در بین تمام فعالیت های صنعتی، بدون شک صنعت تونل سازی، استخراج و معدن از خطرناک ترین کارهاست. معدنچیان شاغل در چاه های حفاری و تونل های زیرزمینی که کیلومترها زیر سطح زمین امتداد دارند در معرض خطر تجمع سریع گاز، آتش سوزی و انفجار هستند. با توجه به این خطرات، عملیات معدن باید همیشه دارای سیستم های تشخیص (دتکتور گاز) باشد تا حدامکان محیط را برای پرسنل ایمن نگه دارد.
اهمیت استفاده از تجهیزات تشخیص گاز در معادن و تونل‌ها
سنسور گاز برای تشخیص انواع گازهایی که برای انسان زیان دارند ساخته شده اند. شاید کمتر کسی باشد که از مزایای این سنسورها اطلاعی نداشته باشد. سالیان دور برای تشخیص کمبود اکسیژن در معادن از پرنده‌گان استفاده می‌کردند، در زیر دریایی های اولیه نیز به همین روش اکتفا می‌شد.
سنجش گاز در صنعت معدن الزامی است زیرا تهویه هوای درون معدن با هوای تازه برای رقیق کردن غلظت گازها، مخصوصا گاز متان در جهت کاهش خطرات انفجار ضروری است. بعبارتی آشکارسازهای گاز که به عنوان بخشی حیاتی از تجهیزات ایمنی هستند، می‌توانند کمبود اکسیژن، اتمسفرهای انفجاری و گازهای سمی متعدد را شناسایی کنند، بنابراین تهدیدات را از محیط‌های خطرناک و بالقوه کشنده حذف می‌کنند.
در معادن باید تدابیر لازم جهت نظارت پیوسته و مناسب بر سیستم تهویه وجود داشته باشد، تا اطمینان حاصل شود که جو داخل معدن خطری برای سلامت و ایمنی افراد ندارد. میزان پایش به نوع و پیچیدگی معدن و آلاینده‌های بالقوه موجود در آن بستگی دارد. ضروری است برای اندازه گیری میزان گازهای درون معدن حتما در نقاط متعددی از فظای معادن عمل نمونه برداری و تشخیص انجام پذیرد. یعنی فراوانی و تعداد دتکتور های استفاده شده در یک معدن به میزان آلودگی محیط آن معدن بستگی دارد.
در معادن از دو نوع ثابت و پرتابل دستگاه اندازه‌گیری غاظت گاز بوفور استفاده می‌گردد. بهترین و امن‌ترین روش، بهره‌گیری از هر دو نوع بصورت ترکیبی است.
لیست گازهای قابل انفجار معادن و تونل‌ها
- متان CH4
- مونوکسيدکربن CO
- دی‌اکسید‌کربن CO2
- هيدروژن H
- سولفید هیدروژن H2S
- اکسیژن O2
گاز متان Methane
گازمتان که درنتيجه تکامل تدريجی زغال سنگ به وجود می‌آید و در معادن زغال سنگ ممکن است درون سنگ يا لايه‌های زغال انباشته شده باشد. زمانیکه لايه‌ای از خاک معدن استخراج می‌گردد فشار از روی اين گازها برداشته و باعث متصاعد و پراکنده شدن گاز متان و دیگر گازها در فضای معدن میشود. در يک معدن زغال سنگ گاز متان ممکن است درهر محلی موجود باشد به همین علت استفاده از دتکتور برای تشخیص این گازها در معادن امریست ضروری. از روشهای جديدی که جهت تشخیص گاز متان مورد استفاده قرار میگیرد بکارگيری آشکارساز گاز متان می‌باشد.
ردیاب های گاز CH4 که بهمراه سنسور مادون قرمز تولید شده‌اند بر اساس خواص فیزیکی، مولکول های گاز CH4 اقدام به تشخیص و اندازه‌گیری غلظت گاز متان، می‌کنند. یعنی مولکولهای گاز متان نور مادون قرمز یا طول موج های خاص را جذب می کنند. آشکارساز داخلی با تاباندن نور از بین گاز مورد نظر و استفاده از فیلترهای نوری مناسب، خروجی را به دست می آورد که با مقدار غلظت CH4 رابطه مستقیمی دارد.
در معادن لازم است وقتیکه سطح گاز متان از 1٪ بیشتر شد حتما تمهیداتی جهت حفظ ایمنی پرسنل انجام داد. چونکه سطوح گاز متان می‌توانند به سرعت کم و زیاد شود، و زمان واکنش پرسنل به تغییرات گاز بسیار کم است. ماکزیمم گاز متان نیز سطح 5% است. حتما بایستی سعی شود جو معدن حاوی بیش از 12500ppm یا 1.25 درصد حجمی متان نباشد.
مونوکسيدکربن Carbon monoxide
مونوکسیدکربن با استفاده از دتکتور CO دارای حسگر الکتروشیمیایی براحتی تشخیص داده می شود. این سنسور میتواند میزان غلظت CO را با اکسید کردن گاز درون الکترود اندازه‌گیری کند. برای کاهش حساسیت سنسور نسبت به سایر گازهای قابل احتراق، مثل: H2S ،N02 ،NO و SO2 از فیلترهای مخصوص در قسمت سنسور استفاده میشود.
اندازه گیری سطح CO به تشخیص آتش سوزی و گرمایش معدن کمک می کند. حسگرها، افزایش مداوم سطح CO را بدون کم و کاستی انجام می‌دهند. اگرچه دود ناشی از تجهیزات پرکاربرد موتوری درون معادن می توانند آلارم مونوکسید کربن را بصدا بیاورد، ولی میتوان بر حسب الگو هایی افزایش و کاهش سریع گاز را مشخص کرد و نسبت به گاز ایجاد شده توسط اگزوز تجهیزات موتوری، و CO درون معدن تمایزی بوجود آورد.
ناگفته نماند تنها محلی ازمعدن که درآن تمرکز گاز مونوکسيدکربن ممکن است به حد قابل انفجار برسد درنزديکی محل حريق است. اگرحريق کاملی رخ دهد به ويژه اگر ميزان اکسيژن محدود باشد ممکن است غلظت بالايی از اين گاز ايجاد شود.
دی اکسید کربن Carbon dioxide
دی اکسید کربن را می توان براحتی با استفاده از ردیاب گاز دارای حسگر مادون قرمز اندازه گیری کرد. این اندازه گیری بر اساس ویژگی فیزیکی است که مولکول های CO2 در مواجهه با نور مادون قرمز از خود نشان می‌دهند بعبارتی دتکتور با سنسور IR میتواند طول موج های CO2 را جذب کند. آشکارساز گاز IR با دریافت تابشهای نوری از طریق گاز هدف و استفاده از فیلترهای نوری مناسب، خروجی ای به دست می‌آورد که می تواند مقدار غلظت CO2 را تشخیص دهد.
هيدروژن Hydrogen
هیدروژن فراوانترین عنصر در جهان است. تا آنجا که ۷۵٪ جرم مواد طبیعی از این عنصر ساخته شده و بیش از ۹۰٪ اتم‌های سازندهٔ آن، اتم هیدروژن است. هيدروژن سبکترین عنصر در جهان است که از لحاظ انفجاری و سمی بودن اهمیت دارد. لايه‌های زغال‌سنگ حاوی گاز هيدروژن است و در اثر گرمایش اين عنصر شیمیایی از زغال سنگ رها ميشود.
سولفید هیدروژن Hydrogen sulfide
سولفید هیدروژن را می توان با استفاده از ردیاب گاز سولفید هیدروژنی و یا با استفاده از لوله‌های رنگی قدیمی اندازه گیری کرد. سنسور دتکتور H2S جهت تشخیص غلظت گاز هوای محیط معدن را تحت یک واکنش شیمیایی قرار میدهد این عمل باعث بوجود آمدن جریانی درون سنسور میشود که جریان بدست آمده مستقیماً متناسب با اندازه گاز موجود در جو است.
سولفید هیدروژن گازی سمی است که به ویژه در معادن زیرزمینی آلی، منابع گاز طبیعی، سایت‌های حفاری، چشمه‌های آب گرم و فاضلاب یافت میشود. این گاز بی رنگ و قابل اشتعال بوی تخم مرغ فاسد می دهد و انسان میتواند غلظت بالای 1ppm این گاز را براحتی تشخیص دهد با این حال، با قرار گرفتن در معرض طولانی مدت، اعصاب شروع به بی حس شدن می کنند و حس بویایی فرد ضعیف می شود. بنابراین ردیابی و تشخیص بروش بویایی راه صحیحی نیست.
اندازه سولفید هیدروژن که به طور طبیعی بین 0.0001 تا 0.0002 پی پی ام در هوای تازه وجود دارد، طبق استانداردها نباید از 0.05ppm و میانگین ساعتی 0.125ppm بیشتر باشد. سولفید هیدروژن یک گاز سمی است و در صورت قرار گرفتن در معرض غلظت های بالا برای مدت طولانی می تواند عواقب کشنده ای داشته باشد. به دلیل اثرات شیمیایی که در بدن انسان ایجاد می کند، مکانیسم تنفس سلولی را متوقف کرده و اکسیژن را مسدود می کند. در سطوح بالا، پس از چند نفس، قربانی نمی تواند نفس بکشد و از دست دادن هوشیاری را تجربه می کند. در اینجا لیستی از اثرات احتمالی بر انسان وجود دارد.
گاز سولفید هیدروژن 20 درصد سنگین تر از هوا است. بنابراین، در مناطق محاصره شده و گودال های زمینی که تهویه کافی وجود ندارد تجمع می یابد و در نتیجه به پایین فرو می رود. علاوه بر اثرات سمی کشنده آن، اشتعال پذیری آن یک خطر جداگانه به همراه دارد.
هنگامی که غلظت سولفید هیدروژن که دمای احتراق آن 260 درجه سانتیگراد است، به 4.3٪ – 46٪ می رسد، خطر انفجار ایجاد می کند و هنگامی که می سوزد گاز دی اکسید گوگرد (SO2) که گاز سمی دیگری است را آزاد می کند. با توجه به این اثرات مضر و کشنده، ایجاد سیستم های لازم برای تشخیص گاز موجود در محیط به منظور جلوگیری از قرار گرفتن کارگران شاغل در حفاری نفت، معادن و فاضلاب ضروری است.
اکسیژن که معمولاً 20.9 درصد در هوا وجود دارد برای زندگی انسان ضروری است. دلایل اصلی که گاز اکسیژن تهدیدی برای کارگران صنعت معدن است از این قرارند، زیرا اکسیژن بسیار کم میتواند مانع از عملکرد سلول های بدن انسان میشود که منجر به از دست دادن هوشیاری کارگران میشود. مگر اینکه سطح اکسیژن را بتوان به سطح متوسط بازگرداند، کارگر در خطر مرگ احتمالی است. هنگامی که اندازه O2 کمتر از 19.5٪ باشد، یک اتمسفر کمبود دارد. در نتیجه، محیطی با اکسیژن بیش از حد به همان اندازه خطرناک است زیرا خطر آتش سوزی و انفجار را افزایش می دهد. این زمانی در نظر گرفته می شود که سطح غلظت O2 بیش از 23.5٪ باشد.
بیشتر بخوانید:
اکسیژن Oxygen
اکسیژن گازی بی رنگ، بی بو و بی مزه است که برای موجودات زنده ضروری است و جانداران آن را جذب کرده و به دی اکسید کربن تبدیل می کنند. گیاهان نیز به نوبه خود از دی اکسید کربن به عنوان منبع کربن استفاده می کنند و اکسیژن را به جو برمی گردانند. اکسیژن که معمولاً 20.9 درصد در هوای زمین وجود دارد برای زندگی انسان ضروری است. دلیل اصلی که اکسیژن تهدیدی برای کارگران صنعت معدن هست شامل کمبود یا غنی بودن اکسیژن است.
زمانیکه غلظت اکسیژن کمتر از 19.5٪ باشد، مانع از عملکرد درست بدن انسان و منجر به از دست دادن هوشیاری کارگران و مرگ احتمالی پرسنل شاغل در معدن میشود. همچنین افزایش سطح اکسیژن به بیش از 23.5٪ در محیط نیز خطرناک است زیرا خطر آتش سوزی و انفجار را افزایش میدهد.
انواع سنسورهای مرسوم در تجهیزات تشخیص گاز
- سنسور کاتالیستی یا پلیستری
- سنسور الکتروشیمیایی
- سنسور مادون قرمز
- سنسور نیمه هادی
- سنسور PID
سنسور پلیستری
دتکتورهایی که از سنسور کاتالیستی برای تشخیص گاز بهره می‌برند، قیمت پایینی دارند ولی در مناطقی که کمبود اکسیژن وجود دارد از این ابزارها استفاده نمی‌کنند چون برای تشخیص گاز مورد نظر حتما باید اکسیژن به اندازه کافی در محیط وجود داشته باشد. البته در معادن سطحی یا باز از این دسته از ردیاب‌ها استفاده میشود.
عمداتا برای تشخیص گازهای معادن زیرزمینی از سنسور های مادون قرمز یا اینفراردی و الکتروشیمیایی استفاده می‌کنند.
سنسور مادون قرمز
سنسورهای مادون قرمز برای سنجش و اندازه‌گیری برخی از گازها مناسب هستند نه همه گازها. بعبارتی اين سنسورها فقط براي گازهايی قابل استفاده هستند كه حداقل دو اتم متفاوت دارند و مهمتر از همه برای تشخیص گاز هيدروژن نميتوان از آنها استفاده نمود. اساس عملكرد سنسور مادون قرمز، جذب اشعه مادون قرمز توسط گازهای چند اتمی است. مانند دی اكسيد كربن (CO2) ، متان (CH4) و يا گازهای هيدروكربنی ديگر.
سنسور الکتروشيميايی
اساس کار سنسورهای الکتروشيميايی که با افزايش مولکولهای گازهايی مانند متان و مونوکسيدکربن و دیگر گازها، مقدار مقاومت آن کاهش يافته و باعث ارسال خروجی سیگنالی به اتاق کنترل میشود.
اين سنسورها در سراسر معدن قرار می‌گيرند و گازهای گوناگون را با توجه به مقدار دقیق آن، که برای هر سنسور قابل تشخیص و آشکار سازی است از طریق سیگنال خروجی به اتاق کنترل اعلام می‌کنند. نهایتا اين سيگنالها بوسيله ترمينالهایی که وظيفه جمع‌آوری اطلاعات ازنقاط مختلف معدن را دارند به کامپيوتر مرکزی ارسال می‌شوند، بدين ترتيب می توان دريافت که در هر لحظه مقدار گازهای گوناگون در چه محل‌هایی وجود دارند و همچنین میزان غلظت آن گازها چقدر است. در انتها کنترلر این اطلاعات را تجزیه و تحلیل کرده و برحسب نیاز و طراحی از قبل انجام شده هواکش‌ها و يا آژيرهای اخطار را روشن می‌کند.
لیست و انواع گاز
- گاز اکسیژن
- گاز هیدروژن
- گاز پنتان
- گاز متان
- گاز بوتان
- گاز مایع
- گاز آمونیاک
- گاز دی‌اکسید کربن
- گاز ایزو پروپان
- گاز اسید اسیتیک
- گاز هیدرو کربن
- گاز اوزون
- گاز فریون
- گاز اتیلن
- و تشخیص چندین گاز دیگر…
انواع خروجی‌ها
- خروجی سیگنال آنالوگ 4 الی 20 میلی آمپر و ارسال آن به یک کنترلر جهت ثبت و پردازش مقدار گاز محیط
- اتصال به شبکه RS485 (مد باس)
- قابلیت متصل شدن به شبکه صنعتی هارت HART برای شبکه کردن چندین دتکتور‌گاز
- قابلیت اضافه شدن رله برد ( چند رله‌ای) به انتخاب مشتری جهت فعال کردن رله آلارم (آلارم هشدار و خطا)
در بعضی از دتکتورها امکان ثبت وقایع اتفاق افتاده در خود دتکتور وجود دارد، از قبیل ثبت مقدار غلظت گاز موجود در محیط در سیکل‌های زمانی مختلف و ذخیره سازی آن وقایع در صورت قطع ولتاژ تغذیه ورودی دتکتور، که به این امکان Data Logger گفته میشود.
