Использование детекторов горючих газов PPM для повышения безопасности

ПРИМЕЧАНИЕ. Спонсор этого контента может связаться с вами для получения дополнительной информации по этой теме. Нажмите здесь, чтобы отказаться от передачи вашего адреса электронной почты этому спонсору. (Эта ссылка не отменит вашу подписку на любой другой список адресов электронной почты BIC).

Рис. 1. Выборочный отклик ppm H2 в присутствии мешающих газов.

Одной из наиболее часто используемых технологий обнаружения горючих газов является датчик LEL.

LEL, сокращение от «Нижний предел взрываемости», определяется как самая низкая концентрация (в процентах) газа или пара в воздухе, которая может вызвать взрыв. Например, метан (CH4) и водород (H2), два наиболее распространенных горючих промышленных газа, имеют значения LEL в пять и четыре процента по объему в воздухе соответственно. Акцент на детекторах НПВ как на технологии обнаружения легковоспламеняющихся веществ является естественным из-за явной опасности взрывов, истории добычи полезных ископаемых и законов о входе в замкнутое пространство, которые конкретно требуют обнаружения НПВ.

Детекторы горючих газов LEL, несомненно, являются важной частью программы обнаружения газов, но благодаря лежащей в их основе технологии они более эффективны для измерения относительно высоких концентраций горючих газов. Упомянутые выше 100-процентные концентрации НПВ (минимальная концентрация горючего газа, обеспечивающая горение), упомянутые выше для CH4 и H2, соответствуют 50 000 ppm и 40 000 ppm соответственно. Типичные правила пожарной безопасности предусматривают использование газовой сигнализации при уровне 10 процентов НПВ и 20 процентов НПВ. Обычная технология в этих датчиках со 100-процентным НПВ представляет собой мостовую схему Уитстона с активным (с катализатором) пеллистором и пассивным (без катализатора) пеллистором, которые взаимодействуют с измеряемым горючим газом. На практике эта технология часто не очень надежна при уровне 5 процентов НПВ и ниже, несмотря на то, что ее часто используют в качестве единственной технологии обнаружения для измерений горючих газов. Хотя детекторы горючих газов LEL часто используются в промышленности, они не очень эффективны для измерения H2 ниже 2000 ppm и CH4 ниже 2500 ppm.

Рисунок 2: Типичный газовый шкаф для хранения баллонов и контроля подачи газа в технологические процессы.

Несмотря на то, что они используются реже, были разработаны и доступны на рынке высококачественные датчики горючих газов, оптимизированные для диапазона концентраций ppm. Такие датчики идеально подходят для сценариев обнаружения газа, где концентрации, которые необходимо измерить, значительно ниже нормального диапазона НПВ типичного детектора горючих газов. В некоторых из высококачественных датчиков этого типа используется так называемая полупроводниковая технология «горячей проволоки» в сочетании с технологией молекулярного сита, они даже должны иметь возможность целенаправленно измерять интересующий горючий газ. См. график кривой отклика (рис. 1) с использованием датчика H2 ppm, специфичного для водорода, ниже. Датчик не только реагирует при концентрации горючего газа ниже возможностей обычного датчика НПВ, смесь H2 и этанола (Et-OH) и изопропилового спирта (IPA) реагирует почти исключительно на H2, а не на другие вещества.

Чтобы проиллюстрировать эффективность этой технологии на практике, мы приведем конкретный пример газовых шкафов, в которых датчики горючих газов в ppm особенно эффективны. Распространенной ситуацией на заводах по производству полупроводников и газа, среди других промышленных объектов, является использование баллонов с легирующим газом с небольшим количеством одного вещества в высокой концентрации горючего газа; обычно более 90 процентов горючего газа. H2 обычно используется таким образом с меньшим количеством легирующего вещества, такого как фосфин (PH3). Имейте в виду, что PH3 очень токсичен и имеет ПДК 50 частей на миллиард. Эти газовые баллоны часто используются в газовом шкафу (см. Рисунок 2).

В Таблице 1 ниже мы перечисляем различные гипотетические концентрации, которые вы можете увидеть в таком баллоне с легирующим газом.

Таблица 1: Модельный сценарий для добавки фосфина PH3 в балансе водорода H2.

Даже при концентрации газа PH3 (примочной примеси) в 10 процентов бутылка содержит 90 процентов водорода. Это значительно превышает 100 процентов НПВ для водорода (четыре процента по объему). Если у вас произошел катастрофический отказ системы и газ свободно вытекал в окружающую среду или выхлопные газы, у вас могли быть взрывоопасные смеси, которые обычный датчик НПВ высокой концентрации уловил бы. Однако выбросы газа в газовых шкафах или других системах подачи газа редко бывают катастрофическими. Обычно это очень небольшие утечки, которые развиваются с течением времени. В нашем примере, в таблице I, мы представили реалистичную небольшую утечку, которая доставляет к детекторам только 250 ppm H2, и вычислили различные концентрации в окружающей среде образующегося при этом газа PH3 (легирующей примеси). Важно отметить, что типичный стандартный датчик 100-процентного НПВ вообще не обнаружит эту небольшую утечку. Кроме того, при очень часто используемых концентрациях примеси PH3 даже при таком сценарии утечки низкого уровня в окружающей среде образуются > уровни ЛПНП PH3. Верно также и то, что большие утечки почти всегда начинаются с маленьких. С точки зрения повышения коэффициента безопасности таких систем и, как мы надеемся, предотвращения катастрофических утечек, они явно имеют некоторые преимущества. Кроме того, в этом сценарии вы можете предупредить пользователей о токсичных опасностях, установив диапазоны обнаружения горючих газов в пределах значений TLV легирующего газа.