8
1
2011
Celem artykułu jest przedstawienie metodyki i zasadności
określania oraz wyznaczania strefy zagrożenia wybuchem
za pomocą eksplozymetrów. W związku z tym omówione
zostaną tylko te sytuacje, w których do wybuchu
może dojść na skutek występowania substancji
tworzącej mieszaniny wybuchowe z powietrzem.
Mierniki
eksplozymetryczne
Budowa, zasada działania i użytkowanie
tekst
mł. kpt. mgr inż.
Iwona Maj,
JRG II Katowice-Piotrowice
fot. A
TEST
-GAZ
fot. Shutt
erst
ock
9
1
2011
Mierniki eksplozymetryczne. Budowa, zasada dziaÙania i uČytkowanie
J
ednym z podstawowych zadań
strażaków przybyłych na miej-
sce działań ratowniczych jest
stwierdzenie, czy w danym
przypadku występuje ryzyko
wytworzenia się strefy zagrożenia
wybuchem i – w konsekwencji – wy-
stąpienia samego wybuchu. W tym
celu niezbędne jest ustalenie rodza-
ju czynnika niebezpiecznego (gazu,
par cieczy lub pyłu) i określenie, czy
materiał ten w mieszaninie z powie-
trzem tworzy układy wybuchowe.
Należy także pamiętać, że w spe-
cyficznych sytuacjach do wybu-
chu może dojść nawet wtedy, gdy
w zdarzeniu nie biorą udziału żadne
substancje niebezpieczne. Jako przy-
kład takiego zjawiska można podać
rozerwanie kotła z wodą podgrze-
wanego przez intensywny pożar.
By sprostać wymienionym wy-
maganiom, w pierwszej kolejności
należy określić, z jakimi najczęściej
występującymi gazami lub parami
cieczy można się spotkać podczas
działań ratowniczych. Do powszech-
nie występujących gazów należą:
gaz ziemny (czyli mieszanina ponad
90% metanu z etanem, propanem
i ewentualnie butanem), LPG (mie-
szanina propanu i butanu), acetylen,
amoniak oraz ostatnio coraz bardziej
znany biogaz (mieszanina metanu
ditlenku węgla i innych gazów, takich
jak siarkowodór). Charakterystykę
wybuchową wymienionych gazów
zebrano w tab. 1.
Popularne ciecze, których pary
mogą w mieszaninie z powietrzem
tworzyć mieszaniny wybuchowe,
to aceton oraz metanol. Charaktery-
stykę tych cieczy zebrano w tab. 2.
Mierniki eksplozymetryczne
Jak wynika z powyższych rozważań,
podczas pracy strażacy spotykają
się z różnorodnymi substancjami
zdolnymi do wytworzenia miesza-
nin wybuchowych z powietrzem.
Z kolei urządzeniem przeznaczonym
do stwierdzania obecności mie-
szaniny potencjalnie wybuchowej
na miejscu działań jest zazwyczaj
eksplozymetr skalibrowany na me-
tan. Pojawiają się zatem pytania, czy
za pomocą takiego urządzenia moż-
na prawidłowo rozpoznać istnieją-
ce zagrożenie oraz jak prawidłowo
korzystać z eksplozymetru.
Aby udzielić odpowiedzi, należy
poznać ogólną budowę, a co za tym
idzie zasadę działania miernika eks-
plozymetrycznego. W urządzeniach
mierzących stężenie gazów lub par
cieczy palnych stosuje się dwa pod-
stawowe typy sensorów – katalitycz-
ny i półprzewodnikowy.
Każdy miernik eksplozymetryczny
przewidziany jest do mierzenia stęże-
nia gazów palnych (wybuchowych)
lub par cieczy palnych (wybucho-
wych) w mieszaninie z powietrzem.
Zatem najważniejszym elementem
składowym urządzenia jest komora
pomiarowa (sensor). W sensorze kata-
litycznym znajdują się dwie elektrody
pomiarowe – jedna aktywna, czyli
wykrywcza, i druga pasywna – kom-
pensatorowa. Elektrody te połączone
są w układzie mostkowym.
Elektroda aktywna (pelistor ak-
tywny) to cienki drucik platynowy
zamknięty w kapsułce wykonanej
z tlenku glinu (Al
2
O
3
), której po-
wierzchnia pokryta jest katalizato-
rem, czyli substancją przyspieszającą
proces utleniania gazów palnych
(potocznie nazywany spalaniem).
Powłoka drugiej elektrody (pelisto-
Gaz
NR ONZ (UN)
DGW
w mieszaninie
z powietrzem
[%
vol.
]
GGW
w mieszaninie
z powietrzem
[%
vol.
]
Grupa
wybuchowości
metan
1971 (sprężony)
1972 (skroplony
schłodzony)
5
15
I, IIA
propan
acetylen (etin)
1001
1,5
82
IIC
amoniak
1005
15
28
IIA
wodór
1049 (sprężony)
1966 (ciekły silnie
schłodzony)
4
74,5
IIC
Tab. 1. Charakterystyka wybuchowa wybranych gazów
Ciecz
NR ONZ (UN)
DGW
w mieszaninie
z powietrzem
[%
vol.
]
GGW
w mieszaninie
z powietrzem
[%
vol.
]
Grupa
wybuchowości
aceton
1090
2,1
13
IIA
metanol
1230
5,5
44
IIA
hydrazyna
2029 hydrazyna
bezwodna
2030 wodzian
hydrazyny lub
roztwory wodne
o stężeniu
37-64%
3293 roztwory
wodne
o stężeniu
poniżej 37%
4,7
100
IIC
Tab. 2. Charakterystyka wybuchowa wybranych cieczy
10
1
2011
Mierniki eksplozymetryczne. Budowa, zasada dziaÙania i uČytkowanie
ra pasywnego) układu pokryta jest
substancją niereagującą z gazami
palnymi, w związku z czym pod-
czas pomiaru elektroda ta pozostaje
w stanie podstawowym. Jest ona
czynnikiem niwelującym wpływy
warunków zewnętrznych, w jakich
prowadzony jest pomiar (wilgotność,
ciśnienie itp.).
Włączenie urządzenia powoduje
przepływ prądu elektrycznego przez
opisany układ. Parametry tego prze-
pływu są stałe i ściśle określone. Po-
nadto powoduje on rozgrzanie się
obu elektrod do ściśle określonego
poziomu. W momencie pojawienia
się gazu palnego w komorze pomia-
rowej natychmiast rozpoczyna się
proces utleniania tego gazu na po-
wierzchni elektrody aktywnej. Pro-
ces ten powoduje dalsze rozgrzanie
elektrody, a wytwarzające się ciepło
skutkuje zmianą oporności elek-
trody aktywnej, co z kolei wpływa
na zmianę parametrów prądu pły-
nącego w układzie. Zmiana ta jest
sygnałem, który po wzmocnieniu
i analizie za pomocą mikrokompu-
tera daje wynik pomiaru. Zależność
pomiędzy stężeniem gazu palnego
a stopniem rozgrzania elektrody
aktywnej i tym samym zmianą jej
rezystancji (oporności elektrycznej)
jest wprost proporcjonalna.
Na podstawie procesu pomiaro-
wego wnioskuje się, że w przypadku
gdy do komory pomiarowej dostanie
się nie jeden gaz palny, ale ich mie-
szanina, to cała mieszanina utleni się
na powierzchni elektrody, generując
sygnał, którego wartość nie będzie
proporcjonalna do stężenia gazu,
na który skalibrowane jest urzą-
dzenie, ale będzie wartością sumy
stężeń gazów palnych znajdujących
się w miejscu pomiaru. Miernik kata-
lityczny nie jest bowiem miernikiem
selektywnym.
Drugim typem czujników stoso-
wanych w eksplozymetrach są sen-
sory półprzewodnikowe. Czujniki
te zbudowane są z warstwy aktywnej
wykonanej z tlenku półprzewodni-
kowego, zazwyczaj wzbogaconej
katalizatorem, w której umieszczone
są elektrody wykonane – podobnie
jak w czujnikach katalitycznych –
z platyny. Całość z kolei umieszczo-
na jest na podłożu wyposażonym
w grzejnik oporowy i termometr.
Ogólną budowę sensora półprze-
wodnikowego przedstawia rys. 1.
Jeżeli sensor znajduje się w stanie
podstawowym, to na powierzchni
warstwy półprzewodnika adsorbują
się jony tlenu z powietrza otaczają-
cego sensor. W momencie urucho-
mienia miernika w układzie płynie
prąd o ściśle określonych parame-
trach. Jeśli w powietrzu, które dostaje
się do czujnika podczas jego pracy,
znajdują się cząsteczki gazów reduk-
cyjnych (czyli utleniających się – np.
tlenek węgla, wodór, metan, propan
czy amoniak), to cząsteczki te reagu-
ją z jonami tlenu znajdującymi się
na powierzchni półprzewodnika. Po-
woduje to spadek rezystancji (spadek
oporu przepływu prądu) warstwy
sensorowej i generowanie sygnału,
który po wzmocnieniu i przetworze-
niu jest wynikiem pomiaru.
Gdy do pracującego układu wpro-
wadzone zostaną gazy będące utle-
niaczami dostarczającymi dodatko-
wą porcję tlenu do układu (np. ozon,
tlenki azotu), to ilość jonów tlenu
adsorbowanych na powierzchni
półprzewodnika zwiększa się. Tym
samym wzrasta opór przepływu
prądu w układzie, co może mieć
negatywny wpływ na jakość uzyski-
wanych wyników pomiaru.
Schematycznie pracę warstwy
powierzchniowej półprzewodnika
przedstawia rys. 2.
W praktyce efektem zademon-
strowanych zjawisk jest możliwość
stwierdzenia obecności propanu
bądź innego gazu palnego (wy-
buchowego) za pomocą miernika
skalibrowanego na metan. Niemniej
należy pamiętać, że w takim przypad-
ku stężenie określone w wyniku po-
miaru nie jest tożsame ze stężeniem
faktycznym. Dzieje się tak, ponieważ
moc sygnału powstającego na sku-
tek oddziaływania gazu palnego
z warstwą aktywną zarówno sensora
katalitycznego, jak i półprzewod-
nikowego jest różna w przypadku
działania jednego gazu oraz kilku
gazów lub gazów o innej budowie
cząsteczki.
Rozszczelnienie zbiornika z LPG
fot. I. M
aj
12
1
2011
Mierniki eksplozymetryczne. Budowa, zasada dziaÙania i uČytkowanie
Prowadząc pomiary za pomocą
eksplozymetrów, trzeba także pa-
miętać, że prawidłowa praca ich
sensorów jest zależna od stężenia
tlenu w miejscu prowadzenia po-
miarów. Znaczny spadek stężenia
tlenu powoduje zakłócenia w pra-
cy miernika. Ponadto w przypadku
mierników z sensorem katalitycznym
silne oddziaływanie zakłócające wy-
kazują: siarkowodór, związki ołowiu,
związki siarki, związki halogenowe,
a więc węglowodory zawierające
pochodne fl uoru, chloru, bromu
czy jodu.
Natomiast w miernikach z sen-
sorem półprzewodnikowym duży
wpływ zakłócający wywierają para
wodna, a także opary alkoholi,
spaliny, wodór i obecność węglo-
wodorów.
Osobnym problemem pojawia-
jącym się podczas prowadzenia
pomiarów na miejscu działań są wy-
sokie stężenia badanego gazu. Praca
urządzenia w warunkach, gdy stęże-
nie czynnika badanego przekracza
zakres pomiarowy urządzenia, nie
tylko świadczy o tym, że w miejscu
pomiaru sytuacja jest bardzo nie-
bezpieczna, ale też może prowadzić
do trwałego uszkodzenia sensora.
Podsumowanie
Należy stwierdzić, że podczas wy-
znaczania strefy zagrożenia wybu-
chem na miejscu działań ważne
jest nie tylko określenie, jaki czynnik
chemiczny stwarza zagrożenie, lecz
również świadomość, że wskazanie
miernika nie zawsze jest dokładnym
odzwierciedleniem stanu faktyczne-
go. Warto przypomnieć, iż większość
gazów jest cięższa od powietrza
i ma tendencję do ścielenia się i za-
legania w miejscach położonych jak
najniżej, czyli w rowach, studzienkach
kanalizacyjnych itp. Stąd podczas
prowadzenia pomiarów za pomocą
eksplozymetrów trzeba wykonać
również pomiary przy powierzchni
gruntu czy podłogi i we wszystkich
zagłębieniach na terenie działań. Po-
wszechnie występujące gazy lżejsze
od powietrza, a zatem wykazujące
tendencję do wznoszenia się, to: wo-
dór, metan, amoniak i acetylen.
Trudno w tym miejscu przedstawić
uniwersalne wytyczne co do wyzna-
czania strefy zagrożenia wybuchem.
Jednak można z całą mocą stwierdzić,
że w przypadku pracy z substancjami
zdolnymi do tworzenia mieszanin
wybuchowych należy zawsze bardzo
starannie monitorować strefę pracy
ratowników, a przy najmniejszych
wątpliwościach co do bezpieczeń-
stwa trzeba traktować ją jako zagro-
żoną wybuchem.
Na zakończenie warto udzielić
odpowiedzi na pytanie postawione
na początku artykułu. Choć dostęp-
ne obecnie na rynku eksplozyme-
try są coraz bardziej udoskonalane,
to nadal nie są to urządzenia tak spe-
cyfi czne jak np. rurki wskaźnikowe
i przy ich użytkowaniu nie wolno
o tym zapominać. Z drugiej strony
ta sama cecha sprawia, że za pomo-
cą eksplozymetru skalibrowanego
na metan możliwe jest określenie
zagrożenia stwarzanego przez inne
gazy palne. Nie jest to co prawda
wartość literalna, niemniej na tyle
istotna, że może być podstawą
przy określaniu warunków pracy
ratowników.
Warto dodać, iż prawidłowość
wskazań eksplozymetrów, tak ważna
podczas akcji, uzależniona jest nie
tylko od właściwego serwisowania
i konserwowania urządzenia, ale
także od świadomości ratownika
obsługującego miernik, to znaczy
od jego wiedzy co do zasady dzia-
łania urządzenia.
Rys. 2. Praca warstwy powierzchniowej półprzewodnika
Rys. 1. Budowa sensora półprzewodnikowego
Sensor
półprze-
wodnikowy
Warstwa tlenku metalu
Elektrody pomiarowe
~ 1-2 μm
~ 400 μm
~ 1-1,5 mm
Si
Si
Widok z boku
Widok z góry
Silikonowa
warstwa
nośna
Membrana
Elektrody
pomiarowe
Grzałka
Termometr
Warstwa izolująca
Warstwa półprzewodnika
tlenek metalu, np. ZnO
Membrana
1. Inicjacja
2. Stan stabilny
w czystym
powietrzu
3. Atak gazu
redukcyjnego
4. Stan stabilny
w atmosferze
gazu redukcyj-
nego
5. Regeneracja
Neutralne atomy tlenu
Jony tlenu O
–
Wolne elektrony
Jony/cząsteczki
gazu redukcyjnego