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