Prawidłowa kalibracja czujników katalitycznych: praktyczny przewodnik

Czujniki kalorymetryczne są powszechnie stosowane, gdy dana przestrzeń wymaga monitorowania i sprawdzenia pod kątem substancji wybuchowych, takich jak metan czy nonan. Zaletą tych urządzeń, znanych jako czujniki katalityczne, jest zdolność do detekcji dowolnego gazu palnego. Jednakże dokładne wartości pomiaru wyświetlane są tylko dla tego gazu, do wykrywania którego czujnik został skonfigurowany. Czułość przyrządów zależy od rodzaju substancji i jest standardowo niższa w przypadku cieczy niż w przypadku gazów.

Jeśli detektor gazu wyposażony w czujnik katalityczny zostanie skalibrowany tak, by wykrywać substancję, na którą jest czuły, wynik wyświetlany (jako wartość procentowa DGW) dla dowolnej substancji, na którą czujnik nie jest czuły¹, będzie zaniżony względem faktycznego stężenia tej substancji. Sytuacja wygląda odwrotnie w przypadku, gdy czujnik zostanie skalibrowany w celu detekcji gazu, na działanie którego nie jest czuły. Wówczas w przypadku wszystkich innych gazów urządzenie będzie wyświetlać wartości stężenia wyższe od faktycznie występujących.

Na przykład czujniki katalityczne uważa się za wyjątkowo nieczułe na opary nonanu. Jeśli czujnik zostanie skalibrowany z użyciem nonanu i wykryje przykładowo metan, wówczas wyświetlony wynik pomiaru będzie zawyżony z uwagi na większą czułość przyrządu względem tej substancji. Z kolei urządzenie skalibrowane do wykrywania nonanu z wyprzedzeniem sygnalizuje występowanie wszystkich palnych gazów.

Co to oznacza w praktyce? Zanim urządzenie będzie gotowe do użytku, należy je skonfigurować pod kątem konkretnego zastosowania. Należy odpowiedzieć na następujące pytania:

• jakie gazy mogą występować w danym miejscu?
• w jaki sposób i z użyciem jakiego gazu ma być przeprowadzany codzienny test wskazań?
• w jaki sposób i z użyciem jakiego gazu ma być przeprowadzana kalibracja?
• przy jakich wartościach stężenia urządzenie ma generować alarm?
• w jaki sposób mają być dokumentowane wskazania czujnika?

W wielu przypadkach można bezpiecznie założyć, że w otoczeniu będzie występować wiele różnych palnych gazów i oparów. Dlatego warto zdecydować się na kalibrację, która gwarantuje odpowiednią ochronę. W procesie kalibracji można użyć gazu docelowego, tj. dokładnie tego, którego stężenie ma być monitorowane, lub też gazu zastępczego.

KALIBRACJA Z UŻYCIEM GAZU DOCELOWEGO CZY ZASTĘPCZEGO?

Istnieje szereg powodów, dla których warto zdecydować się na inny gaz testowy niż gaz docelowy (np. nonan) podczas kalibrowania czujnika i testowania jego wskazań: gaz testowy jest łatwiejszy w obsłudze: na przykład nonan w temperaturze pokojowej występuje w stanie ciekłym i nie jest dostępny w butlach z gazem testowym. Kalibracja z użyciem oparów to bardzo czasochłonny proces, którego dokładność uzależniona jest od odpowiedniego doświadczenia oraz sprzętu.

• możliwość wystąpienia: gazu testowego można użyć również w sytuacji, gdy występuje on w środowisku pracy obok gazu docelowego i tak samo jest obiektem pomiarów.
• większe możliwości w zakresie weryfikacji: gaz zastępczy pozwala zweryfikować dodatkowe funkcje detektora gazu.

Z uwagi na swoje właściwości nonan stanowi na przykład preferowany gaz testowy w zastosowaniach wymagających wdrożenia środków najwyższej ostrożności i wyjątkowo czułej kalibracji.

W temperaturze pokojowej nonan występuje w stanie ciekłym. Do celów kalibracji z użyciem gazu docelowego standardowo zastosowane zostałyby opary ciekłego nonanu. Kalibracja z bezpośrednim wykorzystaniem oparów nie jest jednak praktycznym rozwiązaniem, ponieważ ciężko uzyskać w ten sposób żądaną dokładność. Dlatego czujniki przeznaczone do wykrywania nonanu są zazwyczaj kalibrowane z użyciem innego gazu testowego, czyli tzw. gazu zastępczego. Prawidłowa konwersja czułości wykonywana jest ręcznie na podstawie specyfikacji technicznej producenta lub automatycznie przez detektor gazu.

PRAWIDŁOWA KALIBRACJA W WARUNKACH WYSTĘPOWANIA SUBSTANCJI ZAKŁÓCAJĄCYCH DZIAŁANIE CZUJNIKÓW

Do wad czujników katalitycznych zalicza się ich podatność na działanie trucizn. Pod wpływem czynników środowiskowych może dojść do zaburzenia czułości wskazań i zablokowania pracy czujnika.

Element katalityczny w czujnikach może ulec zatruciu pod wpływem substancji polimeryzujących, takich jak styren czy akrylonitryl, węglowodorów chlorowanych lub fluorowanych, silikonów, materiałów hybrydowych lub związków siarki (np. siarkowodór² i tiole). Często uważa się, że codzienny test funkcjonalny jest w stanie wykryć zanieczyszczenie czujnika tymi substancjami, jednak założenie to jest błędne.

Zatrucie sprawia, że czujniki katalityczne przestają początkowo reagować na zmiany stężenia metanu. Następnie nieczułość powiększa się i zaczyna dotyczyć innych gazów i oparów, takich jak propan lub nonan. Zjawisko to określane jest jako "zatrucie selektywne"³. W skrajnych przypadkach czujnik katalityczny, który uległ selektywnemu zatruciu, może w ogóle nie reagować na występowanie metanu w otoczeniu.

W przypadku wszystkich zastosowań czujników katalitycznych, w których może występować metan, norma EN 60079-29-2 zaleca, aby detektory gazu były kalibrowane i testowane pod kątem funkcjonalności z użyciem metanu – nawet jeśli dla urządzenia skonfigurowano inny gaz docelowy.

Detektor gazu, który uległ zatruciu, nie przejdzie testu funkcjonalnego czujnika CatEx z użyciem metanu jako gazu zastępczego. Jeśli urządzenie zostanie skalibrowane z użyciem metanu, wówczas jego wskazania stężenia dla wszystkich pozostałych substancji będą wyższe od faktycznych wartości, przy założeniu, że kalibracja się powiedzie. Wyższa czułość gwarantuje większe bezpieczeństwo.

W praktyce istnieją dwie metody na uniknięcie nieprawidłowych wskazań będących wynikiem zaburzenia pracy czujnika.

1. Kalibracja czujnika katalitycznego z użyciem metanu i obniżenie progu alarmu dla czujnika substancji wybuchowych. Standardowo czujniki substancji wybuchowych są konfigurowane tak, by alarm wstępny generowany był przy 20% DGW, a alarm główny – przy 40% DGW. Jeśli zamiast tego dla urządzenia kalibrowanego z użyciem metanu zostaną ustawione wartości odpowiednio 10% i 20% DGW, alarmy uruchomią się wcześniej. Nie wpływa to na faktyczną czułość urządzenia. Wadą tej metody jest fakt, że urządzenie może nie sygnalizować obecności oparów w niskich stężeniach z uwagi na brak wzrostu czułości w połączeniu z jej tłumieniem przez zakres wykrywania czujnika.
   
   
2. Kalibracja z użyciem gazu zastępczego i ręcznym lub automatycznym obliczaniem różnicy czułości. To rozwiązanie wymaga również regularnego badania czułości względem metanu.

AUTOMATYCZNA KALIBRACJA Z UŻYCIEM GAZU ZASTĘPCZEGO ZWIĘKSZAJĄCA ELASTYCZNOŚĆ ORAZ BEZPIECZEŃSTWO

Czujnik katalityczny Dräger CatEx 125 PR jest wyposażony w bogaty zestaw danych umożliwiający skalibrowanie czujnika z użyciem metanu w taki sposób, aby wykrywał niemalże wszystkie pozostałe palne gazy i opary. Metan konfigurowany jest jako gaz testowy i kalibracyjny, podczas gdy inny gaz (np. heksan lub nonan) wskazywany jest jako ten, którego dotyczy pomiar. Pozostałych gazów z zestawu danych można także użyć jako gazów testowych i kalibracyjnych.

Zarówno w przypadku kalibracji ręcznej jak i automatycznej z wykorzystaniem detektora Dräger X-dock urządzenie samodzielnie wykonuje niezbędne obliczenia dotyczące konwersji i ustawia wymaganą czułość. Bogaty zestaw danych dostępnych w urządzeniu sprawia, że uwzględniany jest także automatycznie wpływ temperatury na pracę czujnika.

Kalibracja z użyciem gazu zastępczego jest zwykle mniej dokładna niż kalibracja na bazie gazu docelowego – tolerancja w tym przypadku to ±30%. Jednak ponieważ w rzeczywistości często mamy do czynienia z mieszaniną gazów, tak czy inaczej wymagana jest "czułość zastępcza" względem co najmniej jednego gazu. A zatem celem tutaj jest osiągnięcie wymaganej czułości przy jednoczesnym wykluczeniu zjawiska zatrucia selektywnego tak, aby użytkownik został ostrzeżony przed niebezpieczeństwem.

Detektor wielogazowy Dräger można również skonfigurować w taki sposób, aby po wykryciu dowolnego gazu wyświetlał się komunikat "Ex"⁴. Nie zmienia to faktu, że urządzenie wykrywa konkretny gaz, jednak celem kalibracji jest przecież wykrywanie wszelkich potencjalnie palnych gazów i oparów.

Jeśli dojdzie do zatrucia selektywnego, kalibracja i test funkcjonalny nie powiodą się bądź też czułość urządzenia będzie wyższa od wymaganej, tj. wzrośnie liczba fałszywych alarmów. Dlatego właśnie kalibrację z użyciem gazu zastępczego można przeprowadzić wyłącznie w kierunku większej czułości. System zapobiega ustawieniu metanu jako gazu docelowego, jeśli wcześniej wybrano już inny gaz do celów kalibracji lub testowania.

Takie podejście sprawia, że wskazania dotyczące metanu są bezpieczne i zgodne z normą EN przy jednoczesnym zagwarantowaniu czułości wymaganej do detekcji innych gazów i oparów. Dodatkowo cały proces jest dokładnie udokumentowany, ponieważ gazy testowe, kalibracyjne i wykrywane są analizowane osobno i przedstawiane w raportach z badań wraz z faktycznie skonfigurowanymi wartościami stężenia.

Detektory gazu z opcją przeprowadzania kalibracji z użyciem gazu zastępczego dla wybranych gazów lub oparów i ustawienia metanu jako gazu testowego w procesie testowania działania i kalibracji pozwalają użytkownikom zachować zgodność z wymaganiami normy EN 60079-29-2. Funkcja automatycznej kalibracji z użyciem gazu zastępczego w urządzeniach Dräger X-am 2500 i Dräger X-am 5000 to nieskomplikowane i bezpieczne zastosowanie czujników katalitycznych CatEx 125 PR.

¹ "Brak czułości" oznacza, że czujnik generuje tylko minimalny sygnał pomiarowy (np. w mV/% DGW).
² Zakłócenie pracy spowodowane siarkowodorem ma mniejsze znaczenie w przypadku nowoczesnych czujników katalitycznych, nawet w przypadku przeprowadzania testów funkcjonalnych z użyciem mieszanin gazów zawierających siarkowodór podczas badań lub kalibracji. Przykład: czujnik Dräger CatEx 125 PR: maks. 2% utraty czułości przy narażeniu na poziomie 1000 ppm*h. Ponieważ testy funkcjonalne zazwyczaj trwają krótko (kilka sekund) i wykorzystują niewielkie stężenia (małe wartości ppm), codzienne testy z użyciem mieszaniny gazów praktycznie nie wpływają na czułość urządzenia.
³ W przypadku selektywnego zatrucia metanem istnieją wyjaśnienia teoretyczne dotyczące energii aktywacji.
⁴ "Ex" to skrót oznaczający wybuchowe gazy i opary.

Rüdiger Weich, Malte Berndt, Bettina Runge

Dräger
www.draeger.com