Przenośny detektor wodoru (H₂)

Przenośne detektory wodoru wykorzystywane są w wielu branżach zapewniając ochronę osobistą, pomiary przed podjęciem pracy, wykrywanie wycieków czy bieżący monitoring gazów w powietrzu. Zależnie od zadania mobilne czujniki wodoru mają różną budowę i parametry, a także wykorzystują różne technologie pomiarowe. Ręczne mierniki wodoru dostępne są jako urządzenia wykrywające tylko wodór, albo jako urządzenia rozbudowane mogące mierzyć wodór i inne gazy jednocześnie.

Właściwości wodoru (H₂)

Wodór jest najlżejszym z gazów o gęstości 90g/m³ i ciężarze o współczynniku 0,07:1 w stosunku do powietrza co oznacza, że wznosi się z tendencją do kominowania. Wodór nie ma barwy, zapachu ani smaku i jest gazem palnym oraz wybuchowym wg normy PN-EN ISO/IEC 80079-20-1:2020-03. Dolna Granica Wybuchowości (DGW) to jedynie 4% objętościowo w powietrzu, a Górna Granica Wybuchowości (GGW) to aż 77% objętościowo w powietrzu (i nawet do 95% w czystym tlenie wg standardu FM 7-91). Zgodnie z dyrektywą ATEX wodór posiada klasę temperaturową T1 i należy do grupy IIC.

Pożar wodoru jest trudny do zobaczenia, ponieważ gaz ten pali się prawie niewidocznym jasnoniebieskim płomieniem. Niebezpieczną cechą wodoru jest jego niewielka cząsteczka, która potrafi przenikać przez uszczelnienia i wnikać w niektóre materiały. To powoduje, że wodór nie może być nawaniany jak np. gaz ziemny, ponieważ cząsteczki substancji nawaniającej nie przechodzą przez mikronieszczelności razem z wodorem. Jednocześnie wiele instalacji wodorowych nie może korzystać z dodatków zapachowych, gdyż powoduje to zanieczyszczenia (np. ogniw).

Wnikanie wodoru w strukturę metalu powoduje jego akumulację, wzrost ciśnienia wewnętrznego i w efekcie uszkodzenie. Zjawisko to nosi nazwę „kruchości wodorowej” i zostało opisane przez W.H. Johnsona w 1895 roku. Ciekły wodór (poniżej -240,18^oC) początkowo kieruje się ku podłożu, a następnie się unosi. Graniczne stężenie tlenu wg PN-EN 1839:2017-02, czyli minimalna ilość tlenu poniżej której nie następuje wybuch, wynosi ok. 4,6–5,0% v/v (z azotem) oraz 4,8–5,2% (z CO₂).

Wodór nie jest toksyczny, ale przy dużych rozszczelnieniach może dojść do wyparcia tlenu. W takich przypadkach rekomendowane są detektory wodoru oraz tlenu (np. EIGA DOC 246/23, EIGA DOC 215/18, NFPA 2).

Przenośny detektor wodoru – budowa

Typowe przenośne detektory wodoru najczęściej są zbudowane z elementów wykrywających gaz oraz elektroniki przetwarzającej sygnał na zwizualizowany pomiar dla użytkownika. Typowy mobilny czujnik wodoru to niewielkie urządzenie, mieszczące się w dłoni z wbudowanym wyświetlaczem, sygnalizacją akustyczną, optyczną i wibracyjną. Istotny jest czytelny i podświetlany wyświetlacz, aby użytkownik mógł odczytać wartości nawet przy słabym oświetleniu.

Właściwości wybuchowe wodoru powodują, że przenośne detektory wykorzystywane w strefach zagrożenia wybuchem powinny być wykonane zgodnie z wymogami dyrektywy ATEX. Urządzenie powinno posiadać dopuszczenie do użytkowania w grupie IIB + H₂ lub IIC.

Profesjonalne detektory wodoru posiadają konstrukcję o wysokim stopniu odporności – najczęściej IP67, a wloty umożliwiające dopływ gazu do sensora są zabezpieczone specjalną membraną przepuszczającą gaz, ale nieprzepuszczającą wody.

Modele wykorzystywane do pomiaru w przestrzeniach zamkniętych lub trudnodostępnych pomieszczeniach są wyposażane w pompkę zasysającą, umożliwiającą zdalny pomiar bez konieczności wejścia do zagrożonej strefy. Pompka powinna mieć mechanizm zapobiegający zaciągnięciu wody oraz łatwo wymienne filtry.

Do mocowania czujników wodoru najczęściej używa się metalowych klipsów zatrzaskowych, zaczepów odzieżowych lub ringów do smyczy i karabińczyków.

Najnowocześniejsze mierniki wodoru posiadają wymienne kartridże, dzięki którym można łatwo wymienić sensor, zmienić wykrywany gaz lub rozbudować urządzenie np. o dodatkowe czujniki lub pompkę zasysającą.

Przenośny miernik wodoru – technologie pomiarowe

Dostępne są głównie 4 technologie pomiarowe w przenośnych detektorach i wykrywaczach wodoru – każda ma inne zastosowanie.

W detektorach wodoru stosowanych do ochrony osobistej i bezpieczeństwa wykorzytuje się technologię katalityczną bazującą na zasadzie utleniania katalitycznego. Gaz trafiający na element pomiaroy jest spalany, a ciepło wytworzone w tym procesie zmienia przewodność elementu i sygnał. Sygnał ten jest zestawiany z drugim elementem (niereaktywnym), który eliminuje w ten sposób wpływ pozostałych czynników jak np.wilgoć czy temperatura samego sensora oraz otoczenia. Różnica sygnałów zostaje przekształcona na pomiar gazu.

Takie rozwiązanie powoduje eliminację większości zewnętrznych warunków zapeniwając stabilny pomiar o liniowej charakterystyce dzięki czemu możliwy jest pomiar gazu w całym zakresie.

Nowszym rozwiązaniem w miernikach wodoru jest technologia MPS^TM(ang. Molecular Property Spectrometr – spektrometr właściwości molekularnych), która bazuje na wykorzystaniu mikroukładu elektromechanicznego (MEMS ang. Micro Electro Mechanical System) i pomiaru właściwości termicznych gazu. Technologia ta charakteryzuje się nie tylko wysoką odpornością na warunki zewnętrze, ale także odpornością na zatrucia innymi substancjami oraz przekroczenia zakresu. To powoduje, że jest mniej narażona na "rozkalibrowywanie się" i może być używana w trudniejszych środowiskach. W najnowszych detektorach przenośnych i systemach umożliwia ona dodatkowo pomiar innych gazów oraz klasyfikację mierzonych substancji do 6 kategorii (inne technologie mogą wykrywać także inne substancje palne, ale nie mierzą ich poprawnie).

Więcej o technologii pomiarowej węglowodorów MPS znajduje się TUTAJ

Przenośne wykrywacze wodoru służące typowo do lokalizacji nieszczelności bazują z kolei na technologii półprzewodnikowej. Jest ona mniej odporna na warunki zewnętrzne i charakteryzuje się nieliniową charakterystyką przez co pomiar z jej użyciem jest raczej niemożliwy natomiast wystarczy to do lokalizowania wycieków, gdzie istotna jest informacja bliżej/dalej od wycieku, a nie kokretne wartości pomiarowe. Najczęsicej w wykrywaczj stosuje się orientacyjną sygnalizację didami LED zapalającymi się w miarę wzrostu stężenia gazu.

Przenośne detektory wodoru wykorzystują jeszcze jedną technologię – elektrochemiczną. Bazuje ona na reakcji chemicznej wodoru dostającego się wnętrza sensora z elektrolitem wypełniającym sensor. Emitowane w reakcji cząsteczki naładowane elektrycznie przekazują ładunek na elektrody zanurzone w elektrolicie umożliwiając jego pomiar. Rozwiązanie to daje wysoką dokładność, proporcjonalną charakterystykę sygnału i słabą reakcję na inne substancje niepożądane. Elektrochemiczna technologia wykrywania wodoru służy do pomiaru niewielkich stężeń np. podczas pomiarów w pomieszczeniach akumulatorów z rekombinacją (VRLA) czy litowo-jonowych (Li-Ion), które przy uszkodzeniu emitują wodór, a także do badania wycieków wodoru z instalacji lub urządzeń technologicznych.

Zakres pomiarowy przenośnych czujników wodoru

Istotny jest prawidłowy dobór przenośnych detektorów wodoru do zastosowania i tym samym prawidłowe określenie zakresu pomiarowego. Należy tu zaznaczyć, że urządzenia pomiarowe zawsze posiadają jakiś błąd. Im większy zakres pomiarowy tym większy będzie błąd. Przykładowo błąd 3% dla zakresu 0-100% DGW będzie wynosił 3% DGW co w przeliczeniu oznacza 1200ppm. Tym samym dokładne pomiary gdzie chcemy określać setki ppm nie będą możliwe przy użyciu mierników wodoru o dużym zakresie pomiarowym. W tym przypadku "więcej" wcale nie oznacza "lepiej". Przykładowo zalecany próg czułości wykrywaczy nieszczelności instalacji gazowych wg PN-M-34507 2002 wynosi 100ppm.

Tab. 1 Typowe zakresy pomiarowe czujników wodoru dla różnych zastosowań.

Zakres pomiarowy	Technologia pomiaru	Typowe zastosowania
0–100% DGW	MPS lub katalityczna	- działania ratownicze - ochrona osobista - pomiary zagrożenia wybuchowego - pomiary obecności wodoru w pomieszczeniach
0–40 000 ppm 0–1000 ppm	elektrochemiczna	- pomiary w pomieszczeniach akumulatorów VRLA / Li-Ion - badanie wycieków z instalacji wodorowych
~0–5000 ppm (próg czułości 100 ppm)	półprzewodnikowa	- lokalizacja wycieków wodoru w instalacjach technologicznych

Przenośne mierniki wodoru – alarmowanie

W przypadku pomiarów w zakresie działań ratowniczych czy ochrony osobistej istotną rolę w osobistych czujnikach wodoru odgrywa funkcja alarmowania.

Poziom alarmów najczęściej może być regulowany przez użytkownika i dostosowywany do bieżącego zadania. Warto tu zwrócić uwagę, że zgodnie z przepisami przeciwpożarowymi wykonywanie prac niebezpieczych pożarowo jest dozwolone gdy stężenie nie przekracza 10% DGW. W przypadku działań ratwoniczych gdzie gazy mogą być obecne próg alarmowy może być ustawiany wyżej aby był realnym wskaźnikiem zagrożenia, a nie elementem przeszkadzającym. Są już dostępne detektory wodoru umożliwiające włączenie jednym ruchem trybu SCBA z zaprogramowanymi ustawieniami dla tego typu akcji.

Alarmowanie odbywa się najczęściej dźwiękowo, świetlnie i wibracyjnie. To niestety ogranicza odbiór alarmu wyłącznie do osoby użytkującej miernik wodoru. Systemy zintegrowane bezpieczeństwa osób pracujących w pojedynkę umożliwiają komunikację i nadzór nad detektorami w trybie on-line z komunikacją głosową i lokalizacją.

Więcej o zintegrowanych systemach bezpieczeństwa osób pracujących w pojedynkę

Zastosowania osobistych czujników wodoru

Przenośne mierniki wodoru są dość powszechnie wykorzystywane w różnych branżach. Do typowych zastosowań należą:

• wodorowe obiekty technologiczne
• generatory, elektrolizery, instalacje wodorowe
• magazyny wodoru, punkty dystrybucji wodoru
• warsztaty i zakłady produkcyjne pojazdów wodorowych
• obiekty petrochemiczne
• akumulatorownie kwasowo-ołowiowe
• magazyny energii BESS (emisja wodoru przy awariach)
• zakłady chemiczne
• energetyka (chłodzenie wodorem)
• zakłady tłuszczowe (utwardzanie tłuszczów)
• zakłady metalurgiczne
• laboratoria

Rodzaje przenośnych detektorów wodoru: