meer dan 50% van de sterfgevallen in besloten ruimtes betreffen de reddingswerkers en meer dan een derde van de dodelijke ongevallen vond plaats nadat de ruimte was getest, veilig was verklaard en de gasdetector was verwijderd.

De keuze voor een gasdetector moet worden gebaseerd op het specifieke gevaar. Helaas doen veel te veel kopers een van de grootste en meest cruciale aankopen van apparatuur zonder echt te begrijpen wat ze kopen. Sensoren en hun mogelijkheden zijn de allerbelangrijkste factor bij het kiezen van een gasdetector, maar toch worden beslissingen vaak gebaseerd op grootte, prijs en functies die niets te maken hebben met de detectiemogelijkheden van het instrument.

Gasdetectoren zijn verkrijgbaar in allerlei maten, vormen, kleuren en met verschillende sensorconfiguraties. Bij werkzaamheden in besloten ruimtes is het noodzakelijk om te controleren op zuurstofgebrek of -overmaat, brandbare gassen en giftige stoffen. Een meetinstrument dat deze drie gevaren kan detecteren, is onmisbaar.