Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Infračervené detektory plynu & Polytron IR: (r)evoluce pokračuje

Automa 4/2000

Frank Dallmeyer,
Drägerwerk AG, Lübeck (SRN)

Infračervené detektory plynu & Polytron IR: (r)evoluce pokračuje

Princip činnosti infračervených detektorů plynu
Jako primární opatření k rozpoznání nebezpečí výbuchu nebo požáru způsobeného hořlavými plyny se osvědčilo soustavné monitorování vzduchu ve sledovaném prostoru plynovými snímači.

V závislosti na podmínkách aplikace se uplatňují nejrozmanitěji koncipované detektory. Zvláště dynamický vývoj bylo možné pozorovat u infračervených optických snímačů plynu.

Molekuly plynu mohou být elektromagnetickým zářením vybuzeny, takže se rozkmitají určitou charakteristickou frekvencí. Přitom pohlcují energii dopadajícího záření a mění se spektrální rozložení energie záření. U hořlavých organických plynů je tento jev nejvýraznější na vlnových délkách 3,3 až 3,4 µm. Tyto vlnové délky patří do infračervené části spektra a pro lidské oko jsou neviditelné.

Obr. 1.

Zcela jednoduše koncipovaný snímač by mohl mít tuto konstrukci: světlo ze zdroje prochází měřeným prostředím a dopadá na senzor. Vyskytuje-li se v prostředí měřený plyn, intenzita dopadajícího světla se zmenší. Takový snímač by však umožňoval získávat jednoznačnou představu o koncentraci plynu pouze tehdy, pokud by okolní prostředí bylo dokonale stabilní. Každá změna intenzity záření, např. v důsledku vlhkosti, prachu atd., by byla signalizována jako změna koncentrace plynu.

Obvyklá metoda, jak tomu zabránit, je paralelní měření intenzity dopadajícího záření při dvou vlnových délkách. Druhá vlnová délka se volí tak, aby záření o této vlnové délce nebylo vlivem měřeného plynu absorbováno.

Měření na této vlnové délce vytváří referenční signál, se kterým může být signál získaný na první vlnové délce porovnáván. Podíl obou signálů je měřítkem pro skutečnou koncentraci plynu. Schéma konstrukce je na obr. 1.

Senzor bez mechanických částí
Snímač může být osazen např. pyroelektrickými detektory, které reagují na impulsní signál. Zdroje impulsního signálu mohou být buď mechanické, např. zařízení označované jako chopp wheel (v podstatě je to kotouč s vysekanými štěrbinami), nebo elektrické, využívající elektronické modulace. Vyloučení veškerých mechanických součástí přináší mnoho výhod, neboť se zvyšuje odolnost snímače a požadavky na údržbu se omezují jen na pravidelnou kalibraci.

Použití elektroniky je výhodné také proto, že mohou být korigovány další parametry, jako např. teplota okolí a nelinearita signálu detektoru při generování výstupního signálu.

Tato koncepce byla realizována u konstrukční řady vysílačů Polytron IR EX, které si díky ní vydobyly vynikající pověst na trhu.

Další zvýšení výkonnosti infračervených optických plynových snímačů je umožňováno přímou kompenzací teplotních vlivů a časového driftu.

Použití druhého světelného zdroje
Ke kompenzaci teplotních vlivů a driftu je třeba tzv. dvojitá kompenzace. Té lze dosáhnout použitím dalšího signálu, který vzniká, jestliže je kromě prvního světelného zdroje použit ještě druhý světelný zdroj.

Jsou-li oba světelné zdroje seřízeny tak, aby své záření vysílaly na dvou odlišných frekvencích a kyvetou procházelo světlo jen z jednoho zdroje, resp. jedné frekvence, oba detektory snímají z druhého světelného zdroje druhý referenční signál, který není ovlivňován koncentrací plynu.

Tento interní signál se používá jako měřítko pro relativní citlivost příslušného detektoru za právě se vyskytujících podmínek okolního prostředí (např. teploty).

Obr. 2.

Elektronika vysílače vytváří pro každý z obou detektorů také signál generovaný z podílu signálu při měřicí, resp. referenční frekvenci.

Stejně jako u dříve popsané koncepce se nakonec vytváří podíl výstupních signálů obou detektorů. Výstupní signál vysílače je proto dvakrát kompenzován. Technická nezbytnost pravidelné kalibrace odpadá.

Ve skutečnosti je generování signálu vysílače ovlivňováno ještě dalšími parametry. To platí např. pro vyrovnání nelinearit absorpčního chování různých uhlovodíků, aby zůstal zachován lineární výstupní signál.

Ve zmíněné konstrukci mohly být poprvé realizovány i další inovace, např. koncentrátor. To je „trychtýř“ s vysoce reflexním povlakem, který upravuje záření za kyvetou.

Přináší to mnoho výhod:

  • Optika je mnohem méně náročná na přesnost polohování jednotlivých dílů vůči sobě.
  • Asymetrické znečištění kyvety ve směru paprsku nezpůsobí žádné nevypočitatelné absorpční efekty.
  • Vstupní a výstupní plochy do pouzdra a z něj jsou větší, takže znečištění by muselo zabírat velkou plochu, aby způsobilo kritické zeslabení signálu.
  • Díky odrážení větší části světla přichází záření na filtry před detektory pod různými úhly, což má za následek rozšíření pásma vlnových délek používaných pro potřeby měření. Zejména tam, kde má snímač varovat před nebezpečím výbuchu, je tato vlastnost mimořádně užitečná.

Nová optická koncepce byla poprvé zpracována do oblasti průmyslové měřicí techniky firmou Dräger u detektoru Polytron IR.

Snímače Polytron IR kromě toho nabízejí ještě další inovace, např. komunikační rozhraní pro okolní součásti systému měření plynů.

Přenos dat prostřednictvím obousměrného digitálního rozhraní
Jako doplněk k analogovému rozhraní 4 až 20 mA jsou změřené hodnoty přenášeny také digitálně protokolem HART nebo přes rozhraní RS-485. Obě digitální rozhraní umožňují přenášet měřené hodnoty a také obousměrně komunikovat pro potřeby diagnostiky a nastavování konfigurace.

Osvědčené ruční terminály Fisher Rosemount 275, MTL 611B a Psion Organizer (Psion Organizer je konstrukčně stejný, ale bez osvědčení Ex), vyskytující se běžně na trhu, musejí být vybaveny pouze násuvným datovým modulem Polytron, rozhraním MTL-HART a kabelem. Potom nabízejí stejnou strukturu obsluhy jako známé převodníky Polytron IR Ex, C02, N20 a Polytron 2.

Těleso z korozivzdordné oceli
Při konstrukci tělesa byla zvláštní pozornost věnována dvěma požadavkům:

  • těleso musí zajišťovat maximální ochranu proti agresivnímu prostředí,
  • těleso musí být uzpůsobeno tak, aby umožňovalo certifikaci Ex podle všech celosvětově uznávaných norem.

Řešení spočívá v přesném odlévání tělesa z korozivzdorné oceli nejvyššího stupně jakosti. Krytí IP66, popř. IP67 zajišťuje, že detektor nebude poškozen dokonce ani při jeho zaplavení vodou.

Všechny průchodky, stejně jako zadní strana zrcadla, byly utěsněny zalévací hmotou z epoxidové pryskyřice.

Kyveta s ventilací
Doba odezvy je jedním z nejdůležitějších kritérií pro hodnocení výkonnosti detektoru plynu.

Zatímco při otevřené kyvetě a volném proudění vzduchu je celkovou dobou odezvy jen vlastní doba reakce systému (méně než 2 s), mohou se vyskytnout dosti dlouhé „mrtvé doby“, je-li namontována ochrana proti stříkající vodě nebo prachový filtr nebo jestliže se má měřit nehybný vzduch.

Aby se tyto „mrtvé doby“ zkrátily, byla realizována dvě opatření.

Do držáku zrcadla byl namontován výkonný topný článek, který zabezpečuje stálý tepelný spád mezi kyvetou a okolním prostředím. Tím vzniká tzv. komínový efekt – teplý vzduch stoupající vzhůru zajišťuje neustálé proudění kyvetou. Současně tento ohřev účinně zabraňuje vzniku jakéhokoli kondenzátu na povrchu sklíčka nebo zrcadla.

V ochranném krytu proti stříkající vodě je vzduch veden tak, aby bylo komínového efektu maximálně využito. Proudící vzduch beze zbytku vytlačuje vzduch, který se nachází před ním v kyvetě, a pohybuje se od zrcadla ke sklíčku, než kyvetu opustí. Voda, která může proniknout do vnější části ochranného krytu, je odváděna pláštěm kyvety a kryt proti stříkající vodě opouští otvory vpředu na jeho spodní straně.

[© Dräger Review 81 (July 1998) – F. Dallmeyer: The (r)evolution continues: Polytron IR from Dräger.]

Za exponát „infračervený detektor hořlavých plynů a par POLYTRON 2IR“ získala firma Dräger ocenění Grand prix na veletrhu Pragoregula 2000 v Praze.