I GAS
IMPORTANZA SUL CONTROLLO E USO
DI SENSORI PER LA RILEVAZIONE
Il gas è un movimento accidentale e caotico di particelle che collidono tra loro e le “pareti” che le contengono. In effetti il vocabolo “GAS” deriva dalla parola “CAOS”, le particelle infatti si muovono molto velocemente e una piccola quantità di gas si espande in breve tempo in tutta l’area. Questa proprietà è tipica di gas che sono generati dall’evaporazione di liquidi infiammabili.
I gas si suddividono sostanzialmente in due categorie: quelli infiammabili e quelli tossici. Il pericolo più grave rappresentato dai primi è l’esplosione, che può avvenire in qualsiasi momento se sono presenti tre condizioni: una quantità sufficiente di gas, ossigeno (contenuto nell’aria, pertanto sempre presente), e l’innesco (una qualsiasi scintilla provocata da un contatto elettrico, un macchinario…).
È quindi importante per un rivelatore di gas segnalarne la presenza quando la quantità presente nell’ambiente è ben al di sotto della soglia minima d’esplosione (valore variabile secondo il tipo di gas).
Per i gas tossici invece il pericolo è determinato dai danni fisici che possono provocare se respirati in certe quantità (variabile secondo il tipo di gas) per un determinato periodo di tempo.
Il monossido di carbonio per esempio è estremamente tossico e pericoloso: essendo infatti incolore ed inodore non è percettibile dalle persone, ma causa gravi conseguenze anche in concentrazioni di assunzione ridotte. Una caratteristica dei gas che li rende estremamente pericolosi è proprio la mancanza di odore, Tutti i gas sono INODORE, almeno per quanto riguarda i gas impiegati per usi domestici, che sono prevalentemente il METANO (93% del consumo nazionale) e il GPL, (Gas di Petrolio Liquefatto ), per questo motivo vengono “odorizzati” al fine di segnalarne la presenza.
Tossimetria
I gas o vapori aggressivi provocano sul corpo umano importanti lesioni a carico dei diversi organi e apparati. A differenza dei gas o dei vapori esplosivi, per i gas tossici non è possibile individuare un valore di soglia al quale la miscela si rivela pericolosa, poiché in funzione dei tempi di inalazione compaiono manifestazioni di diversa gravità, queste le più frequenti: tosse, dispnea, edema polmonare, nausea, vomito, compromissione dello stato di coscienza, coma.
Esplosimetria
Tutti i gas o i vapori infiammabili possono essere fonte di esplosione se coesistono tre condizioni essenziali:
- Presenza di aria
- Presenza di miscela aria-gas in particolare concentrazione
- Presenza di una sorgente che possa infiammare la miscela
L’eliminazione di una delle tre condizioni preclude la possibilità di una esplosione.
Il ruolo del rivelatore di gas esplosivo (esplosimetro) è quello di rilevare una concentrazione di gas in modo precoce, molto prima che il gas raggiunga tale concentrazione (ovvero prima che raggiunga il livello L.I.E.), quindi prima che la miscela diventi pericolosa.
Il L.I.E. e il L.S.E sono dei dati strutturati e quindi specifici per ogni singolo gas. Di seguito vengono riportate due tabelle con un elenco dei principali gas o vapori esplosivi con i relativi livelli L.I.E. e L.S.E. per ogni gas. Insieme a questi valori viene fornita anche la densità relativa in riferimento all’aria, elemento estremamente importante per poter valutare l’esatto posizionamento del rivelatore.
| Terminologia tecnica | |
| Lie (Lel) | Limite inferiore d’esplosività (concentrazione di gas oltre la quale può verificarsi un’esplosione) |
| Lse | Limite superiore d’esplosività (concentrazione di gas oltre la quale non può verificarsi un’esplosione) |
| Ppm | Parti per milione (unità di misura per gas tossici) |
| Densità | Peso specifico del gas riferito al peso dell’aria (valore = 1) |
| Flash-Point | La minima temperatura in cui un gas emette dei vapori infiammabili |
|
Valori critici per alcuni gas esplosivi |
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|
Gas |
Lie (Lel) |
Lse |
Flash-Point |
Densità |
|
Ammoniaca |
15% |
28% |
Stato gassoso |
0,6 |
|
Alcol etilico |
3,5% |
15% |
12°C |
1,59 |
|
Butano |
1,5% |
8,5% |
Stato gassoso |
2,05 |
|
Idrogeno |
4% |
75% |
Stato gassoso |
0,07 |
|
Metano |
5,1% |
15% |
Stato gassoso |
0,55 |
|
Propano |
2,1% |
9,5% |
Stato gassoso |
1,56 |
|
Vapori di benzina |
1,4% |
7,4% |
4°C |
2,5 |
|
Gas di città |
4,5% |
30% |
Stato gassoso |
0,5 |
La tipologia dei Sensori per la Rivelazione Gas
Il mercato attuale offre vari metodi per la rivelazione di gas basati su diversi principi fisici e chimici. In dettaglio:
Sensori ad Infrarosso, Spettrometri, Gas Cromatografi Questi metodi sono i più precisi esistenti in commercio, consentono una rilevazione continuativa ma il loro costo estremamente rilevante ne giustifica l’uso solo per particolari applicazioni industriali specialistiche.- Tubi di Rilevazione Sono basati sul cambiamento di colore provocato dalla reazione chimica fra il gas ed il contenuto del tubo. È un metodo quantitativamente preciso ma presenta il grosso svantaggio di un solo utilizzo. Risulta quindi possibile una rilevazione per campionamento ma non per una rilevazione continuata.
Sensore Catalitico Rappresenta uno dei metodi più originali; basa il suo funzionamento sulla variazione di temperatura prodotta dalla combustione catalitica di un rivelatore a filo di platino. Necessita di amplificatori relativamente costosi e richiede una certa padronanza tecnica per un corretto utilizzo. È il tipo di rivelatore più usato nella grande maggioranza delle applicazioni perchè unisce ad un’elevata selettività e sensibilità, anche a bassissimi livelli di concentrazione, un costo relativamente contenuto.
Sensore a Semiconduttore I sensori a semiconduttore si basano sugli effetti della conduttività elettronica quando dei gas vengono assorbiti dalla superficie di un semi-conduttore.
Un semiconduttore sintetizzato, di tipo N composto in maggior parte da ossidi viene mantenuto ad una temperatura di circa 400° C da un elemento riscaldante. Se viene assorbito del gas si produce uno scambio elettronico ed una conseguente variazione nella resistenza dinamica del semiconduttore; quindi le variazioni della resistenza di un materiale semi-conduttore, che si riscontrano quando questo viene esposto a dei gas diversi dall’aria, verranno convertite in un segnale elettrico proporzionale alla concentrazione del gas.
La sonda utilizzata nel nostro progetto “sensore gas mod. SP11” è proprio un sensore a semiconduttore. Analizziamolo quindi in dettaglio.
esternamente si presenta come un cilindretto di materiale plastico
Il suo schema interno può essere rappresentato composto da vari elementi: una piccola piastrina di ceramica sulla quale si trovano un elemento sensibile ed uno riscaldante.
L’elemento sensibile è costituito da un sottile strato di piccolissimi granuli di biossido di stagno o di altri ossidi di elementi di transizione come zinco, tungsteno. L’elemento riscaldante è, invece, un normale resistore che serve esclusivamente per portare il sensore alla temperatura di funzionamento.
A temperatura ambiente l’elemento sensibile presenta una resistenza elevatissima a causa dell’alta resistività del materiale con cui è costruito. Per questo motivo affinché il sensore funzioni correttamente si deve alimentare la resistenza riscaldante. Nel momento in cui viene raggiunta la temperatura di esercizio, di circa 400°C, se nell’aria non sono presenti gas riducenti la resistenza dell’elemento sensibile si porta su valori di qualche KOhm. Se nell’ambiente viene introdotto un gas riducente alcune delle molecole di ossigeno reagiscono con il gas provocando una diminuzione della resistenza, l’elemento sensibile presenta quindi una resistenza inversamente proporzionale alla quantità di gas presente nell’ambiente anche se è influenzata dalla pressione atmosferica, dall’umidità e dalla temperatura.L’uscita della nostra sonda dà un valore in volt di 4.4 [V] in assenza di gas che poi diminuisce in funzione della concentrazione di gas secondo li seguenti grafici:
Quindi questa sonda ha una sensibilità di circa 0.09 % infatti la tensione scende da 4.4 [V] a circa 2 [V].
