STATIONAIR GASDETECTIESYSTEEM BEWAAKT CONTINU PROCESVEILIGHEID
Vroegtijdige detectie spaart mens, installatie, proces, product en milieu
Sommige gassen en dampen kunnen een bedreiging vormen voor de installatie, het proces, het product, het personeel en het milieu. Nu industriële processen steeds complexer worden, en de procesinstallaties steeds ingewikkelder, worden (geautomatiseerde) detectie- en bewakingssystemen voor het monitoren van een ruimte op de aanwezigheid gevaarlijke gassen en dampen steeds geavanceerder. Daarbij bestaat de keuze tussen draagbare en stationaire gasdetectiesystemen. Dit artikel concentreert zich op laatstgenoemde categorie.
GASANALYSE EN GASDETECTIE
Zowel gasanalyse als -detectie betreffen de samenstellingsanalyse van een gas, maar de reden en de wijze waarop verschillen.
Bij een gas(cluster)analyse tracht men zo nauwkeurig mogelijk de samenstelling te achterhalen. Het is een kwalitatieve meting. Bij een gasdetectie is de meting kwantitatief, en wil men vaststellen of een gas aanwezig is in een potentieel gevaarlijke concentratie, en of dit een risico oplevert voor (de omgeving van) de mens, installatie en/of het product.
Een gasdetectiesysteem meet de aanwezigheid van de stoffen in de lucht door het meten van het volumepercentage (met name gebruikt bij het meten van zuurstof) door het meten van de Lower Explosion Limit (LEL) (alleen mogelijk bij brandbare gassen of dampen) of door het meten van het aantal parts per million (ppm) bij giftige gassen.
SENSOREN
Bij stationaire gasdetectie monitoren (smart)sensoren doorgaans op vaste punten de concentratie van een gas (singlegasdetectie) of van meerdere gassen (multigasdetectie). De meetresultaten gaan naar een gasdetectiecentrale die de resultaten bewerkt en analyseert. Vervolgens initieert de centrale geautomatiseerd maatregelen om eventuele gevaarlijke situaties het hoofd te bieden. De sensoren, de 'zintuigen' van het systeem, werken volgens een van meerdere mogelijke principes:
Elektrochemische sensoren
Elektrochemische sensoren helpen om op het ppm-niveau toxische gassen en dampen te detecteren. Op de sensor oxideren bepaalde gassen, resulterend in een spanningsverschil dat leidt tot een elektrisch signaal dat evenredig is met het concentratieniveau van het reagerende gas. De signaalsterkte is een maat voor de gasconcentratie. Het elektrolyt wordt gaandeweg opgebruikt; de gebruiksintensiteit bepaalt de levensduur.
Dit sensortype leent zich voor detectie van onder meer ammoniak, koolstofmonoxide en chloorgas.
Infraroodsensoren
Koolwaterstofverbindingen absorberen bij bepaalde golflengten veel infrarood (IR)-licht. De IR-bundel passeert het gas en wordt dan via een lens- en spiegelsysteem teruggeleid naar de IR-sensor. Het intensiteitsverschil tussen het uitgezonden en het opgevangen licht is een maat voor de hoeveelheid gas.
Een referentiestraal die wordt uitgezonden op een golflengte die ongevoelig is voor gasabsorptie corrigeert daarbij voor zaken als lenisvervuiling, mist, regen en rook. Dit sensortype is geschikt voor het detecteren van onder meer koolstofdioxide en van brandbare gassen als acetyleen, propaan en methaan.
Katalytische sensoren
Katalytische sensoren dienen voor het detecteren van brandbare, ontploffingsgevaarlijke gassen die een concentratie hebben die zich situeert onder de onderste explosiegrens (0‑100% LEL). De sensoren bevatten daartoe twee parels of zogeheten pellistors, een actieve en een referentiële. Beide worden elektrisch verwarmd tot enkele honderden graden Celsius. De actieve pellistor bevat een katalysator die in de aanwezigheid van zuurstof het te detecteren gas verbrandt, wat resulteert in een verandering van de elektrische weerstand. Het spanningsverschil tussen de actieve en passieve parel is evenredig is met de concentratie van de aanwezige gassen of dampen. Dat type sensoren is geschikt voor onder andere het detecteren van brandbare koolwaterstoffen als propaan, butaan en methaan.
PID-sensoren
PID-sensoren worden in vele gevallen gebruikt voor de detectie van toxische stoffen in ppm of zelfs ppb. De sensor bevat een uv-lamp die het te meten gas ioniseert, waarna de gevormde elektronen tussen de beide elektroden een elektrische stroom creëren die evenredig is met de gasconcentratie. Afhankelijk van de energie van de lamp en de hoeveelheid energie die nodig is om een stof te ioniseren ‒ het ionisatiepotentiaal verschilt per stof ‒ is deze al dan niet meetbaar. Dit type sensoren is geschikt voor het detecteren van onder meer vluchtige organische componenten (VOC).
Metaaloxidehalfgeleider (MOS)
Het meetprincipe van halfgeleidersensoren ‒ MOS staat voor Metal Oxide Semiconductor ‒ is gebaseerd op de verandering van elektrische geleiding nadat gassen zijn geabsorbeerd door het oppervlak van de halfgeleider, een dunne film van metaaloxide op een siliconensubstraat. Gedurende de gasopname en de daaropvolgende katalytische oxidatie verandert de weerstand van de oxidefilm gelijkmatig met de gasconcentratie. Het sensoroppervlak heeft een gereguleerde, constante temperatuur teneinde de reactiesnelheid te verhogen en omgevingsinvloeden te minimaliseren. De weerstandsverandering wordt omgezet in een elektrisch signaal. Dit type sensor is geschikt voor het detecteren van onder meer waterstofsulfide.
Paramagnetische sensoren
Paramagnetische sensoren worden gebruikt voor het detecteren van zuurstof (singlegasdetectie). Zuurstof is een paramagnetisch gas, wat betekent dat het sterker dan andere gasmoleculen wordt aangetrokken door een magnetisch veld. Dat helpt om de hoeveelheid zuurstof in uiteenlopende gassen vast te stellen. Doordat het magnetisme van zuurstof recht evenredig daalt met de temperatuur, veroorzaakt een zuurstofstroom een verandering in het temperatuurevenwicht tussen de sensoren. Het resulterende signaal is evenredig met de zuurstofconcentratie van het te meten gas.
Ultrasone of akoestische sensoren
Ultrasone sensoren maken het mogelijk hogedrukgaslekken te constateren ongeacht het soort gas, dit omdat ze geluiden kunnen detecteren met een frequentie hoger dan 20 kHz (het bereik van het menselijk oor ligt tussen de 20 Hz en de 20 kHz). Ze registreren direct het onmiskenbare geluidspatroon van een lek en laten op basis daarvan een alarm afgaan. De sensoren zijn breed inzetbaar en worden niet beïnvloed door luchtstroom en/of slechte weersomstandigheden, omdat een ultrasonore gasdetector reageert op de bron van de gaslekkage en niet op het gas zelf. Sponsachtige texturen en rubbers kunnen geluidsgolven echter absorberen en daardoor de meting beïnvloeden.
POSITIONERING
Niet alleen het type sensor is van belang, de positionering is medebepalend voor het detectieresultaat. Bij gassen die lichter zijn dan lucht ‒ bijvoorbeeld methaan en ammoniak ‒ dienen sensoren hoog te worden geplaatst, terwijl bij gassen die zwaarder zijn dan lucht ‒ bijvoorbeeld butaan en zwaveldioxide ‒ juist het tegenovergestelde het geval is. De verwerkingsomstandigheden spelen daarbij een belangrijke rol. Zo zijn butaan en ammoniak normaal gesproken zwaarder dan lucht, maar als ze onder druk vrijkomen of vrijkomen tijdens een proces met hoge temperaturen, dan kan het heel goed zijn dat datzelfde gas stijgt in plaats van zakt. In open installaties moet er rekening worden gehouden met de meest voorkomende windrichting ‒ daarbij in acht nemend dat de wind ook weleens uit een andere hoek kan waaien ‒ terwijl in binnenruimten ventilatoren de luchtstroom en daarmee het detectieresultaat kunnen beïnvloeden. Verder is het zaak er bij de installatie voor te zorgen dat de sensoren te allen tijde bereikbaar zijn voor kalibratie.
GRENSWAARDE EN NORMERING
De grenswaarde is de maximaal toegestane concentratie van een gas, damp, deeltje, aerosol of vezel in de ademhalingszone van een werknemer. Grenswaarden zijn doorgaans tijdgewogen gemiddelden over 8 uur, doorgaans aangeduid met 'TGG-8u'. In een aantal gevallen (piekblootstellingen) is dat 15 minuten, om hoge blootstellingsniveaus in korte tijd te voorkomen.
In Nederland is de wetgeving rond de grenswaarden vastgelegd in het Arbobesluit artikel 4.3 van het Arbeidsomstandighedenbesluit. De beschikbare publieke grenswaarden zijn opgenomen in de bijlage bij Arbobesluit artikel 4.19 van de Arboregeling.
In België geldt het KB van 11 maart 2002 betreffende de bescherming van de gezondheid en de veiligheid van de werknemers tegen de risico's van chemische agentia op het werk.
De lijst van grenswaarden voor beroepsmatige blootstelling aan chemische agentia is opgenomen in Bijlage VI.I-1.A van de codex over het welzijn op het werk. De ATEX-regelgeving maakt onderscheid tussen de fabrikant en de werkgever. Het 'Warenwetbesluit explosieveilig materieel' verplicht de fabrikant apparaten en beveiligingssystemen voor gebruik in explosiegevaarlijke omgevingen explosieveilig te ontwerpen en te assembleren op grond van de ATEX 114 Richtlijn. De werkgever is krachtens het Arbobesluit verplicht de explosierisico's te beoordelen op grond van de ATEX 153-Richtlijn (1999/92/EG).
BIJKOMENDE INDELING TABEL
A: het betreffende agens geeft een op zich onschadelijk gas of damp vrij dat/die echter wel het zuurstofgehalte in de lucht verlaagt (wat verstikking kan veroorzaken).
C: het betreffende agens valt onder het toepassingsgebied van het Koninklijk Besluit van 2 december 1993 betreffende de bescherming van de werknemers tegen de risico's van blootstelling aan kankerverwekkende en mutagene agentia op het werk.
D: opname van het agens via huid, slijmvliezen of ogen vormt een belangrijk deel van de totale blootstelling. Een dergelijke opname kan het gevolg zijn van zowel direct contact als de aanwezigheid in de lucht.
M: bij blootstelling boven de grenswaarde treedt irritatie op, of bestaat gevaar voor acute vergiftiging. Het werkproces dient zo te zijn ingericht dat de blootstelling de grenswaarde nooit overschrijdt.
GEGEVENSVERWERKING
De sensor bevindt zich normaal gesproken in een transmitter die met verschillende opties kan worden uitgerust. De meest eenvoudige en nog frequent toegepaste versie bevat een uitgangssignaal van 4 - 20 mA, waardoor die zich makkelijk laat aansluiten op standaardtypen regeleenheden. Nog altijd veel gebruikt in dat verband is de modbus-uitgang. Een modbus-netwerk omvat 1 master en maximaal 247 slave units, elk met een uniek adres. De master geeft een opdracht, de slave voert die uit en stuurt een antwoord terug. Daarbij wordt in principe rechtstreeks gelezen uit en/of geschreven naar I/O-registers of configuratieregisters van een slave. Alternatieve mogelijkheden zijn netwerkprotocollen zoals HART, ProfiNET en Ethernet/IP. In alle vier de genoemde gevallen behoort draadloze overdracht eveneens tot de mogelijkheden.
Is er een keer sprake van een overschrijding van een vooraf overeengekomen drempelwaarde, dan krijgen de personen in de ruimte dit te horen en/of zien via respectievelijk akoestische of visuele signaalgevers. Door (de) transmitter(s) te verbinden met een controller kunnen verschillende vervolgacties worden geprogrammeerd als een volautomatische reactie op de heersende situatie, variërend van het activeren van (extra) ventilatie tot en met het stilleggen van het proces.
Indien één of meerdere sensoren zonder uitlezing in een besloten ruimten zijn geplaatst, kunnen die worden aangesloten op een centraal controlesysteem. Dat centrale systeem maakt het mogelijk om de sensoren op een goed bereikbare plaats in te stellen en te bedienen. Zo laten de sensoren zich te allen tijde goed uitlezen, ook als ze zich op moeilijk bereikbare posities bevinden. De gasdetectiecentrales zelf dienen altijd in een veilige omgeving te worden geplaatst.
EXPERTISE
Het werken met een gasdetectiesysteem vergt de nodige expertise, evenals de analyse en de interpretatie van de meetresultaten. Een eventuele alarmsituatie vraagt om een kritische houding, want bepaalde stoffen kunnen aanleiding geven tot een vals alarm. Zo kunnen sommige sensoren buiten werking gesteld worden doordat ze 'vergiftigd' raken met bijvoorbeeld siliconen en/of lood, of doordat een te hoge of te lage concentratie van een bepaalde verbinding aanwezig is. Uiteraard zijn daarnaast een periodieke kalibratie en onderhoud van belang, en ook dat vergt de nodige expertise.
KALIBRATIE
Bij een kalibratie worden de meetwaarden van het instrument vergeleken met de nationaal of internationaal overeengekomen standaarden, daarbij rekening houdend met de gewenste nauwkeurigheid bij de toepassing. Tijdens een bumptest - een functietest met gas - wordt vastgesteld of de afwijking van het meetinstrument toelaatbaar is. Vallen de meetwaarden op dat moment binnen de specificaties, dan kan worden aangenomen dat dit ook in de voorafgaande periode het geval is geweest. Is de afwijkingen echter groter dan de specificaties toestaan, dan dient opnieuw een kalibratie/ijking plaats te vinden.
Een kalibratie is een momentopname, en de gebruiker bepaalt de frequentie waarmee wordt gekalibreerd onder meer op grond van de processen die zich ter plaatse afspelen, en op grond van de wijze waarop het detectiesysteem onderdeel uitmaakt van het veiligheidssysteem. De kalibratie gebeurt doorgaans aan de hand van de door de fabrikant opgestelde procedures en richtlijnen, en met gebruik van gecertificeerd kalibratiegas. Praktijkrichtlijnen zoals EN 60079-29-2 beschrijven de wettelijke vereisten voor de kalibratie van melders van brandbare gassen (% LEL) en adviseren over de kalibratie van melders van toxische gassen (een wettelijke kalibratievereiste is 'onder constructie').
ONDERHOUD
Voor het goed functioneren van een gasdetectiesysteem is een tijdig en gedegen onderhoud essentieel. Te denken valt daarbij aan de visuele controle van sensor- en monitoraansluitingen, een functionele controle van de sensoren en transmitters, het reinigen van de sensoren en de controle van de alarminstellingen en de eventuele bedrading.
Bij de aanschaf van een bepaald gasdetectiesysteem is de onderhoudsintensiteit medebepalend bij de te maken keuze.
Bepaalde gassen en dampen kunnen worden gedetecteerd met meerdere sensortechnologieën. Zo kunnen koolwaterstofgassen langs katalytische weg worden gedetecteerd (met pellistors), maar bijvoorbeeld ook met een niet-dispersieve infraroodsensor (NDIR). Pellistors zijn relatief foutgevoelig en vergen derhalve meer onderhoud. NDIR-systemen zijn weliswaar duurder in de aanschaf, maar daar staat weer tegenover dat doorgaans minder (routine)onderhoud nodig is. PID-sensoren hebben weliswaar een lange(re) levensduur, maar zijn onderhoudsintensief.
Tot slot is het vanzelfsprekend ook van belang of het onderhoud in eigen beheer kan worden uitgevoerd of dient te worden uitbesteed; voor dat kostenplaatje heeft de financieel verantwoordelijke doorgaans weer gevoelige sensoren.
Met dank aan: Dräger Nederland B.V., Hitma Groep B.V., Honeywell Analytics en MSA
