كواشف الغاز النقطية بالأشعة تحت الحمراء

ما هو كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء؟

كواشف الغازات القابلة للاشتعال هي العناصر الميدانية في أنظمة كشف الغاز، وتتيح التعرّف على التسرب في المنطقة الخطرة قبل أن يكوّن خليطًا قابلًا للاشتعال. ويُعبَّر عن النتيجة عادةً كنسبة مئوية من الحد الأدنى للانفجار (LEL)؛ إذ تقابل قيمة 100% LEL أدنى تركيز يكوّن عنده الغاز مع الهواء خليطًا قابلًا للاشتعال. وتُحدَّد عتبات الإنذار في الجزء الأدنى من هذا المقياس لكسب الوقت اللازم للاستجابة.

يعمل كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء (IR) على مبدأ امتصاص جزيئات الهيدروكربونات للأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية معينة. وخلافًا للحساسات الحفزية، لا يعتمد القياس على تفاعل احتراق عند سطح الحساس، ولذلك لا يحتاج إلى وجود الأكسجين ولا يتأثر بآليات التسمم المعتادة في العناصر الحفزية. كما أن التعرّض لتركيزات غاز مرتفعة لا يسبب فقدانًا دائمًا للحساسية في عناصر القياس البصرية.

الكاشف المعروض في هذه الصفحة من النوع النقطي: يجب أن يصل الغاز بالانتشار إلى منطقة القياس البصرية في الكاشف. ولهذا يُركَّب قرب مصادر التسرب المحتملة مثل الضواغط وموانع تسرب المضخات والشفات ومجموعات الصمامات. وللمراقبة المحيطية للمساحات الواسعة يمكن استخدامه مع كواشف الغاز ذات المسار المفتوح. أما الهيدروجين والغازات الأخرى التي لا تمتص الأشعة تحت الحمراء فلا يمكن قياسها بهذه الطريقة.

مبدأ عمل القياس النقطي للغاز بالأشعة تحت الحمراء

يحسب الكاشف التركيز بمقارنة امتصاص الغاز على امتداد المسار البصري عند طولين موجيين مختلفين. ويجري القياس وفق الخطوات الآتية:

1.    انتشار الغاز إلى منطقة القياس: يدخل غاز الوسط المحيط منطقة القياس البصرية بالانتشار عبر الدرع البيئي أو الغطاء البيئي. يحمي الدرع البيئي منطقة القياس من المطر والغبار وتيار الهواء المباشر، لكنه يطيل زمن الاستجابة قليلًا: إذ تبلغ قيمة T90 ‏2 s مع الدرع وأقل من 1 s دونه.

2.    تسخين الأسطح البصرية: تُسخَّن الأسطح البصرية كي لا تُربك الرطوبة والتكاثف مسار الضوء. ولهذا التصميم أهمية خاصة لاستمرارية القياس في المواقع البحرية والمواقع ذات الرطوبة المرتفعة.

3.    الامتصاص عند طول موجة القياس والطول الموجي المرجعي: في المجموعة البصرية المصنوعة بتقنية الحالة الصلبة، يمر الضوء الصادر عن مصدر IR عبر المسار البصري الذي يحتوي على الغاز ويصل إلى المستقبلات. يتطابق طول موجة القياس مع النطاق الذي تمتصه روابط C–H في الهيدروكربونات، بينما يقع الطول الموجي المرجعي في منطقة لا يتأثر فيها بالغاز. ومع ارتفاع تركيز الغاز تنخفض الإشارة في قناة القياس وحدها.

4.    حساب النسبة وتعويض درجة الحرارة: تعوّض النسبة بين القناتين إلى حد كبير التغيّرات التي تؤثر في القناتين معًا، مثل تقادم المصدر والاتساخ البصري ودرجة الحرارة. وتحوّل خوارزمية معوِّضة لدرجة الحرارة هذه النسبة إلى قيمة %LEL عبر منحنى المعايرة المحدد في المصنع.

5.    المراقبة الذاتية وإشارة الخرج: يتحقق الكاشف باستمرار وبشكل متقاطع من حالة مصادر IR والمستقبلات، ويطبّق تصحيحات داخلية عند الحاجة، ويتحقق من وظائفه الأساسية دون انقطاع. وتُنقل القيمة المقاسة عبر 4–20 mA وHART، ومعلومات الحالة عبر Modbus RTU على RS-485.

تطبيقات التركيب في المجاري

لنقاط القياس داخل المجاري مثل مجاري التهوية وخطوط سحب الهواء، تتوفر نسخ بمجس طويل بامتدادين 15 cm و35 cm. ويمكن تركيب هذه النسخ بمجموعات شفات مجارٍ من AISI 316 متوافقة مع DIN 150 وDIN 200 PN6 وJIS 150 وJIS 200 5K وJIS 105 10K، أو بمجموعة تثبيت بالمشابك من الفولاذ المقاوم للصدأ؛ ويمكن استخدام مجموعة منفصلة لاختبار الغاز مخصصة لشفة المجرى.

الاختبار الوظيفي دون غاز واختبار الاستجابة بالغاز

للفحوص الروتينية يساعد جهاز اختبار دون غاز يعطي ما يعادل 50% LEL للميثان على التحقق من سلسلة الإنذار دون إحضار غاز اختبار إلى الموقع. وعند الحاجة إلى اختبار وظيفي بالغاز (bump test) يمكن استخدام فوهة غاز الاختبار، أو جهاز محمول، أو مبيتات قصيرة أو متوسطة لاختبار الاستجابة، أو مجموعة لاختبار الاستجابة عن بُعد. وعدم وجود ضبط للمعايرة في الموقع لا يُلغي الحاجة إلى الاختبارات الوظيفية الدورية واختبارات الإثبات.

قد تختلف استجابة كاشف الغاز القابل للاشتعال بالأشعة تحت الحمراء للهيدروكربونات المختلفة عن استجابته لغاز المعايرة. وحيث توجد عدة أنواع من الغازات في المنشأة، ينبغي أن يراعي اختيار غاز المعايرة وعتبات الإنذار هذه الفروق؛ إذ يتحدد أداء الكشف بانتشار الغاز وبموقع الكاشف بالنسبة إلى مصدر التسرب.

الميزات الرئيسية

·         قياس بصري بطولين موجيين: يحدّ الاستخدام المشترك لطول موجة القياس والطول الموجي المرجعي من تأثير الاتساخ البصري وتقادم المصدر في القراءة.

·         دون ضبط للمعايرة في الموقع: يُعايَر الكاشف في المصنع، وتهدف آلية تحقق متقاطع داخلية إلى إبقاء المعايرة ضمن نطاق تفاوت ضيق، ولا يُجرى أي ضبط للمعايرة في الموقع.

·         فترة اختبار إثبات 5 سنوات: تساعد فترة اختبار الإثبات الطويلة على تبسيط تخطيط الصيانة لوظائف السلامة الآلية.

·         اختبار وظيفي دون غاز: يتيح جهاز اختبار مخصص إجراء الفحوص الوظيفية دون إحضار غاز اختبار إلى الموقع.

·         بصريات مسخّنة: يساعد طرد الرطوبة عن الأسطح البصرية على منع انحرافات القياس والأعطال المرتبطة بالتكاثف.

·         استجابة سريعة: يوفّر الكاشف زمن استجابة T90 = 2 s مع الدرع البيئي وT90 < 1 s دونه.

·         نطاق واسع للظروف المحيطة: يناسب التشغيل من –40 °C إلى +75 °C ونطاق الرطوبة النسبية 0–99% التركيبات الداخلية والخارجية.

·         تصميم مقاوم للاهتزاز: أكدت اختبارات الاهتزاز وفق IEC 60079-29 العمل ضمن التفاوت المحدد دون فقدان للوظيفة أو إشارات عطل أو إنذارات كاذبة.

·         مخارج متعددة ومؤشر حالة: يتوفر معًا خرج 4–20 mA قابل للتهيئة بنمط source أو sink، وHART، وRS-485 Modbus RTU، ومؤشر LED متعدد الألوان في مقدمة الكاشف.

·         حماية من أخطاء التوصيل: صُممت الإلكترونيات لتتحمل التشغيل مع عكس أسلاك الأطراف عن طريق الخطأ، ويُحدّ تيار الاندفاع عند 1 A.

·         خيارات مجس طويل للتركيب في المجاري: تتيح النسخ ذات الامتدادين 15 cm و35 cm التركيب بالشفات لقياس الغاز داخل المجاري.

المواصفات الفنية

فيما يلي بيانات فنية نموذجية لكاشف الغاز النقطي بالأشعة تحت الحمراء المعروض في هذه الصفحة. ويُحدَّد الغاز المستهدف والمعيار المرجعي لقيم LEL وتهيئة المخارج وخيار الاعتماد عند الطلب؛ ويجب تأكيد القيم النهائية للتهيئة المختارة.

يعتمد زمن الاستجابة على استخدام الدرع البيئي من عدمه؛ وفي التهيئة القطبية يكون استهلاك الطاقة أعلى ويطول بدء التشغيل تحت –20 °C. وتنطبق قيمة الدقة على غاز المعايرة؛ وقد تختلف القراءة مع الهيدروكربونات الأخرى.

المزايا الرئيسية

·         قياس مقاوم للتسمم: لأن القياس لا يعتمد على تفاعل حفزي عند السطح، فلا يوجد خطر فقدان الحساسية بفعل مواد مثل السيليكونات أو مركبات الكبريت التي قد تؤثر في الحساسات الحفزية.

·         عمل مستقل عن الأكسجين: لا يعتمد القياس البصري على مستوى الأكسجين المحيط، فيمكن أن يستمر قياس الغاز القابل للاشتعال في المناطق المغمورة بغاز خامل أو الفقيرة بالأكسجين.

·         عبء صيانة أقل: يقلّل غياب ضبط المعايرة في الموقع، وفترة اختبار الإثبات البالغة 5 سنوات، والاختبار الوظيفي دون غاز، من زمن الصيانة الميدانية ومن أعباء توفير غاز الاختبار.

·         إنذارات سريعة ومستقرة: يدعم زمن T90 القصير والقياس المعتمد على النسبة التعرّف المبكر على التسرب والتقييم المستقر لعتبات الإنذار.

·         تحمّل ظروف المواقع القاسية: يوفّر هيكل من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 وحماية IP66/IP67 وNEMA 4X والبصريات المسخّنة ومقاومة الاهتزاز بنية ملائمة للمنشآت البحرية والساحلية.

·         مراقبة الحالة عن بُعد: تساعد معلومات الحالة المنقولة عبر Modbus RTU المشغّلين على متابعة الكواشف من غرفة التحكم وتخطيط الصيانة وفق الحاجة الفعلية.

·         ملاءمة للسلامة الوظيفية: مع شهادة SIL 2 الاختيارية وفق IEC 61508 يمكن إدراج الكاشف في وظائف السلامة الآلية بعد التقييم، مع بقاء التحقق على مستوى الحلقة مطلوبًا.

مجالات التطبيق

تُستخدم كواشف الغاز النقطية بالأشعة تحت الحمراء للقياس قرب مصادر التسرب في المناطق الخطرة التي قد توجد فيها غازات هيدروكربونية:

منشآت النفط والغاز البرية والبحرية

مراقبة التسرب قرب الفواصل والضواغط ووحدات المضخات في منشآت المعالجة وعلى خطوط الأنابيب.

المنصات ووحدات FPSO وFLNG

توفّر قياسًا مستمرًا على وحدات الإنتاج والتسييل العائمة في ظروف الأملاح والاهتزاز، بدعم من البصريات المسخّنة والهيكل الفولاذي المقاوم للصدأ.

المصافي

تُستخدم في وحدات المعالجة لمراقبة تسربات الهيدروكربونات، وفي مقدمتها الميثان والبروبان، بمستوى %LEL.

مصانع الكيماويات والبتروكيماويات

تشكّل طبقة للكشف النقطي عن الغاز عند خطوط تغذية الغازات القابلة للاشتعال وحول المفاعلات وفي مباني الضواغط.

محطات توليد الطاقة

توفّر كشف التسرب في محطات إمداد الغاز الطبيعي وحجرات التوربينات الغازية ومناطق تجهيز الوقود، ويمكن استخدام النسخ المركّبة في المجاري على خطوط التهوية. أما قياس الأكسجين في غازات المداخن للتحكم في الاحتراق فيُعالَج كمتطلب منفصل عبر محللات الأكسجين الموضعية (In-Situ).

منشآت تخزين الخزانات والتفريغ

تُوضع قرب مصادر التسرب المحتملة حول الخزانات وفي غرف المضخات وعند نقاط التفريغ.

محطات تعبئة الغاز وتوزيعه

تُستخدم لمراقبة تسربات البروبان والميثان عند منصات التعبئة ومحطات الضواغط ومحطات تخفيض الضغط.

نقل الغاز وخطوط الأنابيب

توفّر الكشف النقطي عن الغاز في محطات الضواغط وغرف الصمامات ومحطات القياس.

كيف تختار كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء

تعتمد فعالية كاشف الغاز النقطي على قياس الغاز الصحيح في الموقع الصحيح. وقبل التقييم الفني ينبغي توضيح النقاط الآتية:

الغاز المستهدف ومتطلبات القياس

·         الهيدروكربون السائد في المنشأة واختيار غاز المعايرة: الميثان أو البروبان

·         عند وجود عدة هيدروكربونات: فروق الاستجابة مقارنة بغاز المعايرة

·         المعيار المرجعي لقيم LEL: ‏NFPA ‏(2017) أو IEC/ISO

·         معالجة المخاطر التي لا يمكن قياسها بطريقة IR، مثل الهيدروجين والغازات السامة، بتقنيات منفصلة

نقطة التركيب والملحقات

·         المسافة إلى مصدر التسرب وكثافة الغاز بالنسبة إلى الهواء — تركيب مرتفع للميثان الأخف من الهواء، وتركيب منخفض للبروبان الأثقل من الهواء

·         تركيب قائم بذاته أو تركيب في مجرى بامتداد 15 cm / 35 cm

·         الحاجة إلى مجموعة تركيب على عمود (2 بوصة أو 3–4 بوصات) أو مظلة شمسية أو شبكة واقية من الحشرات أو درع بيئي أو غطاء بيئي

·         استخدام مجموعة سحب العينة حيث يلزم أخذ العينات بالسحب

الظروف المحيطة

·         ما إذا كانت درجة الحرارة المحيطة تبقى ضمن النطاق من –40 إلى +75 °C

·         التهيئة القطبية للمناخات الباردة وزمن بدء التشغيل الأطول تحت –20 °C

·         اختيار الدرع البيئي بحسب التعرض للمطر والغبار والرياح المباشرة، وتأثيره في زمن الاستجابة

استراتيجية الاختبار والصيانة

·         مواءمة فترة اختبار الإثبات مع متطلبات السلامة

·         تفضيل جهاز اختبار دون غاز أو مجموعة اختبار استجابة عن بُعد أو مبيت لاختبار الاستجابة

·         الحاجة إلى شهادة معايرة

التكامل مع الأنظمة والاعتمادات

·         تهيئة خرج 4–20 mA بنمط source أو sink

·         الحاجة إلى مراقبة الحالة عبر HART وModbus RTU

·         اعتماد ATEX أو IECEx أو INMETRO أو اعتماد الولايات المتحدة–كندا للأغلفة المقاومة للانفجار بحسب بلد المشروع

·         اشتراط شهادة SIL 2

توفّر الكواشف النقطية حماية أشمل عندما تُخطَّط مع كواشف المسار المفتوح لمراقبة المساحات الواسعة، ومع كواشف اللهب IR3 أو كواشف اللهب UV/IR في المناطق المعرضة لخطر الحريق. وينبغي تقييم قياس LEL لأغراض السلامة بوصفه حاجة منفصلة عن أجهزة قياس العمليات مثل أجهزة الكروماتوغرافيا الغازية للعمليات أو أجهزة إرسال الأكسجين والغازات القابلة للاحتراق.

اعتمادات المناطق الخطرة ومعايير المطابقة

نسرد أدناه خيارات الاعتماد المتاحة عند الطلب ومعايير المطابقة المحددة لكاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء هذا.

يجب التأكد لكل مشروع من نسخ الشهادات السارية بشأن تفاصيل علامة المناطق الخطرة (مجموعة الغاز، فئة الحرارة) ونطاق أي اعتماد لأداء كشف الغاز. ولا تُورَّد شهادة المعايرة وشهادة SIL 2 افتراضيًا؛ وعند الحاجة إليهما يجب طلبهما بشكل منفصل مع الطلبية.

حلول TLY Enerji لكشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء

تعتمد فعالية كواشف الغاز النقطية على قياس الغاز الصحيح في الموقع الصحيح ووفق المرجع الصحيح. وفي المشاريع تراجع TLY Enerji أولًا مخزون الهيدروكربونات في المنشأة، ومصادر التسرب المحتملة، وكثافة الغازات بالنسبة إلى الهواء، والظروف المحيطة؛ وتبني على هذه البيانات اختيار غاز المعايرة والمعيار المرجعي لقيم LEL وملحقات التركيب وعناصر الحماية البيئية.

ونقدّم الدعم الهندسي في ربط مخارج 4–20 mA وHART وModbus RTU للكواشف بنظام التحكم في كشف الغاز أو PLC أو DCS، وإدخال مستويات الإنذار وحالات العطل في قائمة الإشارات، وتخطيط الفحوص الوظيفية بالغاز أثناء التشغيل التجريبي، وإعداد برامج اختبارات الإثبات واختبارات الاستجابة بالغاز. ويمكننا كذلك تقديم رأي فني لفرق المشاريع عند تقييم بدائل التوزيع التي تجمع بين الكواشف النقطية وكواشف المسار المفتوح.

الأسئلة الشائعة

ما هو كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء؟

كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء جهاز ثابت لكشف الغاز يعمل على مبدأ امتصاص الغازات الهيدروكربونية للأشعة تحت الحمراء عند أطوال موجية معينة، ويقيس تركيزها بوحدة %LEL. ولأنه يقيس الغاز في موقع تركيبه يُسمّى كاشفًا نقطيًا. ويُستخدم في منشآت النفط والغاز والكيماويات والطاقة والتخزين للتعرّف المبكر على تسربات الميثان أو البروبان.

ما الفرق بين كواشف الغاز IR والكواشف الحفزية؟

تحرق الحساسات الحفزية الغاز على سطح محفّز مسخَّن وتقيس التغيّر الناتج في درجة الحرارة، ولذلك تحتاج إلى الأكسجين وقد تتسمم ببعض المواد. أما كواشف الأشعة تحت الحمراء فتقيس امتصاص الغاز للضوء؛ فلا تحتاج إلى الأكسجين، ولا تتأثر بالتسمم، ولا تتعرض لفقدان دائم للحساسية عند التركيزات المرتفعة. في المقابل، لا تستطيع كشف الغازات التي لا تمتص الأشعة تحت الحمراء، مثل الهيدروجين.

هل يستطيع كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء كشف الهيدروجين؟

لا. لا يُظهر جزيء الهيدروجين امتصاصًا يُذكر في منطقة الأشعة تحت الحمراء، فلا يمكن قياسه بطريقة IR. والكاشف المعروض في هذه الصفحة يُهيّأ في المصنع للميثان أو البروبان ويستهدف الغازات الهيدروكربونية. وفي المناطق المعرضة لخطر تسرب الهيدروجين ينبغي تقييم تقنيات كشف أخرى؛ أما حرائق الهيدروجين فيمكن النظر بشكل منفصل في كواشف لهب مزودة بخاصية كشف حرائق الهيدروجين.

هل يحتاج كاشف الغاز بالأشعة تحت الحمراء إلى معايرة؟

يُعايَر الكاشف في المصنع، ولا يُجرى أي ضبط للمعايرة في الموقع. ويُتحقق باستمرار وبشكل متقاطع من مصادر IR والمستقبلات، مع تطبيق تصحيحات داخلية عند الحاجة. ومع ذلك يجب إجراء اختبارات وظيفية دورية بجهاز اختبار دون غاز أو بغاز اختبار للتحقق من وظيفة السلامة، كما ينبغي تخطيط اختبارات الإثبات على أساس الفترة البالغة 5 سنوات ومتطلبات السلامة في المنشأة.

ما زمن استجابة كاشف الغاز IR؟

يُحدَّد زمن الاستجابة بقيمة T90، ويبلغ ثانيتين مع الدرع البيئي وأقل من ثانية واحدة دونه. يحمي الدرع البيئي من المطر والغبار والرياح المباشرة، لكنه يبطئ وصول الغاز إلى منطقة القياس قليلًا. ولأن زمن الاستجابة لا يشمل الوقت الذي يحتاجه الغاز للوصول إلى الكاشف، فإن قرب نقطة التركيب من مصدر التسرب عامل حاسم في زمن الكشف الإجمالي.

على أي ارتفاع يُركّب كاشف الغاز؟

يعتمد ارتفاع التركيب على كثافة الغاز المستهدف بالنسبة إلى الهواء. فالميثان الأخف من الهواء يميل إلى التجمع فوق مصدر التسرب، بينما يتجمع البروبان الأثقل من الهواء قرب الأرض وفي الحفر. ويجب وضع الكاشف وفق هذا السلوك وقرب مصدر التسرب، مع مراعاة تيارات التهوية والعوائق وإمكانية الوصول للصيانة. ويُحدَّد التوزيع النهائي من خلال تقييم المخاطر في المنشأة.

كيف يعمل كاشف الغاز IR في المناخات الباردة؟

يمكن للكاشف العمل حتى –40 °C، وتمنع بصرياته المسخّنة تكوّن التكاثف على الأسطح البصرية. وفوق –20 °C يكون زمن بدء التشغيل أقل من دقيقتين، بينما قد يمتد في الظروف الأبرد إلى 20 دقيقة. وللمواقع شديدة البرودة يمكن اختيار التهيئة القطبية التي يقل متوسط استهلاكها للطاقة عن 5 W؛ ويجب تخطيط التغذية والتمديدات الكهربائية على أساس هذه القيمة.

ما المخارج التي يوفرها كاشف الغاز IR لنظام التحكم؟

تُنقل القيمة المقاسة عبر خرج تناظري 4–20 mA قابل للتهيئة بنمط source (افتراضيًا) أو sink، مع اتصال HART الرقمي على هذه الإشارة. ويمكن قراءة بيانات مراقبة الحالة عبر Modbus RTU من خلال المنفذ التسلسلي RS-485. ويُظهر مؤشر LED متعدد الألوان في مقدمة الكاشف الحالة سريعًا في الموقع، والإلكترونيات محمية من أخطاء التوصيل.