Detecção de gás

Detecção de gás

Os detetores de gás podem ser encontrados em todos os setores, desde fábricas de processamento alimentar a parques de estacionamento, desde aviões a casinos. Qualquer local onde possa existir uma potencial falta de oxigénio ou a presença de gás tóxico necessita de um detetor de gás para monitorizar a segurança das pessoas. Algumas utilizações comuns durante projetos no terreno são: entrada em espaços confinados, perfuração de poços, análise do solo, monitorização de áreas, segurança dos trabalhadores, qualidade do ar interior e deteção de fugas.

É claro que já existem há muito tempo, começando pelo canário, que infelizmente era um recurso de uso único: quando exposto ao metano, tendia a morrer bastante rapidamente, sem quaisquer capacidades de alarme audiovisual além de um leve chilrear e uma total falta de movimento. Felizmente, a tecnologia avançou significativamente e, neste momento, dispomos de equipamento eletrónico muito sofisticado.

Vamos abordar alguns conceitos básicos:

• Um ppm corresponde a uma parte em 1 000 000 de partes. Geralmente, o ppm (partes por milhão) é a unidade de medida mais baixa: 10 000 ppm = 1% em volume
• O LEL (Limite Inferior de Explosividade) é a próxima unidade de medida e corresponde a uma percentagem do nível explosivo %(vol) de um composto
• 100% LEL é a concentração mínima na qual uma substância inflamável pode provocar um incêndio ou uma explosão quando inflamada
• O UEL (Limite Superior de Explosividade) é a concentração máxima de gás no ar que pode arder
• Cada composto (gás) tem um LEL diferente, ou seja, o ponto a partir do qual o composto entra em combustão ou se torna explosivo
• A maioria dos compostos inflamáveis torna-se explosiva a um volume inferior a 5%
• Cada gás tem um LEL e um UEL diferentes
• A percentagem de gás é a unidade de medida mais elevada, correspondendo à quantidade de gás puro

Como funcionam os sensores de deteção de gás?

A tecnologia moderna irá, sem dúvida, tornar a explicação que se segue obsoleta à medida que avança; por isso, eis aqui, de forma sucinta, os conceitos básicos.

O sensor de oxigénio é um sensor eletromecânico. Qualquer gás que possa ser oxidado ou reduzido por via eletromecânica pode ser detetado através de um sensor eletroquímico baseado no combustível. O consumo de oxigénio produz uma corrente que é linearmente proporcional à concentração do gás no ar.

Uma vez que o sensor de oxigénio está constantemente exposto ao oxigénio, a sua vida útil normal situa-se entre um e dois anos.

O sensor combustível é constituído por duas bobinas de fio fino de platina, cada uma embutida numa esfera de alumina, ligadas eletricamente num circuito em ponte. Uma das esferas está impregnada com um catalisador especial que promove a oxidação e a outra foi tratada para inibir a oxidação. A corrente é feita passar pelas bobinas de modo a que estas atinjam uma temperatura na qual a oxidação de um gás ocorra facilmente na esferinha catalisada (cerca de 500 °C).

Isto eleva ainda mais a temperatura, o que aumenta a resistência da bobina de platina na esfera catalisada, levando a um desequilíbrio da ponte. Esta variação na saída é linear, para a maioria dos gases, até e além de 100% LEL, e o tempo de resposta é de apenas alguns segundos para detetar níveis de alarme (normalmente 20% LEL).

Os sensores de substâncias tóxicas são também eletromecânicos e funcionam segundo os mesmos princípios básicos do sensor de oxigénio. Os sensores eletromecânicos consomem quantidades mínimas de gás, sendo a absorção do gás e a saída elétrica controladas por uma “barreira de difusão”.

Espaços confinados e deteção de gás

Um espaço confinado é qualquer espaço suficientemente amplo para que uma pessoa possa entrar e realizar o trabalho que lhe foi atribuído, que tenha meios limitados de entrada ou saída e que não tenha sido concebido para a ocupação contínua por trabalhadores. Isto abrange praticamente todos os setores, incluindo serviços públicos, construção civil, exploração e processamento de hidrocarbonetos, petroquímica, setor marítimo, agricultura, processamento alimentar e produção de cerveja, bem como os serviços de emergência.

Os empregadores devem avaliar os riscos que estes locais de trabalho representam para os seus trabalhadores e envidar esforços para os prevenir. Na maioria dos casos, tanto a avaliação como o sistema de trabalho seguro exigirão a análise da atmosfera com equipamento de deteção de gases.

Os riscos relacionados com gases em espaços confinados podem ser divididos em três grandes categorias: gases combustíveis, gases tóxicos e empobrecimento ou enriquecimento de oxigénio.

Riscos associados aos gases combustíveis

Para que ocorra combustão, o ar deve conter uma concentração mínima de gás ou vapor combustível. Esta quantidade denomina-se LEL. Compostos diferentes apresentam LELs diferentes, pelo que é fundamental que os detetores sejam capazes de detetar nos níveis corretos.

Normalmente, os reservatórios que já contiveram combustíveis de hidrocarbonetos e óleos representam um perigo. Outros perigos decorrem de fugas de combustível: recipientes de combustível que rebentam; condutas dentro e fora das instalações, botijas de gás e equipamentos acionados a motor. Para os trabalhadores em fossas, esgotos e outros locais subterrâneos, o metano formado pela decomposição de matéria orgânica constitui um perigo quase universal.

Gases e vapores tóxicos

Os trabalhadores em espaços confinados podem estar expostos a diversos compostos tóxicos, dependendo da natureza do trabalho. Deve ser realizada uma avaliação de riscos para determinar a que substâncias tóxicas um trabalhador pode estar exposto em qualquer situação de trabalho específica.

Quando se analisam os gases tóxicos relacionados com aplicações específicas, o setor da água, por exemplo, utiliza muitos compostos tóxicos para a limpeza e o tratamento tanto de águas residuais como de águas limpas. Substâncias perigosas como o cloro, o ozono, o dióxido de enxofre e o dióxido de cloro representam, assim, riscos adicionais tanto nas áreas de armazenamento como nas de tratamento.

Oxigénio – demasiado alto ou demasiado baixo?

A concentração normal de oxigénio no ar livre é de 20,9%. Uma atmosfera é perigosa se a concentração descer abaixo de 19,5% ou ultrapassar os 23,5%.

Sem ventilação adequada, o simples ato de respirar fará com que os níveis de oxigénio desçam com uma rapidez surpreendente. A combustão também consome oxigénio, pelo que as instalações movidas a motor e as chamas abertas, como os maçaricos de soldadura, constituem riscos potenciais. O oxigénio também pode ser deslocado. O azoto, por exemplo, quando utilizado para purgar recipientes de armazenamento de hidrocarbonetos antes da sua reutilização, expulsa o oxigénio do recipiente e torna-o altamente perigoso até ser completamente ventilado.

Níveis elevados de oxigénio também são perigosos. Tal como acontece com a falta de oxigénio, o excesso prejudica a capacidade da vítima de pensar com clareza e agir com sensatez. Além disso, as atmosferas enriquecidas com oxigénio representam um risco significativo de incêndio.

Tipos de detetores de gás

Tanto os detetores de gás portáteis como os fixos podem ser utilizados para a monitorização de espaços confinados. Os sistemas fixos são normalmente compostos por uma ou mais “cabeças” de detecção ligadas a um painel de controlo separado. Se um detetor registar um nível perigoso de gás, o painel aciona o alarme, ativando sirenes e luzes de sinalização externas. Este tipo de instalação é adequado para espaços maiores, como salas técnicas, que dispõem de espaço suficiente para o equipamento ou para estações remotas que, normalmente, não são vigiadas por pessoal.

No entanto, grande parte do trabalho em espaços confinados decorre em áreas mais restritas, o que torna as unidades portáteis compactas mais adequadas. A facilidade de utilização, com um único botão, significa que é necessária uma formação mínima, ao mesmo tempo que se garante uma maior segurança. Combinando um ou mais sensores com sinais sonoros e visuais potentes para alertar quando são atingidos os níveis de gás predefinidos, os detetores portáteis podem ser transportados ou usados onde quer que sejam necessários. Além disso, um instrumento compacto é facilmente transportado num espaço confinado, garantindo que não passam despercebidas bolsas de elevada concentração de gás.

Há certas características que devem estar presentes em todos os detetores de gás portáteis. É evidente que os equipamentos que salvam vidas em ambientes exigentes têm de ser o mais resistentes possível, com componentes eletrónicos fiáveis alojados em caixas resistentes a impactos. Embora a necessidade de manter os sensores de gás expostos à atmosfera signifique que nenhum instrumento pode ser totalmente selado, é essencial um elevado grau de proteção contra a entrada de poeira e água. Apesar da robustez, um detetor bem concebido será também suficientemente leve e compacto para ser usado durante um turno inteiro.

Por fim, devido às dificuldades de trabalhar num espaço exíguo, talvez com pouca iluminação, os instrumentos devem ser fáceis de utilizar. Por mais avançada que seja a arquitetura interna de um detetor ou as suas opções de gestão de dados, o pessoal no terreno não deve ter de lidar com nada mais intimidante do que um ecrã nítido, um funcionamento simples com um único botão e alarmes sonoros e luminosos.

Sensores de gás combustível

Conforme detalhado abaixo, os sensores de gás combustível podem ser catalíticos, de semicondutor de óxido metálico e de infravermelhos.

Sensores catalíticos de gás combustível

Ao detetar atmosferas explosivas, os sensores catalíticos de gases combustíveis detetam esses gases provocando a sua combustão no interior da câmara do sensor.

Os sensores catalíticos não só oferecem uma boa linearidade, como também são capazes de reagir à maioria dos gases combustíveis. No entanto, uma vez que a variação de resistência em relação a %LEL é relativamente pequena, funcionam melhor em concentrações entre 1 000 e 50 000 ppm.

Quanto às suas desvantagens:

• Não medem quantidades vestigiais (inferiores a 200 ppm) de gás, pelo que não devem ser utilizados para determinar níveis tóxicos
• Para funcionarem com precisão, requerem um teor mínimo de oxigénio no ar de 14%
• Não recomendado para utilização em atmosferas de acetileno
• O sensor pode ser danificado pelo chumbo, pelo silicone ou por outros agentes catalíticos nocivos
• As leituras podem ser afetadas pela condensação do vapor de água e pela humidade
• Baixa capacidade de resposta a hidrocarbonetos de baixa energia, por exemplo, vapores de petróleo, querosene, gasóleo e combustíveis para aviões comerciais
• Muitas vezes, perdem a linearidade ao fim de cerca de um ano

Sensor de gás combustível de semicondutor de óxido metálico (MOS)

Também conhecidos como sensores de estado sólido, os sensores de gás combustível de semicondutor de óxido metálico (MOS) já existem há vários anos. Com uma longa vida útil de três a cinco anos, trata-se de um sensor muito resistente, que se recupera bem de concentrações elevadas de gás que poderiam danificar outros tipos de sensores.

Tal como acontece com os sensores catalíticos, as leituras dos sensores MOS também podem ser afetadas pela humidade e pela condensação do vapor de água. Além disso, embora não necessitem de tanto oxigénio como os seus homólogos catalíticos, também precisam de oxigénio para funcionar com precisão.

Para além das desvantagens acima referidas, outras desvantagens específicas dos sensores MOS incluem:

• Os elementos de aquecimento em alguns sensores MOS consomem muita energia, o que significa que são necessárias baterias de maior capacidade
• Apesar de reagirem a muitos COV, HFC e solventes, os sensores MOS não são específicos para nenhum composto em particular

Sensores de combustíveis por infravermelhos

De forma relativamente recente, estes sensores têm vindo a surgir em alguns instrumentos. Funcionam bem em níveis baixos de oxigénio ou em atmosferas de acetileno; no entanto, são bastante caros. Estes sensores funcionam através da reflexão da luz num espelho e da medição da quantidade de luz absorvida durante a refração. Os sensores de infravermelhos requerem normalmente um fluxo constante através do conjunto de deteção e podem demorar a desativar o alarme. Não são capazes de detetar hidrogénio. Um sensor de infravermelhos calibrado para um hidrocarboneto simples, como o metano ou o etano, não será preciso para vapores de hidrocarbonetos, solventes ou combustíveis com peso molecular mais elevado.

Sensores de substâncias tóxicas

Sensores toxicológicos eletroquímicos (de química húmida)

Estes sensores reagem a uma substância química específica. Estão disponíveis sensores quimicamente específicos para até 30 gases diferentes, incluindo cloro, amoníaco, monóxido de carbono, dióxido de carbono, dióxido de azoto, óxido nítrico, cianeto de hidrogénio, sulfureto de hidrogénio e dióxido de enxofre. As informações técnicas do fabricante indicarão quais os sensores disponíveis para o seu aparelho.

Estes sensores apresentam boa linearidade, o que os torna muito precisos em relação à substância à qual reagem. Podem medir quantidades grandes ou pequenas e têm uma vida útil típica de aproximadamente um ano para muitos gases tóxicos e de até dois anos para o sulfureto de hidrogénio e o monóxido de carbono.

Tal como acontece com todos os sensores, os sensores químicos húmidos também têm as suas limitações. O fluido eletrolítico pode congelar quando exposto a ambientes com temperaturas inferiores a 0 ºC. Alguns sensores químicos podem ser afetados negativamente pela altitude, uma vez que podem ser sensíveis à pressão.

Sensores de gás tóxicos de ampla gama com semicondutor de óxido metálico (MOS)

Existem vários sensores MOS diferentes no mercado, tendo um deles sido desenvolvido para a deteção de gases tóxicos. A sua constituição e funcionamento são semelhantes aos do sensor utilizado para a deteção de gases combustíveis. No entanto, o sensor MOS de ampla gama para gases tóxicos é capaz de reagir a baixos níveis (em PPM) de uma vasta gama de gases tóxicos, incluindo monóxido de carbono, sulfureto de hidrogénio, amoníaco, estireno, tolueno, gasolina e muitos outros hidrocarbonetos e solventes. Os sensores MOS não conseguem detetar dióxido de carbono nem dióxido de enxofre. O sensor não é capaz de indicar que gás foi detetado nem a sua concentração, apenas que a atmosfera pode ser perigosa para a saúde.

Detetores de fotoionização (PIDs)

Os profissionais de saúde e segurança, entre outros, têm vindo a utilizar a tecnologia dos sensores de fotoionização para avaliar os riscos atmosféricos no local de trabalho desde a década de 1960. A vida útil destes sensores varia entre um e três anos. Normalmente, são demasiado dispendiosos para serem utilizados num instrumento com vários sensores.

Conclusão

Para aqueles que trabalham em ambientes que podem ser perigosos para a saúde, a escolha do detetor de gás adequado pode ser a decisão mais importante que alguma vez tomarão. A vossa vida pode depender dessa decisão; por isso, é fundamental que o utilizador/comprador se informe sobre os riscos que podem surgir e sobre os sensores adequados para se proteger. Dados recolhidos no final da década de 1970 e início da década de 1980 indicaram que 65% das pessoas que morreram em espaços confinados não tinham consciência de que o espaço em que estavam a entrar representava um perigo potencial. Mais de 50% das mortes em espaços confinados ocorrem entre os socorristas e mais de um terço das fatalidades ocorreram depois de o espaço ter sido testado, declarado seguro e de o detetor de gás ter sido removido.

A escolha de um detetor de gás deve basear-se no risco em causa. Infelizmente, são demasiados os compradores que fazem um dos maiores e mais cruciais investimentos em equipamento sem compreenderem realmente o que estão a adquirir. Os sensores e as suas capacidades são o fator mais importante na escolha de um detetor de gás; no entanto, na maioria das vezes, as decisões baseiam-se no tamanho, no preço e em características que nada têm a ver com as capacidades de deteção do instrumento.

Os detetores de gás estão disponíveis numa variedade de tamanhos, formas, cores e configurações de sensores. Para trabalhos em espaços confinados, é necessário monitorizar a deficiência ou o excesso de oxigénio, os gases combustíveis e os gases tóxicos. É essencial dispor de um instrumento capaz de detetar estes três riscos.