Analizzatori di gas elettrochimici, a infrarossi o laser: vantaggi, svantaggi e come scegliere

Per tutte le attività industriali è urgente disporre di sistemi di rilevamento gas accurati. Questi sistemi proteggono i lavoratori in ambienti pericolosi, contribuiscono al rispetto delle normative ambientali e promuovono l'ottimizzazione dei processi. Tuttavia, la scelta del dispositivo di rilevamento gas più adatto rappresenta spesso un problema complesso. Esistono infatti numerose tecnologie di rilevamento gas, e i dispositivi presentano terminologie e prestazioni diverse.

La mancata selezione del dispositivo di rilevamento gas corretto può avere conseguenze dannose. L'utilizzo di un dispositivo di rilevamento gas inadeguato può comportare rischi di lesioni, sanzioni finanziarie, errori di misurazione e spreco di risorse aziendali. Le conseguenze della scelta di un dispositivo di rilevamento gas errato possono essere di natura tecnica, finanziaria e strategica.

I dispositivi di rilevamento del gas laser, elettrochimici e a infrarossi si basano su principi e tecnologie differenti e svolgono funzioni diverse. Pertanto, è fondamentale comprendere i fattori che li distinguono. Il seguente articolo si propone di fornire un confronto accurato, tecniche di selezione e applicazioni che, ci auguriamo, possano aiutare i lettori a prendere decisioni appropriate.

Inoltre, ha numerose applicazioni e costi di selezione dei dispositivi di rilevamento del gas spesso trascurati, per far luce sul lettore sull'idoneità a lungo termine della scelta del dispositivo di rilevamento del gas ideale.

Il ruolo cruciale dell'analisi dei gas nell'industria

Per condurre operazioni industriali in modo sicuro ed efficiente, il monitoraggio dei gas è di fondamentale importanza. Negli ambienti con elevati requisiti di sicurezza, il monitoraggio dei gas viene utilizzato per rilevare gas pericolosi e/o infiammabili. Ciò è particolarmente rilevante nelle aree di contenimento e in caso di fughe di gas. Inoltre, grazie a un adeguato monitoraggio dei gas, le industrie interessate saranno in grado di rispettare le normative governative e delle autorità locali ed evitare danni ambientali.

Oltre al rispetto delle normative in materia di sicurezza e conformità, il monitoraggio e l'analisi dei gas industriali sono necessari per un efficace controllo dei processi.

Oltre alla sicurezza, alla conformità e alla regolamentazione, il monitoraggio e l'analisi dei gas industriali sono fondamentali per un efficace controllo dei processi. Il mantenimento della concentrazione ottimale dei gas industriali consente di massimizzare e stabilizzare la produzione, ridurre gli sprechi e aumentare l'efficienza. Il monitoraggio e l'analisi dei gas sono inoltre cruciali per garantire la qualità nell'industria, qualora la composizione dei gas nei sistemi monitorati influisca sulla qualità del prodotto finale.

Le tecnologie elettrochimiche, a infrarossi e laser rappresentano le tre tipologie più importanti di sistemi di monitoraggio e analisi dei gas. Ciascuna tecnologia è specificata per determinati gas, ambienti ed esigenze di precisione e si basa su principi analitici differenti.

1. Analizzatori elettrochimici di gas: principi, punti di forza e limiti

Come funzionano i sensori elettrochimici

Gli analizzatori di gas elettrochimici rilevano i gas attraverso reazioni chimiche che avvengono negli elettrodi all'interno di una cella sensore. Il gas, una volta penetrato nel sensore, reagisce con l'elettrodo di lavoro. Questa reazione libera o cattura elettroni, generando una carica elettrica che circola nel sistema. Tale carica permette di misurare la concentrazione del gas.

Questi tipi di sensori sono costituiti da un elettrodo di lavoro, un controelettrodo e un elettrodo di riferimento, tutti immersi in un elettrolita. Un gas di misura stabile e selettivo permea attraverso una membrana. Nel sensore, il gas elettrochimico subisce una transizione quando il monossido di carbonio viene ossidato e il sensore elettrochimico subisce una transizione quando l'ossigeno viene ridotto.

Applicazioni tipiche dei sensori elettrochimici

I rilevatori di gas di sicurezza personali utilizzano analizzatori elettrochimici a basse concentrazioni di gas. Sono alla base di sistemi di rilevamento di gas portatili e fissi e costituiscono barriere per il monitoraggio in ambienti confinati dell'ingresso di gas tossici. Il loro scopo è quello di controllare le emissioni. Il loro impiego è diffuso in ambienti medici e di laboratorio, dove la misurazione dei gas a bassi livelli è fondamentale.

Dettagli

I sensori elettrochimici sono sensori di gas ad alta sensibilità, particolarmente efficaci nel rilevamento di basse concentrazioni di gas. Permettono di rilevare ossigeno, monossido di carbonio e acido solfidrico con elevata selettività. Sono dispositivi alimentati a batteria, economici e a basso consumo energetico.

Innanzitutto, se si intende selezionare un sensore, è necessario definire il tipo e la concentrazione del gas, nonché le condizioni del campo.

Svantaggi

Tutti i sensori sono soggetti a invecchiamento a causa del graduale esaurimento dell'elettrolita, del degrado degli elettrodi e di altri fattori quali la sensibilità incrociata, la deriva e le mutevoli condizioni ambientali.

Sarà inoltre necessaria la calibrazione per mitigare la deriva e mantenere la precisione. I sensori presentano flessibilità intrinseca e limitazioni di velocità, poiché ciascuno è progettato per rilevare un singolo gas.

È utile valutare i dati di sensibilità incrociata forniti dal produttore, poiché esistono ambienti con più gas e quindi con valori di sensibilità incrociata diversi, il che può contribuire a ridurre le letture errate.

La nostra prospettiva finale

Considerati i limiti imposti dalle funzionalità multigas, dalla durata e dalla sensibilità incrociata (ad esempio, variabili ambientali rispetto alla deriva), gli analizzatori elettrochimici sono destinati all'uso in diverse applicazioni di sicurezza e monitoraggio grazie alla loro semplicità, al costo contenuto e all'efficacia.

2. Analizzatori di gas a infrarossi (IR): principi, punti di forza e limiti

Come funzionano i sensori NDIR

Analizzatori a infrarossi non dispersivi (NDIR) Misurare la concentrazione di specifici gas target sfruttando l'assorbimento della luce infrarossa (IR). I gas target, come l'anidride carbonica e altri idrocarburi, tendono ad assorbire la radiazione IR solo a determinate lunghezze d'onda. I sensori NDIR di base sono costituiti da una sorgente di luce infrarossa e da una cella di campionamento contenente il gas target.

All'interno del sensore, un filtro ottico seleziona la lunghezza d'onda corrispondente al gas target. Questa lunghezza d'onda viene quindi irradiata sotto forma di luce infrarossa (IR) verso un rivelatore. Un aumento della concentrazione del gas da misurare nel sensore comporterà un aumento dell'assorbimento della luce IR e una corrispondente diminuzione della quantità di luce IR che raggiunge il rivelatore. Questa diminuzione della quantità di luce IR, rispetto a un segnale di riferimento, può essere utilizzata per ricavare informazioni sulla concentrazione del gas nel sensore.

Applicazioni tipiche

La tecnologia dei sensori NDIR è altamente sviluppata per il monitoraggio della concentrazione di anidride carbonica nei sensori di gas per serre e impianti HVAC. I sensori NDIR sono altamente sviluppati per l'uso nel rilevamento di altri idrocarburi come propano e metano e possono quindi essere utilizzati per monitorare la concentrazione di gas esplosivi. Alcune altre applicazioni industriali includono il monitoraggio delle emissioni, il rilevamento di perdite di refrigerante e il controllo delle tecnologie.

Dettagli

Uno dei principali vantaggi della tecnologia NDIR è la sua lunga durata. Non dipendendo da componenti di consumo come gli elettroliti, in genere dura molto più a lungo dei sensori elettrochimici. Funziona inoltre bene in ambienti privi di ossigeno, aspetto importante per alcuni processi industriali.

I sensori NDIR offrono generalmente tempi di risposta più rapidi e sono resistenti agli agenti chimici, migliorando l'affidabilità in condizioni difficili. La loro stabilità e ripetibilità di misurazione li rendono una scelta affidabile per il monitoraggio continuo.

Svantaggi

I sensori NDIR tendono a misurare diversi gas contemporaneamente e non un singolo gas specifico. Poiché i gas assorbono gli infrarossi a lunghezze d'onda simili, tendono a interferire tra loro. Il prezzo tende ad essere più elevato rispetto ai tipici sensori elettrochimici.

Questi sensori presentano anche dei limiti nella misurazione di gas che non assorbono le radiazioni infrarosse, come ossigeno, idrogeno e azoto. Insieme al vapore acqueo, la presenza di gas che assorbono le radiazioni infrarosse fa sì che il vapore acqueo interferisca con la capacità di questi sensori di effettuare letture accurate. Ciò significa che la radiazione infrarossa e l'umidità richiedono che il vapore acqueo venga assorbito e mantenuto nella sua massima quantità.

È necessario considerare le condizioni ambientali che influenzano il funzionamento dei sensori NDIR, in particolare quelle estreme. Queste, a volte, limitano la capacità dei sensori di misurare i gas con precisione.

La nostra prospettiva finale

I sensori NDIR sono resistenti e tendono a durare più a lungo rispetto alla concorrenza, soprattutto per quanto riguarda i gas. Il prezzo di questi sensori è giustificato dalla loro robustezza e longevità. È importante considerare anche i limiti dei sensori di gas al momento dell'acquisto, per valutare se soddisfano appieno le esigenze del produttore.

3. Analizzatori di gas laser: principi, punti di forza e limiti

Come funziona il rilevamento basato sul laser

Analizzatori di gas laser impiegano alcune delle tecniche di misurazione ottica più avanzate. La più comune è la spettroscopia di assorbimento con laser a diodo sintonizzabile modificato (TDLAS). In tale configurazione, il laser a diodo produce un fascio di luce che viene poi sintonizzato e impostato sulla linea di assorbimento di un gas bersaglio. Questo fascio di luce attraversa quindi un campione di gas, e solo il gas bersaglio assorbe il fascio.

Il sistema è costituito da una sorgente laser sintonizzabile, un percorso ottico che può essere puntiforme o aperto e un rivelatore. L'analizzatore di gas è in grado di quantificare con elevata precisione la concentrazione di gas misurando la diminuzione dell'intensità luminosa nel percorso ottico in corrispondenza della linea di assorbimento del laser sintonizzabile.

Poiché il laser sintonizzabile è impostato su una linea spettrale estremamente stretta, gli altri gas presenti nel campione interferiranno minimamente, se non del tutto, con la misurazione.

Applicazioni tipiche

Gli analizzatori laser sono ampiamente utilizzati in applicazioni che richiedono elevata precisione e tempi di risposta rapidi. Tra queste figurano il monitoraggio perimetrale e il telerilevamento su vaste aree, l'analisi di gas in tracce a concentrazioni molto basse e il rilevamento di emissioni fuggitive nelle industrie petrolifera, del gas e chimica.

Vengono inoltre utilizzati in ambienti con gas ad elevata purezza, sistemi di ottimizzazione della combustione e monitoraggio ambientale, dove è richiesta la misurazione a lunga distanza.

3. Vantaggi

• Specificità molto elevata, che consente il rilevamento di un singolo gas bersaglio con interferenze minime.
• Tempi di risposta brevissimi, che consentono il monitoraggio e il controllo in tempo reale.
• Sensibilità elevatissima, che consente il rilevamento di gas a concentrazioni di ppm e persino ppb.
• Consentire il monitoraggio delle lunghe distanze in percorso aperto
• Molto stabile, con deriva del segnale molto bassa e segnali di base molto bassi.
• Numero di sottocomponenti molto basso, con conseguente bassa frequenza di manutenzione richiesta.

Svantaggi

• Più costosi degli analizzatori elettrochimici e a infrarossi
• Più difficile da installare, allineare e soprattutto calibrare
• I sistemi a percorso aperto possono essere influenzati da nebbia, pioggia, polvere e grandi ostacoli.
• I sistemi a percorso aperto, in generale, tendono ad essere progettati per rilevare un solo gas bersaglio di interesse

La nostra prospettiva finale

Gli analizzatori di gas laser offrono la capacità ineguagliabile di effettuare misurazioni accurate, rapide e mirate, risultando utili in numerose applicazioni e misurazioni industriali e ambientali. Tuttavia, a causa degli elevati costi e della complessità della tecnologia, la pratica dovrebbe essere il fattore guida.

Confronto: analizzatori di gas elettrochimici, a infrarossi e laser.

Come scegliere l'analizzatore di gas giusto?

1. Definisci i tuoi requisiti

• Quanti gas target è necessario misurare?
• Definire l'intervallo di concentrazione previsto (ppb, ppm o %)
• Considera l'ambiente circostante. Quanto è caldo o umido? Quanto è polveroso? Ci sono possibili interferenze?
• Per quale scopo utilizzerete il gas? Per rilevamento, controllo, processo, emissioni o sicurezza?
• Con che urgenza vi serve il sistema di rilevamento del gas? Si tratta di un sistema conforme alle normative OSHA?

2. Adattare la tecnologia alle esigenze

Utilizza i criteri di confronto per valutare quale tecnologia sia più adatta. Bilancia fattori chiave come precisione, specificità del gas, tempo di risposta, durata e costo.

Ad esempio, le tute elettrochimiche sono mirate al monitoraggio di sicurezza a basso livello, la tecnologia NDIR funziona bene per gli idrocarburi e la CO₂, mentre i sistemi laser sono ideali per il rilevamento ad alta precisione o a distanza.

3. Considerare il costo totale di proprietà

Il prezzo iniziale non è tutto. Bisogna considerare anche i costi di manutenzione, la sostituzione dei sensori e i tempi di inattività. Spesso, investire di più all'inizio si traduce in costi inferiori a lungo termine.

4. Garantire la conformità

Selezionate analizzatori che soddisfino gli standard di settore pertinenti e le normative locali in materia di sicurezza e monitoraggio ambientale. Ciò è essenziale per evitare sanzioni e garantire report affidabili.

5. Convalidare prima della distribuzione

• Non esitate a chiedere un piccolo aiuto al produttore.
• Si consiglia di testare l'analizzatore per accertarsi dell'accuratezza dei risultati.
• Non esitate a chiedere aiuto in merito a formazione, ammortamento delle vendite di magazzino e servizi non necessari.

6. Supporto decisionale strutturato

Uno strumento decisionale più preciso, efficace anche in contesti complessi, potrebbe essere un semplice strumento di supporto alle decisioni. Ad esempio, per la selezione del gas, una guida in formato checklist, personalizzata in base all'ambiente, al tipo di gas e al budget, potrebbe standardizzare le procedure interne al reparto e contribuire a eliminare gli errori di selezione.

7. Chiarire i malintesi più comuni

Bisogna presupporre che determinate circostanze debbano essere evitate, poiché una tecnologia potrebbe essere migliore sotto certi aspetti. Ogni tecnologia ha i suoi pro e contro a seconda del caso d'uso. Le decisioni di scelta razionale devono basarsi su prestazioni documentate, comprovate e quantificabili, anziché su preferenze individuali.

Conclusione:

La scelta tra analizzatori di gas elettrochimici, a infrarossi (NDIR) e laser dipende dai gas da analizzare, dalla sensibilità richiesta, dalle condizioni ambientali e dal costo totale di proprietà. I ​​sensori elettrochimici sono convenienti per il monitoraggio di singoli gas (ad esempio, O₂, CO, H₂S). Gli analizzatori a infrarossi offrono una maggiore durata e prestazioni affidabili per CO₂ e idrocarburi. Gli analizzatori laser garantiscono velocità, specificità e capacità di rilevamento a livello di tracce senza pari per applicazioni industriali e ambientali esigenti. Scegliete la tecnologia più adatta alle vostre esigenze reali, non solo in base al prezzo iniziale.