Usando detectores de gás inflamável PPM para aumentar a segurança

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Figura 1: Resposta seletiva de ppm H2 na presença de gases de interferência.

Uma das tecnologias de detecção de gás inflamável mais usadas é o sensor LEL.

LEL, abreviação de "Limite Explosivo Inferior", é definido como a concentração mais baixa (por porcentagem) de um gás ou vapor no ar que pode propagar uma explosão. Por exemplo, metano (CH4) e hidrogênio (H2), dois dos gases industriais inflamáveis ​​mais comuns, exibem valores LEL de cinco por cento e quatro por cento em volume no ar, respectivamente. O foco nos detectores LEL como a tecnologia para inflamáveis ​​é natural devido ao claro perigo de explosões, histórico de mineração e as leis de entrada em espaços confinados que chamam especificamente a detecção de LEL.

Os detectores de gás inflamável LEL são claramente uma parte importante de um programa de detecção de gás, mas devido à sua tecnologia subjacente, eles são mais eficazes para medir concentrações relativamente altas de gás inflamável. As concentrações de 100 por cento LEL (a concentração mínima de um gás inflamável presente para suportar a combustão) mencionadas acima para CH4 e H2 correspondem a 50.000 ppm e 40.000 ppm, respectivamente. Os regulamentos típicos de incêndio exigem alarmes de gás em 10 por cento LEL e 20 por cento LEL. A tecnologia usual nesses sensores 100% LEL é um circuito de ponte de Wheatstone com um pelistor ativo (com catalisador) e um pelistor passivo (sem catalisador) que interagem com o gás inflamável que está sendo medido. Na prática, essa tecnologia geralmente não é muito confiável em cinco por cento LEL e abaixo, apesar de ser frequentemente implantada como a única tecnologia de detecção para medições de inflamáveis. Embora os detectores de gás inflamável LEL sejam frequentemente usados ​​na indústria, eles não são muito eficazes para medir H2 abaixo de 2.000 ppm e CH4 abaixo de 2.500 ppm.

Figura 2: Armário de gás típico para armazenar cilindros e controlar a entrega do gás aos processos.

Embora menos utilizados, sensores de gases inflamáveis ​​de alta qualidade otimizados para a faixa de concentração de ppm foram desenvolvidos e estão disponíveis no mercado. Esses sensores são ideais para cenários de detecção de gás em que as concentrações que devem ser medidas estão significativamente abaixo da faixa LEL normal de um típico detector de gás inflamável. Alguns dos sensores de alta qualidade deste tipo utilizam a chamada tecnologia de semicondutores de "fio quente" em combinação com a tecnologia de peneira molecular, eles ainda têm a capacidade de medir especificamente o gás inflamável de interesse. Veja o gráfico da curva de resposta (Figura 1) utilizando um sensor de H2 ppm específico para hidrogênio abaixo. O sensor não apenas responde a uma concentração de gás inflamável abaixo das capacidades de um sensor LEL normal, uma mistura de H2 e etanol (Et-OH) e álcool isopropílico (IPA) reage quase exclusivamente ao H2 e não às outras substâncias.

Para ilustrar a eficácia dessa tecnologia na prática, descrevemos um exemplo específico de gabinetes de gás onde os sensores de gás inflamável ppm são particularmente eficazes. Uma situação comum em fábricas de semicondutores e de gás, entre outros ambientes industriais, é a utilização de botijões de gás dopante com pequena quantidade de uma substância em alta concentração de gás inflamável; normalmente, mais de 90 por cento de gás inflamável. O H2 é comumente utilizado dessa forma com uma quantidade menor de uma substância dopante, como a fosfina (PH3). Tenha em mente que o PH3 é muito tóxico e tem um TLV de 50 ppb. Essas garrafas de gás são frequentemente usadas em um gabinete de gás (consulte a Figura 2).

Na Tabela 1 abaixo, listamos várias concentrações hipotéticas que você pode ver em tal garrafa de gás dopante.

Tabela 1: Cenário modelo para dopante fosfina PH3 em um balanço de hidrogênio H2.

Mesmo com concentrações de gás PH3 (dopante) de 10%, a garrafa contém 90% de hidrogênio. Isso está bem acima de 100 por cento LEL para hidrogênio (quatro por cento em volume) acima. Se você tivesse uma falha catastrófica do sistema e o gás estivesse fluindo livremente para as áreas ambientais ou exaustão, você poderia ter misturas explosivas que um sensor LEL normal de alta concentração detectaria. No entanto, as liberações de gás em gabinetes de gás ou outros sistemas de distribuição de gás raramente são catastróficas. Normalmente, são vazamentos muito pequenos que se desenvolvem com o tempo. Em nosso exemplo, na Tabela I, imaginamos um pequeno vazamento realista que fornece apenas 250 ppm de H2 aos detectores e calcula várias concentrações ambientais do gás PH3 (dopante) resultante. É importante ressaltar que um sensor LEL padrão de 100 por cento típico não detectará esse pequeno evento de vazamento. Além disso, em concentrações dopantes de PH3 muito frequentemente utilizadas, mesmo esse cenário de vazamento de baixo nível está produzindo > níveis de LDL de PH3 no ambiente. Também é verdade que grandes vazamentos quase sempre começam como pequenos vazamentos. Da perspectiva de aumentar o fator de segurança para tais sistemas e prevenir um vazamento catastrófico, há claramente algumas vantagens. Além disso, neste cenário, você pode alertar os usuários sobre perigos tóxicos definindo suas faixas de detecção de gás inflamável em torno dos valores TLV do gás dopante.