Detectie brandbaar gas - LEL meter

Een gasmengsel wordt pas ontbrandbaar als de verhouding brandbaar gas en zuurstof tussen bepaalde grenzen ligt. Dit bereik is specifiek voor elk gas en elke damp. De minimale concentratie waarbij het brandbaar of explosief is, wordt LEL-waarde genoemd (Lower Explosion Limit). De Nederlands term OEG (Onderste Explosie Grens) wordt zelden gebruik.

Concentraties tot de onderste explosie limiet (LEL) zijn theoretisch niet explosief. Hiervoor is niet voldoende gas aanwezig om te ontbranden. Het mengsel is te arm.

Er is ook een maximale concentratie; deze wordt de UEL-waarde genoemd (Upper Explosion Limit). Boven de 100% UEL is een gasmengsel niet explosief of ontbrandbaar omdat er niet voldoende zuurstof meer aanwezig is voor verbranding van het gas. Het mengsel is te rijk.

De ontvlambare zone voor elk gas of gasmengsel ligt tussen de grenzen van de LEL en de UEL. In onderstaande tabel staan de waarden voor verschillende gassen weergegeven.

Voor aardgas geldt dat het explosief is wanneer de concentratie zich bevindt tussen 5,0 en 16,0%. Boven de 16,0% is er niet voldoende zuurstof aanwezig voor ontbranding. Wanneer het mengsel echter verdund wordt met lucht/zuurstof ontstaat er direct een ontbrandbaar mengsel.

De concentratie van een gas kan op verschillende manieren worden uitgedrukt. Hogere concentraties worden in volumeprocent VOL% aangegeven. In lucht is bijvoorbeeld 20.9 VOL% zuurstof aanwezig.

Lagere concentraties worden uitgedrukt in ppm (parts per million). Voor de verhouding tussen ppm en VOL% geldt:

1 VOL% = 10.000 ppm.

In lucht is bijvoorbeeld een zeer lage concentratie van 0,0002% methaan (CH4) aanwezig; dit komt overeen met 2 ppm. Deze omrekening geldt bij 20 °C en 1.013 mBar.

De minimale concentratie, uitgedrukt in volumeprocent (VOL%), waarbij een gas brandbaar wordt, is voor elk gas verschillend. Deze minimale concentratie wordt gelijk gesteld aan 100% LEL.

Gassen zoals H2S (waterstofsulfide) zijn explosief, echter de concentratie waarbij dit gas toxisch is, is veel lager. De LEL waarde van H2S bedraagt 4,0%, omgerekend 40.000 ppm. Bij een concetratie H2S van 1000 ppm volgt onmiddellijke bewusteloosheid met de dood tot gevolg.

Dit geldt ook voor mengels met vluchtige organische componenten (VOC's). De concentratie waarbij VOC's toxisch zijn ligt in het algemeen veel lager dan wanneer ze brandbaar zijn. Een PID meter meet in ppm bereik en biedt voor deze gassen extra bescherming ten opzichte van enkel een LEL meting.

Explosiemeters die alarmeren bij 10% LEL

Om een brandbaar gas te laten ontbranden moet aan drie voorwaarden zijn voldaan.

Ten eerste moet er voldoende brandstof aanwezig zijn. Als de gasconcentratie de minimale grens van 100% LEL passeert, wordt hieraan voldaan. Voor methaan is dit een concentratie van meer dan 4,4 VOL%.

Vervolgens moet er voldoende zuurstof aanwezig zijn. Verbranding is oxidatie van een brandbare stof en daarvoor is zuurstof nodig. Geen zuurstof betekent geen verbranding. In een inerte omgeving kan daarom geen explosie plaatvinden, terwijl de gasconcentratie ver boven de LEL grens kan liggen.

Als laatste moet er een ontstekingsbron aanwezig zijn. Deze is nodig om de oxidatie reactie op te starten. In praktijk kunnen dit kleine hoeveelheden energie zijn die grote gevolgen kunnen hebben.

Potentiele ontstekingsbronnen zijn niet gecertificeerde elektrische apparaten zoals verlichting, schakelaars en bedieningspanelen. Maar ook mobiele telefoons, multimeters of zelfs vallende sleutels kunnen een ontstekingsbron zijn.

Brandbare gassen hebben een temperatuur waarbij ze spontaan ontvlammen, zonder dat er een externe ontstekingsbron aanwezig is. Deze temperatuur wordt de ontsteking temperatuur genoemd.

Ontstekingstemperatuur wordt vaak verward met de term vlampunt. Het vlampunt van een brandbare vloeistof is de laagste temperatuur waarbij het vloeistofoppervlak voldoende damp afgeeft om door een kleine vlam te ontbranden. Een vloeibare stof zal afhankelijk van de dampspanning in meerdere of mindere mate verdampen. De snelheid waarmee damp wordt gevormd en de concentratie boven het vloeistofoppervlak worden hoger naarmate de temperatuur van de vloeistof hoger is.

Bij het vlampunt is de maximale concentratie gelijk aan de LEL concentratie. Als de omgevingstemperatuur onder de vlampunt temperatuur ligt, is er onvoldoende gas aanwezig voor een explosie gevaarlijke situatie.

Het gevaar van brandbare gassen is groter naarmate de concentratie van de LEL-waarde lager ligt. Brandbare dampen zijn gevaarlijker naarmate het vlampunt lager ligt.

De dichtheid van een gas of damp wordt vergeleken met lucht met een luchtdichtheid van 1,0. Gassen met een dampdichtheid onder 1,0 zullen stijgen. Bij een dampdichtheid boven 1,0 zal het gas dalen.

Het meetprincipe dat al lange tijd het meest wordt toegepast is de katalytische detector. De detector bestaat uit een klein element dat 'Pellistor' of 'parel' wordt genoemd. Ze zijn gemaakt uit een elektrisch verwarmde platinum draadspoel, eerst bedekt met een keramische basis zoals aluinaarde, daarna voorzien van een buitencoating uit palladium of rhodium katalysator, in een substraat van thorium.

Dit type sensor werkt volgens het principe dat wanneer een brandbaar gas of luchtmengsel over een heet katalytisch oppervlak gaat, verbranding ontstaat. Vervolgens zorgt de ontstane warmte ervoor dat de temperatuur van de 'Pellistor' stijgt. Hierdoor wijzigt de weerstand. De weerstandsverandering wordt omgerekend naar een gasconcentratie.

Een katalytische cel heeft zuurstof nodig voor een goede werking en kan niet worden toegepast in omgevingen met minder dan 10% zuurstof. Voor deze applicaties is een gasdetector die werkt op basis van het infrarood adsorptie geschikt.

Veel brandbare gassen hebben absorptiebanden in het infrarood spectrum van licht. Daarom wordt het principe van de infrarood absorptie toegepast voor gasdetectie sensoren.

Deze sensoren beschikken over een aantal belangrijke voordelen. Ze bieden een bijzonder snelle reactietijd (meestal minder dan 10 seconden) en vergen weinig onderhoud. Ze werken zonder problemen in inerte atmosferen.

De infrarood meettechniek werkt volgens het principe van IR-absorptie waarbij licht in twee golflengtes door het gasmengsel wordt gestuurd. De ene golflengte is ingesteld op de absorptiepiek van het te detecteren gas en de andere niet. De detector vergelijkt de signaalsterkten van de meet- en referentiebundel en berekent op basis hiervan de gasconcentratie.

Dit type detector kan geen diatomische gasmoleculen detecteren en daarom niet worden toegepast voor de detectie van waterstof. Voor deze applicaties is een gasdetector die werkt op basis van het katalytische meetprincipe geschikt.

Sensoren gemaakt van halfgeleidend materiaal werken net zoals katalytische sensoren.

Door absorptie van het gas op het oxide-oppervlak, gevolgd door de katalytische oxidatie, ontstaat een verandering in de chemische weerstand van het oxide-materiaal. Deze kan worden gecorreleerd met de concentratie van het gemeten gas.

Halfgeleider sensoren kunnen erg gevoelig zijn. Om deze reden worden ze vaak in gaslekzoekers toegepast. In combinatie met een snelle reactietijd maakt dit het vinden van gaslekkages eenvoudiger.