Duas medições diferentes se encontram em uma linhagem tecnológica
A medição de segurança industrial começou com a tarefa de alertar sobre o risco antes que as pessoas sejam expostas a gases nocivos, sofram falta de oxigênio ou se forme uma atmosfera explosiva. A medição ambiental se desenvolveu a partir do registro de como os poluentes atmosféricos e os gases de efeito estufa variam ao longo do tempo e entre lugares, e da avaliação da eficácia da redução de emissões ou das políticas. Uma parece ser uma medição que leva à ação imediata no local; a outra, uma medição que explica condições e mudanças ao longo do tempo. No entanto, hoje, ao examinar equipamentos dos dois campos, os mesmos princípios de detecção aparecem repetidamente: métodos eletroquímico, de absorção infravermelha, de fotoionização e de combustão catalítica.
Esta convergência não é acidental. Embora as questões finais feitas pelas duas áreas sejam diferentes, os problemas de física da primeira etapa são os mesmos. Pequenas mudanças que ocorrem quando certos componentes do ar interagem com o eletrodo do sensor, caminho óptico ou superfície do catalisador devem ser convertidas em um sinal elétrico e vinculadas à concentração. Administração de Segurança e Saúde Ocupacional dos EUAOrientação técnica do instrumento de leitura diretaEle explica que os detectores de fotoionização ionizam as moléculas com raios ultravioleta para criar uma corrente proporcional à concentração, os analisadores infravermelhos usam a absorção de gases por comprimento de onda e os monitores de gases tóxicos costumam usar células eletroquímicas. O mesmo princípio de conversão pode ser usado em medições ambientais. A diferença é maior na estrutura de entrada da amostra, filtro, algoritmo de compensação, lógica de alarme e procedimentos de controle de qualidade projetados em torno dele, e não no nome do sensor.
Princípio comum 1: Método eletroquímico que lê reações químicas como corrente elétrica
Em sensores eletroquímicos, a corrente é gerada quando o gás alvo é oxidado ou reduzido no eletrodo. Ao selecionar o eletrólito e o potencial do eletrodo apropriados, vários gases, como monóxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, dióxido de nitrogênio, dióxido de enxofre e oxigênio, podem ser medidos em um tamanho pequeno e com baixo consumo de energia. Portanto, é amplamente utilizado em detectores de gases pessoais portáteis e alarmes fixos de gases tóxicos, e também é adotado em nós de sensores de ar urbano ou de ar interno. O fato do sensor ser pequeno e poder funcionar por muito tempo com bateria é vantajoso tanto para os equipamentos de segurança que devem ser usados no corpo do trabalhador quanto para as redes ambientais que devem ser instaladas próximas em vários pontos.
No entanto, o fato de terem o mesmo nome, método eletroquímico, não significa que o desempenho de medição seja igual. Outros gases também podem reagir nos eletrodos e causar resposta cruzada, e a temperatura, a umidade, o estado do eletrólito e o envelhecimento do sensor alteram o ponto zero e a sensibilidade. Nos equipamentos de segurança, é importante não deixar passar riscos próximos ao ponto de ajuste do alarme; nos ambientais, pode ser importante a capacidade de distinguir de modo estável pequenas diferenças em concentrações muito mais baixas. Mesmo usando o mesmo elemento sensor, combinações diferentes de filtros, equações de compensação, faixas efetivas de medição e evidências de validação constituem sistemas de medição distintos.
Princípio comum 2: Método infravermelho que lê a absorção de luz das moléculas
Moléculas como metano e dióxido de carbono absorvem certos comprimentos de onda infravermelhos. A concentração pode ser estimada medindo o quanto a luz enviada pela fonte de luz enfraquece após passar pela amostra. O método infravermelho não dispersivo implementa este princípio em uma estrutura relativamente robusta e é amplamente utilizado para detecção de gases combustíveis, monitoramento de processos, gerenciamento interno de dióxido de carbono e observação de gases de efeito estufa. Por não depender de reações de combustão que consumam oxigênio, oferece vantagens sobre a combustão catalítica em algumas condições.
A miniaturização de fontes de luz, detectores, filtros ópticos e circuitos eletrônicos de baixa potência desempenhou um papel importante no compartilhamento de componentes infravermelhos entre locais de segurança e observações ambientais. As medições ópticas, antes relegadas a equipamentos de laboratório, foram transferidas para equipamentos de campo, permitindo que os mesmos componentes básicos fossem combinados com caminhos ópticos mais longos, diferentes bandas de filtro e diferentes células de amostra. No entanto, só porque o equipamento de alerta de fugas de metano foi concebido para determinar rapidamente uma determinada percentagem do limite inferior de explosividade, isso não significa que seja um equipamento que registe com precisão pequenas alterações no metano na atmosfera de fundo. Isso ocorre porque o comprimento do caminho óptico, a resolução, a correção de umidade, a correção de pressão, o limite de detecção e o intervalo de calibração são diferentes.
Princípio Comum 3: Sensores que Utilizam Calor de Combustão e Ionização
Sensores de combustão catalítica leem as mudanças de temperatura e resistência que ocorrem quando gases combustíveis são oxidados na superfície de um catalisador aquecido. Uma vez que reage com vários gases inflamáveis, é útil para determinar rapidamente se o risco de explosão está a aumentar no local de trabalho. Os detectores de fotoionização medem a corrente elétrica produzida quando os fótons ultravioleta ionizam compostos orgânicos voláteis. Ele pode ser usado tanto para encontrar pontos de vazamento quanto para examinar gradientes espaciais em concentrações de contaminação.
Também aqui há limites para a seletividade. A orientação da OSHA alerta que os detectores de fotoionização reagem de forma não específica a muitas substâncias e podem não identificar definitivamente as substâncias no ar misturado. Além disso, os sensores de gases combustíveis podem não responder suficientemente a alguns vapores ou podem ter sensibilidade reduzida devido a compostos de silício e enxofre. Portanto, deve ser feita uma distinção entre o facto de “um número ser apresentado” e o facto de “a concentração efectiva da substância desejada ter sido verificada”. Os dados relativos de alterações úteis para encontrar poluentes em pesquisas ambientais podem não ser concentrações absolutas para julgamento regulamentar, e os valores de fotoionização em resposta a patrulhas de segurança não indicam automaticamente a concentração de exposição de um tóxico específico.
Quatro mudanças que levaram à convergência
Primeiro, com o avanço de pequenos circuitos eletrônicos e comunicações de baixa potência, tornou-se mais fácil aplicar comumente um único módulo de sensor a alarmes portáteis, nós fixos e redes de observação sem fio. Em segundo lugar, agora é possível compensar os efeitos no local incorporando sensores auxiliares como temperatura, umidade e pressão. Terceiro, a computação em nuvem e de ponta tornou possível calibrar sinais brutos, detectar valores discrepantes e analisar tendências de longo prazo. Quarto, os usuários começaram a exigir densidade espacial e em tempo real. Os departamentos de segurança querem mapas de perigos de toda a área de trabalho, e os departamentos ambientais querem mais sensores para preencher as lacunas entre equipamentos padrão caros.
Essa alteração reduziu os limites do hardware, mas não removeu os limites para fins de medição. Agência de Proteção Ambiental dos EUAGuia do sensor de ar aprimoradoOrienta você a decidir primeiro sobre uma questão e projetar sua pesquisa na ordem de planejamento, instalação, coleta e avaliação. Isto significa que a seleção do sensor não deve começar com uma lista de produtos, mas sim com quais dados de resolução temporal e espacial são necessários para qual decisão.
Calibração: mesmo com o mesmo gás padrão, as perguntas são diferentes.
A calibração é o processo de verificar a resposta do sensor a um padrão de concentração conhecida e combinar a relação entre o valor medido e a concentração. Testes funcionais e calibração regular antes do uso diário são especialmente importantes em instrumentação de segurança. OSHAInstruções de calibração e teste de monitor de gás de leitura direta portátilVerifique a precisão respondendo a um gás de teste de concentração rastreável conhecida e siga as recomendações do fabricante. Um teste geral é uma verificação funcional que aplica gás para ver se o sensor e o alarme respondem. Se estiver fora da faixa aceitável, será necessária uma correção completa. Este é um procedimento para verificar se o sensor, a bomba, o display e o alarme sonoro/vibratório operam como um sistema no momento de perigo.
Nas medições ambientais, a medição simultânea no local e a gestão da deriva a longo prazo podem ter maior peso. Coloque o sensor no mesmo local que um analisador de referência e estime a polarização sob condições reais de temperatura, umidade e gases coexistentes. Quando a estação muda ou o sensor envelhece, o modelo de calibração deve ser verificado novamente. EPA dos EUAManual de garantia de qualidade para medição de poluição atmosféricaexplica que as metas de qualidade dos dados estão vinculadas a indicadores como precisão, viés, representatividade, limite de detecção, completude e comparabilidade. Em outras palavras, a calibração ambiental não é uma tarefa pontual de ajustar números, mas um processo contínuo de demonstrar que os dados coletados ao longo de um período prolongado são adequados à finalidade de uso inicialmente definida.
O tipo e a concentração do gás de calibração também devem ser adequados à finalidade. Os resultados da calibração de detectores de metano explosivo em faixas de concentração elevadas por si só não podem garantir pequenas alterações nos níveis de fundo. Por outro lado, se um analisador de baixa concentração encontrar um vazamento não diluído e ficar saturado, poderá não indicar adequadamente a magnitude do perigo. Mesmo que haja um histórico de calibração, deve-se verificar se o gás alvo, a matriz, a faixa, a vazão e as condições de temperatura e umidade correspondem ao uso real.
Faixa de medição: ppm, ppb e limite inferior de explosão são seções diferentes do mesmo eixo
A faixa de concentração coberta pelo sensor não é simplesmente uma especificação numérica, mas reflete a finalidade do sistema. Os monitores de segurança de gases combustíveis geralmente abordam áreas associadas a riscos imediatos, como a relação com o limite inferior de explosividade. Os monitores pessoais de gases tóxicos podem calcular valores instantâneos, médias de curto prazo e médias ponderadas no tempo em torno dos padrões de exposição ocupacional. As medições ambientais podem exigir limites de detecção mais baixos e estabilidade a longo prazo para ter em conta as concentrações de fundo locais, os picos de eventos de poluição e as médias diárias e sazonais.
Ampliar a faixa de medição nem sempre é uma coisa boa. Uma ampla faixa pode retardar a saturação em altas concentrações, mas a resolução e a incerteza em baixas concentrações podem ser prejudiciais. A faixa estreita de baixa concentração é sensível a mudanças ambientais, mas o limite superior pode ser excedido no caso de um vazamento em grande escala. Portanto, se um sensor exibir ambas as faixas, você deverá verificar a linearidade, a polarização, a repetibilidade e os efeitos de interferência em cada faixa de forma independente. NIOSHDiretrizes de avaliação de monitores de gases e vapores de leitura diretasugere avaliar não apenas o tempo de resposta, mas também calibração, estabilidade, alcance, limites de medição, efeitos ambientais, interferência e confiabilidade. É por isso que o desempenho não pode ser avaliado por apenas um tipo de sensor.
Tempo de resposta: intervalo médio de segundos de alarme e dados ambientais
Na medição de segurança, o tempo de resposta está diretamente ligado ao tempo que as pessoas levam para evacuar ou interromper o processo. Apenas ter um elemento sensor rápido não é suficiente. O tempo de resposta do sistema, que inclui o tempo para o gás passar pela entrada e pelo filtro e chegar ao sensor, a vazão da bomba, o comprimento do tubo, a média do software e o atraso do alarme, é importante. NIOSHPesquisa sobre tempo de resposta do sistema de metano para mineraçãoapresenta um exemplo em que o tempo de resposta medido de 90% muda mesmo quando a tampa contra poeira e as condições de fluxo são alteradas, e quando a tampa é removida, a resposta torna-se 6 a 16 segundos mais rápida. Esta é uma evidência concreta de que a estrutura de proteção e o fluxo do local afetam a velocidade real do alarme.
A medição ambiental também não ignora o tempo de resposta. Em observações móveis ou rastreamento de plumas de vazamento, a resposta em escala de segundos é importante para vincular com precisão a localização espacial e a concentração. Por outro lado, para estudos que analisam mudanças diárias graduais num ponto fixo, a estabilidade e a integridade dos dados das médias de 1 minuto, 1 hora ou diárias podem ser mais importantes. A suavização excessiva de valores brutos rápidos perderá picos curtos e, se valores ruidosos forem usados como alarmes, os alarmes falsos aumentarão. Portanto, as especificações de tempo de resposta e os intervalos médios dos dados devem ser divulgados em conjunto.
Certificação: Desempenho de medição e segurança contra explosão são certificações diferentes
Para equipamentos instalados em locais perigosos, não basta ter medições precisas. A estrutura e o método de proteção devem ser verificados para garantir que o próprio equipamento não se torne uma fonte de ignição.Sistema de equipamentos de certificação IECExé um sistema internacional de certificação no qual uma entidade terceira independente testa e avalia equipamentos elétricos e mecânicos usados em atmosferas explosivas e audita o sistema de qualidade da fabricação. A IECEx publica a Lista de padrões aplicáveisA série IEC 60079 é dividida em requisitos gerais de equipamento, segurança intrínseca, desempenho do detector de gás combustível e seleção, instalação, uso e manutenção.
Um contexto de conformidade diferente se aplica aos sensores ambientais. Sensores exploratórios de pesquisa, instrumentos de autocontrole em locais de trabalho e equipamentos destinados à determinação regulamentar da qualidade do ar não estão sujeitos ao mesmo nível de requisitos. A EPA dos EUA Descrição dos métodos padrão federais e métodos equivalentesÉ explicado que o método utilizado para determinar se os padrões de qualidade do ar foram alcançados é testado e aprovado para fornecer uma qualidade de tomada de decisão equivalente ao método padrão. Só porque um sensor ambiental de baixo custo mostra padrões espaciais úteis não o torna automaticamente um dispositivo regulatório de tomada de decisão. Por outro lado, um detector de segurança que recebeu certificação à prova de explosão não significa que também tenha sido certificado quanto à precisão e comparabilidade dos dados de regulamentação ambiental. Você deve ler a marca de certificação para ver o que ela certifica e em que medida.
Finalidade dos dados: Valores que desencadeiam ações e acumulam evidências
A primeira missão dos dados de segurança é a ação. Se o limite de alarme for excedido, os trabalhadores devem evacuar, ligar a ventilação, desligar as válvulas ou suspender as autorizações de trabalho. Portanto, omissões ou atrasos podem ser fatais, e recursos como configurações conservadoras de alarme, autodiagnóstico, status da bateria e alertas no local em caso de falha de comunicação são importantes. Embora os recursos de registro sejam necessários para investigação de incidentes e avaliação de exposição, a proteção em tempo real é uma prioridade.
A principal função dos dados ambientais costuma ser a comparação e a interpretação. As mudanças em relação à linha de base, as diferenças entre pontos, as tendências sazonais e as situações antes e depois da redução de emissões precisam ser explicadas. Metadados como a preservação dos dados brutos, carimbos de data e hora, tratamento de dados ausentes, versões de calibração, localização e condições meteorológicas determinam a reprodutibilidade dos resultados. Para usos que exigem verificação externa, como regulamentação ou contabilidade de carbono, a incerteza de medição, a rastreabilidade a padrões, as regras de validação de dados e o histórico de mudanças são ainda mais importantes. Mesmo quando a saída do sensor é a mesma, o registro de eventos de alarme e a série temporal ambiental de longo prazo devem ter ciclos de coleta, métodos de preservação e procedimentos de aprovação diferentes.
Co-projetar para um propósito, não para substituição
Equipamentos de segurança não devem ser usados como monitores ambientais ou sensores ambientais como alarmes de segurança. Os equipamentos de segurança devem verificar a precisão do alarme, o tempo de resposta geral do sistema, a adequação à prova de explosão e a operação em caso de falha sob gases-alvo reais e concentrações perigosas. Os equipamentos ambientais devem ser verificados quanto aos limites de detecção e incertezas na faixa de concentração alvo, desvio de longo prazo, comparação com equipamentos de referência e integridade e representatividade dos dados. O fato de o mesmo tipo de sensor estar listado no manual do produto não substitui esta verificação.
A verdadeira oportunidade apresentada pela convergência dos dois campos não é o uso indiscriminado de um único equipamento, mas a conexão dos fluxos de dados. Ao analisar juntos eventos de alarme de alta concentração de detectores de segurança certificados e tendências de baixa concentração de redes de sensores ambientais com qualidade controlada, com base no tempo e no local, os vazamentos podem ser encontrados mais rapidamente e a eficácia da ventilação ou manutenção pode ser confirmada a longo prazo. Mesmo nesse caso, os dados brutos e o histórico de calibração devem ser preservados separadamente, e o escopo de decisão permitido para cada fluxo de dados deve ser especificado.
Perguntas práticas a serem feitas antes da adoção
Deverá este valor ser utilizado para tomar imediatamente medidas de segurança, tais como evacuação ou encerramento, analisar tendências ambientais a longo prazo, ou ambos?
Qual é o gás alvo e as concentrações mínimas e máximas esperadas, e quais são as unidades e limites de detecção necessários?
A composição, concentração e rastreabilidade do gás de calibração são representativas da amostra real e da faixa de medição?
Foi verificado o efeito da sensibilidade cruzada, temperatura/umidade, pressão, concentração de oxigênio, poeira e umidade nos resultados?
O tempo de resposta apresentado é um valor apenas para o elemento sensor ou um valor do sistema incluindo filtros, bombas, tubos, média e lógica de alarme?
Ele atende à certificação de desempenho à prova de explosão/detecção de gás exigida ou aos requisitos de método padrão ambiental/método equivalente?
Quais são as diferenças entre testes de resposta, calibração completa, medição simultânea no local, manutenção e ciclos de substituição de sensores?
Os dados brutos, dados de calibração, eventos de alarme, sinalizadores de qualidade e versões de calibração são mantidos separados?
O alarme de campo opera de forma independente mesmo se a comunicação ou a energia forem perdidas?
O relatório de resultados indica claramente os usos permitidos entre ‘para determinação de segurança’, ‘exploratório’, ‘pesquisa’ e ‘para determinação regulatória’?
O fato de o mesmo princípio de detecção conectar a segurança e o meio ambiente é um sinal de que a indústria de sensores amadureceu. No entanto, um sensor é apenas um componente de um sistema de medição. A escolha do equipamento certo começa com a identificação de pontos comuns nos métodos de detecção e se completa ao verificar, até o fim, as diferenças de calibração, faixa, resposta, certificação, qualidade dos dados e ação final.