Термокаталитическая ячейка. 
Экологический мониторинг

Любое производство связано с потреблением энергии. Даже само производство энергии (например, электрической) требует затрат других видов энергии. Наиболее часто для этого используется тепловая энергия, образующаяся при сжигании различного вида топлива — газа, угля, продуктов нефтепереработки. В процессе транспортировки и потребления топлива в жидком или газообразном состоянии возможно возникновение утечек через неплотности и повреждения арматуры или трубопроводов. При определенных концентрациях газов и паров это может привести к возникновению опасных ситуаций. При утечках горючих веществ и газов возможны воспламенение и взрыв, что приведет к значительным повреждениям, к пожару и травмам персонала. При утечке токсичных веществ возникает угроза здоровью человека, весьма вероятны удушье и отравление, в том числе с летальным исходом. Для снижения риска возникновения подобных чрезвычайных ситуаций при работе с газами и парами веществ, помимо прочих мер, эффективным средством защиты являются системы газовой сигнализации — но только при условии их правильного размещения, настройки, эксплуатации, а также регулярного проведения технического обслуживания и проверки работоспособности.

На данный момент существует множество газоанализаторов с различными способами измерения концентрации газов и паров, но наибольшее распространение получили газоанализаторы с термокаталитическим принципом измерения (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Термокаталитический сенсор.

Термокаталитический принцип особенно эффективен при обнаружении горючих газов и паров. Термокаталитический сенсор имеет металлический или пластмассовый корпус. Через газопроницаемую мембрану горючий газ поступает на два миниатюрных керамических шарика (рис. 6.3). Внутри шариков (пеллисторов) находится платиновая спирать, нагреваемая протекающим током примерно до 450 °C. Один из шариков (активный пеллистор) имеет каталитическое покрытие, которое окисляет омывающий его газ, что приводит к повышению температуры пеллистора. Такое повышение можно измерить благодаря изменению сопротивления платиновой спирали внутри активного пеллистора. Эго сопротивление сравнивается с сопротивлением пассивного пеллистора. В диапазоне концентраций горючего газа от 0 до 100% нижнего предела взрываемости (1111 В) соотношение этих сопротивлений будет пропорционально концентрации газа.

Пары горючих жидкостей всегда тяжелее воздуха и скапливаются на уровне пола. Поэтому датчики на горючие газы и пары должны размещаться ближе к полу, но в доступном для обслуживания месте. Лишь три горючих газа значительно легче воздуха — метан, водород и аммиак. Они поднимаются вверх и скапливаются под потолком — поэтому датчики для обнаружения утечек этих газов монтируют в помещении как можно выше.

Рис. 6.3. Схема включения термокаталитического сенсора.

Условием взрываемости газа (например, природного) является его концентрация в пределах 5—15%, замкнутый объем и наличие искры или открытого огня (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Шкала пределов взрываемости.

Ряд газов и паров (например, H₂S, некоторые растворители и добавки в авиационное топливо) могут отравлять сенсор. Еще одной особенностью термокаталитических сенсоров является го, что для окисления горючего газа на пеллисторе необходим кислород воздуха. Поэтому если измерение происходит не в воздушной атмосфере, а, например, в атмосфере чистого азота, то показания газоанализатора будут существенно занижены. По этой же причине при калибровке термокаталитических сенсоров можно использовать только поверочные газовые смеси (ПГС) «горючий газ в воздухе». Поверочные газовые смеси «горючий газ в азоте» использовать нельзя.

При монтаже газоанализаторов с термокаталитическими сенсорами для контроля утечек горючих жидкостей лучшим компромиссным решением с точки зрения безопасности может являться размещение датчиков по правилу «5 5 5». Это правило было разработано немецкой компанией по производству лаков и красок BASF Lacke & Farben в результате практических испытаний, моделировавших разлив горючих жидкостей на складе растворителей.

Правило «5 5 5» для термокаталитических датчиков (при испытаниях применялись датчики фирмы Drager Safety AG) гласит:

• 1) радиус контролируемой зоны составляет 5 м;
• 2) сенсор устанавливается на расстоянии 5 см над поверхностью пола;
• 3) первый порог тревоги 5% НПВ, тревога не фиксируемая, т. е. не требующая квитирования.

Контролируемая площадь склада при радиусе зоны контроля 5 м составит 75 м². Второй порог тревоги можно установить на уровне 30—40% НПВ, тревога должна быть фиксируемой. Калибровка термокаталитических газоанализаторов выполняется на то вещество, к которому датчик обладает наименьшей чувствительностью. В большинстве случаев, например для контроля утечек бензина, керосина или растворителей, рекомендуется калибровка на н-нонан или толуол. Если состав хранящихся веществ полностью не определен, то возможна подменная калибровка пропаном или н-бутаном с коэффициентами пересчета 2,3 и 2,0 соответственно. Такую процедуру неправильно будет называть калибровкой — скорее это будет регулировка чувствительности, обеспечивающая требуемую безопасность.

Проверка работоспособности газосигнализаторов с термокаталитическими сенсорами осуществляется путем подачи ПГС «горючий газ — воздух». В случае если ПГС отсутствует, проверить работоспособность некоторых термокаталитических газосигнализаторов, например, СТГ, СГГ, СТМ («Аналитприбор», г. Смоленск) можно следующим способом. Ватный или тряпичный тампон размером в половину диаметра защитной крышки термокаталитического сенсора (выносного датчика) смочить 40%-ным раствором этилового спирта и поднести к внешней поверхности этой защитной крышки. Дождаться срабатывания аварийного сигнала датчика «Горючий газ». После этого немедленно убрать тампон от сенсора. Во время проверки не прикасаться тампоном к защитной крышке датчика или самому сенсору и избегать попадания спиртового раствора на них, так как это может привести к выходу сенсора из строя. Проверять исправность сенсора, применяя неразбавленный этиловый спирт, газовую зажигалку или газ из магистрального газопровода запрещается, так как это приведет к перегрузке сенсора, уменьшению ресурса его работы или даже выходу его из строя. Для измерения больших концентраций горючих газов применяют инфракрасные газоанализаторы (газоанализаторы с IR-сенсорами).