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Because every life has a purpose…

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Tecnologie per la rilevazione dei gasTecnologie per la rilevazione dei gas

Forum di Prevenzione Incendi Milano, 1 e 2 Ottobre 2014

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MSAsafety.com© MSA 2014

Tecnologie di rilevazione dei gas

Gas e vapori combustibili: quando sono presenti nell’aria ambiente in particolari concentrazioni, in presenza di un innesco si incendiano generando una combustione che, se è non controllata, si propaga fino a quando nella nube di gas o vapore combustibile esiste un rapporto gas-aria adatto alla combustione.

La propagazione incontrollata della fiamma avviene in modo molto veloce, rilasciando una grande quantità di energia in un tempo breve. In questi casi viene generata un’onda d’urto in grado di produrre tutti gli effetti di un’esplosione.

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LEL e UEL – I limiti delle miscele aria gas

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LEL

Minima concentrazione nell’aria di gas o vapori combustibili, al di sotto della quale

non avviene la propagazione della fiamma.

UEL

Massima concentrazione nell’aria di gas o vapori combustibili, al di sopra della quale

non avviene la propagazione della fiamma.



LEL e UEL – I limiti delle miscele aria gas

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0 ÷ 100%

LEL



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100% LEL, il limite della sicurezza

I rivelatori di gas e vapori combustibili utilizzano la scala di misura 0÷100% LEL. Il valore superiore di

questa scala identifica il limite della sicurezza, in pratica il valore 0 della scala equivale allo 0% di

rischio ed il valore 100 al 100% del rischio di infiammabilità.

Il valore della concentrazione in volume corrispondente al 100% LEL varia da gas a gas. Alcuni

esempi: (Rif. EN 60079-20-1)

100% LEL Metano = 4,4% Vol.

100% LEL Propano = 1,7% Vol.

100% LEL Idrogeno = 4,0% Vol.



Vapori combustibili - la pressione di vapore:

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La pressione di vapore è espressa in bar, ad una data temperatura.

Le sostanze con punto di ebollizione > 350

oC hanno un valore trascurabile (quasi non vaporizzano)



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Il Flash Point - punto di infiammabilità

E’ il minimo valore di temperatura raggiunto il quale un determinato liquido infiammabile è in grado di generare sulla sua

superficie una quantità di vapore tale da creare una miscela infiammabile che, in presenza di un innesco, si incendia.

Classificazione dei liquidi in relazione al loro Flash Point:

• < 21

o C

• 21

o C e 55

o C

• > 55

o C e < 100

o C

• 100

o C

RISCHIORISCHIO



Gas tossici: quando sono presenti nell’aria ambiente, anche a basse concentrazioni, questi gas possono causare gravi danni alla salute delle persone. Gli effetti dei gas tossici sono: Soffocamento (Azoto, Metano, Butano, Idrogeno, …)

Effetti caustici (Ammoniaca, Fosgene, Biossido di Zolfo, …)

Effetti sul sangue e sul sistema nervoso (Monossido di Carbonio, Idrogeno solforato, Metil Bromide, …)

Nella rilevazione dei gas tossici nell’aria ambiente si utilizza l’unità di misura delle ppm (parti per milione):

1 ppm = 0,0001% Vol

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Gas tossici - valori di soglia di esposizione:

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•TLV Valore di soglia (Treshold Limit Value)

•TWA Valore medio calcolato per un’esposizione di 8

ore (Time Weighted Average)

•STEL Valore medio calcolato per un’esposizione di 15

min. (Short Term Exposure Level)

•C Valore di soglia istantaneo, che non deve

mai essere superato (Ceiling)

Alcuni esempi: (Rif. ACGIH 2013)

H2S: TLV TWA: 1ppm, TLV STEL: 5ppm

NH3: TLV TWA: 25ppm, TLV STEL: 35ppm

CO: TLV TWA: 25ppm, TLV STEL: //



Percentuale di ossigeno nell’aria L’Ossigeno è presente nella normale aria ambiente alla concentrazione di 20,8% Volume.

L’apporto di Ossigeno nell’aria ambiente comporta rischi sia per la salute, sia l’aumento del rischio di infiammabilità.

La deficienza di Ossigeno nell’aria ambiente costituisce un grave rischio per la salute. Nella tabella sono descritti gli effetti sulla persona:

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Sopra il 19,5% Necessario normalmente per la vita

14 - 19,5 %

Pericolo imminente, non entrare nella stanza o usare un dispositivo per la respirazione indipendente (autorespiratore)

12 - 14 %Respirazione profonda, aumento delle pulsazioni, difficoltà nella coordinazione.

10 - 12 %Respirazione veloce e superficiale, stordimento, difficoltà di ragionamento, labbra blu

8 - 10 % Nausea, vomito, perdita di coscienza, pallore6 minuti = 50% fatale, 8 minuti = 100% fatale

4%Coma in 40 secondi, spasmi, arresto della respirazione, morte

0% Perdita di coscienza, morte in 10 secondi.

EFFETTI DELLA DEFICIENZA DI OSSIGENO



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Olfatto, Vista, Udito.

Questi sono i tre sensi umani ai quali si possono ricondurre le principali

tecnologie utilizzate nella rilevazione dei gas.

Le più efficaci soluzioni nella rilevazione dei gas si ottengono combinando i

diversi «sensi».



L’olfatto: Sensori «puntiformi» rilevatori di gas.

Sono sensori che rilevano la presenza di gas nel punto in cui sono installati. Questi sensori devono perciò essere posizionati in prossimità dei potenziali punti di fuga del gas o nelle zone in cui il gas tende ad accumularsi.

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I sensori «puntiformi» di gas possono essere di tipo: A ossidazione catalitica, per la rilevazione di gas e vapori

combustibili nel campo 0÷100% LEL Elettrochimici, per la rilevazione di sostanze tossiche nel campo

delle ppm o per il monitoraggio della concentrazione di Ossigeno nell’aria in % Volume

A semiconduttore, per la rilevazione di sostanze tossiche nel campo delle ppm, in alternativa ai sensori elettrochimici

IR (a luce infrarossa), per la rilevazione di gas e vapori combustibili nel campo 0÷100% LEL, in alternativa ai sensori catalitici

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I sensori a ossidazione catalitica (catalitici)

Possono essere di tipo:

Passivo (senza elettronica incorporata), alimentati e e gestiti direttamente da un controllore che fornisce un’apposita alimentazione elettrica al sensore e ne gestisce il segnale di uscita, normalmente in mV.

Trasmettitore (con elettronica incorporata), alimentati di solito a 24Vcc, forniscono tipicamente un segnale di uscita 4÷20mA ed i segnali di allarme.

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Sensori CataliticiL‘elemento sensibile (Detector) è trattato con un catalizzatore in grado di „bruciare“ i gas e i vapori combustibili presenti nell‘aria, anche a basse concentrazioni.

Come ogni combustione, anche quella catalitica necessita della presenza di Ossigeno nel campione.

15Questa combustione provoca un innalzamento della temperatura della resistenza elettrica racchiusa nel Detector, quindi il valore di questa resistenza

varia in modo proporzionale al valore della concentrazione di gas, mentre il Compensator compensa le variazioni di temperatura nell’ambiente

rendendole ininfluenti.

L‘elettronica interpreta e gestisce il segnale del sensore visualizzando il valore della concentrazione del gas combustibile, generando il segnale di

uscita e, nel caso, attivando gli allarmi.



Sensori Elettrochimici Rilevano in modo selettivo (anche se non totalmente) diversi gas tossici presenti nell’aria ambiente, oppure controllano la concentrazione di Ossigeno presente nell’aria ambiente.

Il campione da monitorare attraversa la membrana porosa del sensore e penetra nella cella elettrochimica dove viene a contatto con un elettrolita ed un sistema di elettrodi e di contro-elettrodi.

Viene prodotta una reazione elettrochimica che genera un segnale elettrico proporzionale alla concentrazione del gas tossico o alla percentuale di Ossigeno presente nel campione. In base al segnale prodotto l’elettronica del rilevatore fornirà le letture in ppm (tossici) o in % Vol. (O2) e gestirà anche i segnali di uscita e gli allarmi, secondo il valore delle soglie impostate.

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Sensori Elettrochimici Sono costruiti per essere il più selettivi possibile, in modo da rilevare solo un particolare gas tossico di interesse.

Tuttavia i diversi sensori elettrochimici presentano normalmente delle interferenze ad altre sostanze. Questi sensori, perciò, possono produrre un segnale e, di conseguenza, una lettura sul rilevatore anche in presenza di sostanze diverse dal gas di interesse. Tali sostanze sono dette «interferenti».

Le sostanze interferenti più comuni sono indicate nei manuali dei vari sensori elettrochimici.

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Sensori a Semiconduttore

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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO:

I semiconduttori sono particolari materiali che non si possono definire né conduttori né isolanti. Dispongono di alcuni

elettroni liberi (per agitazione termica) molti in più di un normale isolante ma molti meno di un buon conduttore. Da qui il

nome di semiconduttori.

Il materiale semiconduttore tipicamente usato nei sensori è un ossido metallico (SnO2), riscaldato ad alta temperatura.

Il principio di funzionamento sfrutta la variazione della resistenza elettrica che avviene in un materiale semiconduttore

quando entra a contatto con un gas.

Il contatto sulla superficie del semiconduttore tra ossido metallico ed ossigeno (aria) impedisce agli elettroni la libera

conduzione creando una resistenza elettrica.

Il contatto sulla superficie del semiconduttore con gas diversi dall’aria aumenta la conduzione degli elettroni, creando cosi

una riduzione della resistenza elettrica. Questa variazione di resistenza viene convertita in un segnale elettrico dal sistema

elettronico dello strumento, che fornirà la misura e le segnalazioni di allarme.



Sensori a Semiconduttore

Anche questi sensori sono costruiti per essere il più selettivi possibile, in modo da rilevare solo un particolare gas tossico di interesse.

Tuttavia, come i sensori elettrochimici, anche loro presentano normalmente delle interferenze ad altre sostanze. Le sostanze interferenti più comuni sono indicate nei manuali dei sensori a semiconduttore.

L’assenza di un elettrolita liquido permette di utilizzare questi sensori in ambienti con elevate temperature, inoltre la loro capacità di sopportare esposizioni ad alte concentrazioni di gas senza danneggiarsi, permette di utilizzarli in applicazioni dove vi sia la possibilità di avere picchi di elevate concentrazioni del gas da rilevare (ben oltre il fondo scala).

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Sensori IR, a luce infrarossa, puntiformiSono sensori ottici che si basano sul principio fisico dell’assorbimento da parte dei gas e dei vapori combustibili di particolari frequenze della luce InfraRossa.

Sono sempre sensori/trasmettitori e possono avere o non avere il display incorporato.

Funzionando in base ad un principio ottico, non richiedono la presenza di Ossigeno nel campione da monitorare, inoltre risultano essere immuni ai tipici «avvelenanti» dei sensori catalitici e sono meno soggetti alle derive.

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Sensori IR puntiformi

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La luce IR emessa da una sorgente attraversa la cella di monitoraggio del sensore. Un filtro

separa le frequenze della luce IR, la tipica frequenza assorbita dal gas è inviata ad un

sensore ottico «analytical», mentre le altre sono inviate ad un sensore ottico «reference».

Quando nella cella è presente una concentrazione di gas combustibile, esso assorbirà solo

una tipica frequenza della luce IR. In questo caso l’energia IR ricevuta dal sensore

«analytical» diminuirà.

In base alla relazione dei segnali prodotti dai sensori «analytical» e «reference» l’elettronica

fornirà la lettura in % LEL sul display, il segnale di uscita corrispondente e, nel caso, attiverà

gli allarmi.



La vista: Sensori lineari di gas, a percorso aperto.

Sono sensori che rilevano la presenza di gas lungo un percorso aperto compreso tra un emettitore ed un ricevitore di luce IR. Questo percorso può avere una lunghezza anche maggiore di 100 metri, se una nube di gas attraverserà il percorso in un punto qualsiasi verrà rilevata da questo tipo di sensore di gas.

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I sensori lineari di gas

Sono normalmente impiegati per il monitoraggio del perimetro di aree soggette a fughe di gas combustibili o di gas tossici.

Utilizzano le unità di misura LEL/Metro per i gas combustibili e ppm/Metro per i gas tossici.

La filosofia di questi sensori è quella di valutare il rischio lungo il percorso monitorato, considerando sia il valore della concentrazione del gas, sia le dimensioni della nube di gas pericoloso, ad esempio:

5LEL/M = 500%LEL x 1M, oppure: 50%LEL x 10M, oppure: 5%LEL x 100M

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I sensori lineari di gas - esempi di applicazioni:

Ricevitore

Emettitore



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I sensori lineari di gas - esempi di applicazioni:

RicevitoreEmettitore



L’udito: Sensori ultrasonici di fughe di gas.

Questi sensori rilevano le fughe di gas da impianti in pressione per mezzo del suono a frequenza ultrasonica che viene prodotto nel punto della fuoriuscita del gas.

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Sensori ultrasonici di fughe di gas: Il loro principio di funzionamento, basato sulla rilevazione del suono prodotto dalla fuoriuscita di gas in pressione, non necessita che il gas venga fisicamente a contatto con il sensore. Questi sensori-trasmettitori sono perciò particolarmente adatti al monitoraggio all’aperto, di ampie aree, anche in zone normalmente ventose.

Un apposito software di gestione provvede a filtrare e valutare i rumori provenienti dal campo in modo da fornire interventi efficaci, eliminando i falsi allarmi.

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Sensori ultrasonici di fughe di gas - esempi di applicazioni:

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Sensori ultrasonici di fughe di gas - esempi di applicazioni:

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Il protocollo di comunicazione HART

(Highway Addressable Remote Transducer)

I sensori-trasmettitori di gas sono equipaggiati, come standard o come opzione, con un modulo per il protocollo di comunicazione HART (Rev. 7, codici a 16 bit).

Un comunicatore standard per HART, solitamente di tipo palmare, può essere collegato ad un’apposita porta installata sulla custodia del sensore, oppure alla linea del segnale di uscita 4÷20 mA, attraverso la quale i diversi dati del sensore sono trasmessi dal modulo HART.

Attraverso il protocollo HART si ha accesso ai dati di configurazione, di stato ed alla diagnostica, nonché alle procedure di taratura del sensore.

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