Funcionamento de detectores de gases, os processos industriais envolvem o uso e fabricação de substâncias altamente perigosas, especialmente produtos inflamáveis, tóxicos e oxidantes. Os gases fazem parte desses ambientes como participantes de reações, catalisadores ou produtos finais. Outras vezes são resíduos ou subprodutos indesejáveis. Escapes ocasionais de gás ocorrem, e criam um perigo potencial para a planta industrial, seus funcionários e pessoas que vivem nas proximidades. Incidentes e acidentes em todo o mundo, envolvendo asfixia, intoxicação, explosões e perdas de vidas é um lembrete constante desse problema.

Na maioria das indústrias, uma das peças-chave de qualquer plano de segurança para reduzir os riscos para o pessoal e instalações é o uso de dispositivos de alerta precoce, tais como detectores de gás. Isso pode ajudar a proporcionar mais tempo para se tomar uma ação corretiva ou de proteção. Eles também podem ser usados ​​como parte das medidas de controle que integram o sistema de segurança de uma planta industrial. Os sentidos do ser humano não são capazes de detectar muitos gases inodoros e perigosos como o monóxido de carbono ou o gás sulfídrico (em altas concentrações). Dessa forma, os detectores, têm um papel vital na segurança de instalações e prevenção dos riscos de acidentes.
Esse descritivo não tem como finalidade servir de manual de instruções ou mesmo a presunção de servir de base para a escolha de instrumentos de detecção de gases. O objetivo aqui é tratar de maneira concisa e simplificada os princípios de funcionamento dos sensores, suas características, vantagens e desvantagens dentro de cada ambiente de trabalho e, para que os profissionais da área tenham uma ideia básica das soluções que o mercado oferece. O que pode ser um instrumento perfeito para determinada aplicação pode não apresentar resultados satisfatórios para outras. O texto fornece explicação dos princípios de funcionamento físico-químicos envolvidos na detecção de gases. A instrumentação necessária para a proteção satisfatória de pessoal, instalações e meio ambiente será tratada em outra ocasião. Sugestões sempre serão bem-vindas, uma vez que a intenção aqui é apresentar uma base para uma maior discussão e difusão do assunto no meio técnico.
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Fundamental para compreensão do funcionamento dos detectores de gases é saber como funcionam os sensores com os quais este equipamento está equipado. Estes sensores são construidos com tecnologias diferentes que atendem as características necessárias de cada detector de gás em função do seu gás alvo.

Funcionamento de detectores de gases

O funcionamento de detectores de gases está intimamente relacionado ao tipo de tecnologia de construção de sensores.

 

Funcionamento de detectores de gases – Sensores

Muitas pessoas provavelmente já viram uma lâmpada de segurança de chama em algum momento ou sabem algo sobre a sua utilização como uma forma primitiva de detector de gás usada em minas de carvão subterrâneas e esgotos. Embora originalmente concebido como uma fonte de luz, o aparelho também pode ser usado para estimar o nível de gases combustíveis, com uma precisão de cerca de 25-50%, dependendo da experiência do usuário, formação, idade, percepção de cores, etc. Detectores modernos possuem precisão, confiabilidade e repetibilidade incomparáveis e estão a anos luz do antigo método de detecção utilizado pelos antigos mineradores.

No entanto, o dispositivo mais usado hoje, o detector de gás catalítico, é em alguns aspectos, o desenvolvimento moderno da primitiva lâmpada de chama de segurança, uma vez que também depende da combustão para o seu funcionamento e da conversão do gás em gás carbônico e água.

 

Funcionamento detectores de gases – Sensor catalítico

Quase todos os sensores de detecção modernos e de baixo custo para gás combustível são do tipo eletro-catalítico. Eles consistem de um elemento muito pequeno sensor muitas vezes chamado de “pérola”, um “pellistor ‘, ou’ Siegistor’, sendo os dois últimos nomes comerciais registrados para dispositivos comerciais. Eles são feitos de uma bobina de fio de platina aquecido eletricamente, coberto primeiro com uma base de cerâmica, tais como alumina e, em seguida, com um revestimento final exterior do catalisador de paládio ou ródio disperso em um substrato de tória.
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Funcionamento de detectores de gases, quando um gás combustível se combina ao ar sobre a superfície do elemento catalítico quente, ocorre à combustão e o calor desenvolvido aumenta a temperatura da “pérola”. Por sua vez, altera a resistência da bobina de platina que pode ser medida usando a bobina como um termômetro de temperatura em um circuito de ponte elétrica padrão. A alteração, ou diferencial de resistência normal quando o ar está limpo e isento de gás, até o instante em que houve a combustão resulta em um delta que está diretamente relacionado com a concentração do gás na atmosfera circundante. Esse sinal é tratado para que um dispositivo digital possa interpretá-lo, ou esse sinal é amplificado (bufferizado) para que um conversor A/D (analógico / digital) leia esse sinal, interprete-o e represente-o adequadamente ao usuário através de microprocessadores  displays.
Funcionamento de detectores de gases está relacionado as condições ambientais, para assegurar a estabilidade da temperatura em diferentes condições ambientais, os sensores (resistências variáveis) e os padrões (resistências padrões e fixas) são usadas aos pares e combinadas. Essas resistências ficam cobradas em circuitos eletrônicos conhecidos como pontes de Wheatstone elétrica, onde o sensor “sensível” (normalmente conhecido como sensor ‘s’) vai reagir a quaisquer gases combustíveis presentes, enquanto um equilíbrio, “inativos” ou “não sensíveis”(ns) do sensor não.
A melhoria no funcionamento estável pode ser obtido através da utilização de sensores resistentes a gases oxidantes e reativos. Estes têm uma maior resistência à degradação por substâncias tais como os silicones, enxofre e compostos de chumbo, que pode rapidamente desativar  outros tipos de sensores catalíticos.
Para atingir os requisitos necessários de segurança de concepção, este tipo de sensor catalítico deve ser montado em uma carcaça metálica resistente atrás de um para chamas(geralmente uma tela metálica). Isso permite que a mistura de gás de ar para difundir na habitação e para o elemento sensor de calor, mas vai impedir a propagação de qualquer chama para a atmosfera exterior. O para chamas reduz ligeiramente a velocidade de resposta do sensor, mas, na maioria dos casos, a energia elétrica vai dar uma leitura em questão de segundos após o gás ser detectado. No entanto, porque a curva de resposta é bastante achatada à medida que se aproxima do valor final, o tempo de resposta geralmente é especificada em termos de tempo para atingir 90 por cento do seu valor final e é por isso conhecido como o valor T90. valores de T90 para sensores catalíticos são tipicamente entre 20 e 30 segundos.

 

Funcionamento de detectores de gases – Sensor semicondutor

Detector de gás com sensores feitos de materiais semicondutores ganharam popularidade durante o final de 1980 uma vez que pareceu oferecer a possibilidade de um detector universal de gás, de baixo custo. Da mesma forma como sensores catalíticos, operam em virtude da absorção de gás na superfície de um óxido aquecida. Na verdade, este é um filme de óxido de metal fina (geralmente óxidos de metais de transição ou metais pesados, tais como estanho) depositado sobre uma fatia de silício, o mesmo processo muito utilizado na fabricação de “chips” de computador. A absorção da amostra de gás na superfície do óxido, seguido por oxidação catalítica, resulta em uma mudança da resistência elétrica do material óxido e pode ser relacionado com a concentração de gás da amostra. A superfície do sensor é aquecida a uma temperatura constante de cerca de 200-250 ° C, para acelerar a taxa de reação e reduzir os efeitos das mudanças de temperatura ambiente.

Sensores de semicondutor são simples, bastante robusto e podem ter excelente resposta a concentrações baixíssimas. Eles têm sido usados ​​com algum sucesso na detecção de gás sulfídrico, e eles também são amplamente utilizados na fabricação de baixo custo detectores de gás doméstico. No entanto, eles foram considerados pouco viáveis para aplicações industriais, já que são pouco seletivo para um determinado gás e eles podem ser afetados pela temperatura atmosférica e as variações de umidade. Esse tipo de sensor precisa de checagem e calibração com mais frequência do que outros tipos de sensores, e são conhecidos por “dormir” (sleep – isto é, perder a sensibilidade) quando ficam desligados. Quando desligados, esses sensores acumulam impurezas sobre sua pastilha semi condutora que contém o elemento detector de gás. O elemento sensor semicondutor, quando ligado, possuem um aquecedor (heater) responsável por ajudar a evaporar as impurezas que ficaram depositadas sobre a estrutura sensível ao gás. Esse tipo de sensor pode ser extremamente sensível e rápido na detecção de um determinado gás fazendo dele um excelente detector. De modo geral, a recuperação após a exposição ao gás é rápida, mas de difícil repetibilidade.

 

Funcionamento de detectores de gases – Sensor de condutividade térmica

É usado principalmente para a detecção de gases, com uma condutividade térmica muito maior do que o ar, por exemplo, metano e hidrogênio. Gases com condutividade térmica próxima do ar pode não ser detectado (amônia e monóxido de carbono p.e). Misturas de dois gases, na ausência de ar também pode ser medida usando esta técnica.
O elemento sensor aquecido é exposto à amostra e o elemento de referência é colocado em um compartimento selado. Se a condutividade térmica da amostra de gás é maior do que a referência, então a temperatura do elemento sensor diminui. Se a condutividade térmica do gás da amostra é menor do que a referência, em seguida, a temperatura da amostra aumenta no elemento. Estas mudanças de temperatura são proporcionais à concentração de gás presente no elemento da amostra que por sua vez produzem sinais elétricos proporcionais que são interpretados por instrumentação eletrônica.

 

Funcionamento de detectores de gases – Sensor infravermelho

Muitos gases combustíveis têm bandas de absorção na região do infravermelho do espectro eletromagnético da luz e do princípio da absorção no infravermelho tem sido utilizada como uma ferramenta de análise de laboratório por muitos anos. Desde a década de 1980, porém, os avanços eletrônicos e ópticos tornaram possível a concepção de equipamentos de energia suficientemente baixa e menor tamanho para tornar esta técnica disponível para detecção de gás em plantas industriais e instrumentos de análises.

Esses sensores possuem uma série de vantagens importantes sobre o tipo de catalítico. Eles incluem uma velocidade muito rápida de resposta (normalmente menos de 10 segundos), baixa manutenção e controle muito simplificado, utilizando o recurso de auto verificação de equipamentos de controle micro processado moderno. Eles também podem ser projetados para não serem afetados por nenhum “venenos” conhecido. Eles são à prova de falhas e eles vão operar com sucesso em atmosferas inertes, e sob uma ampla gama de ambientes de pressão, temperatura, interferência eletromagnética e umidade.
A técnica funciona com o princípio da absorção de dois comprimentos de onda infravermelho, onde a luz passa através da mistura da amostra em dois comprimentos de onda, um dos quais é definido no pico de absorção do gás a ser detectado, enquanto o outro não é. As duas fontes de luz pulsada, alternativamente e guiada por um caminho óptico comum a surgir através de ‘janela’ uma prova de chamas e, em seguida, através da amostra de gás. As feixes são posteriormente refletida de volta por um refletir, voltando mais uma vez através da amostra e dentro da unidade. Aqui, um detector compara a intensidade do sinal da amostra e feixes de referência e, por subtração, pode dar uma medida da concentração de gases.
Este tipo de detector só pode detectar moléculas de gás diatômico e, portanto, é inadequado para a detecção de hidrogênio.

 

Funcionamento de detectores de gases – Sensor eletroquímico

Detector de gás com sensores eletroquímicos pode ser usado para detectar a maioria dos comuns gases tóxicos incluindo CO, H2S, Cl2,SO2, etc. Os sensores eletroquímicos são compactos, exigem pouca energia, exibem excelente linearidade e repetibilidade e, geralmente, têm uma vida útil longa, tipicamente 1-3 anos. Os tempos de resposta, denominado T90, isto é o tempo para atingir 90% da resposta final, são tipicamente de 30-60 segundos e intervalo mínimo de detecção dos limites de 0,02 a 50 PPM, dependendo do tipo de gás alvo.
Os sensores eletroquímicos se baseiam em reações espontâneas de oxidação e redução, que envolvem um determinado gás para medição de sua concentração. Estas reações geram a circulação de uma corrente entre os eletrodos, a qual é proporcional a concentração do gás que se deseja mensurar.
As células eletroquímicas são construídas de forma similar a uma bateria, sendo a principal diferença a presença de uma membrana semipermeável de separação das fases líquida (eletrólito) e gasosa (amostra de ar a ser medida). Esta membrana permite a difusão das moléculas gasosas através do eletrólito, evitando ao mesmo tempo a evaporação do eletrólito. A figura 1 ilustra uma célula eletroquímica de medição de oxigênio.
Para potencializar a ionização do gás que se deseja mesurar no eletrólito os eletrodos dos sensores são construídos normalmente de metais como a Platina, o Ouro e a Prata em função de suas propriedades de catalíticas.
A membrana de separação entre a fase líquida e gasosa dos sensores é feita através de matérias porosos e hidrofóbicos. O material mais utilizado para este fim é PTFE (Poli Tetra Flúor Etileno).
 Dois tipos de sensores eletroquímicos são encontrados no mercado, sendo a principal diferença entre eles a utilização de materiais sólidos e gasosos a serem oxidados. Os sensores que utilizam materiais sólidos têm sempre como produto da reação outro material sólido, sendo que os sensores que utilizam materiais gasosos podem ter como produto da reação materiais líquidos ou gasosos. Exemplos dos dois tipos de sensores seriam o sensor de medição de Oxigênio que usa como material para oxidação o chumbo (Pb) e seu produto é o Oxido de Chumbo (PbO2) e o sensor de medição de Monóxido de Carbono (CO) que utiliza como material a ser oxidado, o próprio Monóxido de Carbono (CO) e têm como produto o gás carbônico (CO2). A figura 2 ilustra uma célula eletroquímica de medição de Monóxido de Carbono (CO).

Todos os sensores eletroquímicos possuem uma dependência na temperatura, pois a maior parte das reações eletroquímicas têm sua velocidade dependente da temperatura. Em função disto a maior parte dos sensores eletroquímicos possuem sensores de temperatura associados para promover a compensação.

 Para leitura dos sinais provenientes dos sensores basta a medição da corrente que circula através dos eletrodos. A resposta elétrica é linear com a concentração dos gases e a geração dos sinais é espontânea (comportamento similar a de uma bateria). Para os sensores de concentrações baixas é necessária a amplificação adequada do sinal, pois em alguns casos a geração de corrente pode ser muito baixa (próximo de 0,1 µA / PPM de gás).
 Os sensores eletroquímicos são os sensores mais usados no mundo para medições de concentrações gasosas, uma vez que se alterando o eletrólito, os eletrodos e o material a ser oxidado é possível a obtenção de sensores de medição de mais de 30 diferentes gases. A maior aplicação destes sensores está voltada para analise de combustão Industrial e emissões ambientais. A geração espontânea de corrente possibilita a confecção de analisadores de baixo consumo tornando os sensores viáveis no uso em medidores fixos e portáteis.

 

Funcionamento de detectores de gases , uma concentração mínima de oxigênio é necessária para o funcionamento correto de todas as células eletroquímicas, tornando-os impróprios para determinadas aplicações de monitoramento do processo ou atmosferas inertes. Embora o eletrólito contenha uma certa quantidade de oxigênio dissolvido, permitindo a detecção de curto prazo (minutos) do gás alvo em um ambiente livre de oxigênio é altamente recomendável que todos os fluxos de gás de calibração incorporar ar como o principal componente ou diluente.

A especificidade para o gás alvo é conseguida por meio de otimização da eletroquímica, ou seja, a escolha do catalisador e do eletrólito, ou então através da incorporação de filtros dentro da célula que fisicamente absorvem ou reagem quimicamente com certas moléculas de gases interferentes, a fim de aumentar a especificidade do gás alvo.
A vida do sensor eletroquímico é tipicamente garantida por dois anos, mas a vida real muitas vezes superior os valores citados. As exceções são a amônia, oxigênio e hidrogênio sensores de cianeto, onde os componentes da célula são necessariamente consumidos como parte do mecanismo da reação de sensoriamento.

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