ما هو نظام كشف الغاز وكيف يعمل؟

نظام كشف الغاز مجموعة من المستشعرات ووحدة تحكم ومخارج إنذار، يقيس الغازات القابلة للاشتعال أو السامة أو المزيحة للأكسجين في مكان ما، ويحذّر الناس، أو يبدأ إجراء سلامة، قبل أن يصبح التركيز خطرًا. وفي مصنع معالجة، أو محطة ضواغط، أو غرفة آلات تبريد، كثيرًا ما يكون هذا النظام الشيء الوحيد الذي يلاحظ تسرب غاز لا يستطيع أحد رؤيته أو شمّه.

وعلى ورقة البيانات الفنية، تبدو معظم الأنظمة متشابهة. سلكي أم لاسلكي، تحفيزي أم بالأشعة تحت الحمراء، مستوى إنذار واحد أم مستويان: كل خيار من هذه يغيّر ما يستطيع النظام رصده، ومدى سرعة وصول التحذير، ومقدار العمل اللازم لإبقائه في الخدمة. ويستعرض هذا الدليل تلك الخيارات بالترتيب الذي يواجهها به مسؤول السلامة عادةً.

باختصار

يحمي نظام كشف الغاز الثابت منطقة واحدة على مدار الساعة؛ أما الكاشف المحمول فيحمي الشخص الذي يرتديه.
تُقاس الغازات القابلة للاحتراق كنسبة مئوية من الحد الأدنى للانفجار (LEL)، والغازات السامة بأجزاء في المليون (ppm).
يجب أن تتوافق تقنية المستشعر مع الغاز: فمستشعرات الأشعة تحت الحمراء لا ترى الهيدروجين، والخلايا الكهروكيميائية تُستهلك مع الوقت.
تخفض الكواشف اللاسلكية تكلفة الكابلات، لكن عمر البطارية وفترة الإبلاغ يصبحان جزءًا من تصميم السلامة.

ما هو نظام كشف الغاز الثابت؟

نظام كشف الغاز الثابت مركّب بشكل دائم. فرؤوس الكواشف توضع حيث يُرجّح ظهور الغاز: بجوار موانع تسرب الضواغط، والفلنجات، ومجمّعات الصمامات، وفتحات الخزانات، أو مدخل هواء غرفة التحكم. ويُوصل كل رأس بالأسلاك إلى وحدة تحكم، تقليديًا عبر حلقة تيار 4–20 mA، حيث تعني 4 mA عدم وجود غاز، وتعني 20 mA الحد الأعلى لنطاق القياس. والتيار الذي ينخفض إلى ما دون 4 mA بكثير، أو ينقطع تمامًا، يخبر وحدة التحكم بأن في الرأس أو كابله عطلًا، وهذا أحد أسباب بقاء هذا الاصطلاح معتمدًا كل هذه المدة.

وتقارن وحدة التحكم كل كاشف بنقاط ضبط الإنذار الخاصة به وتبدّل حالة المرحّلات. وهذه المرحّلات تُطلق الصفارات، وتضيء المنارات الضوئية، وتشغّل مراوح الشفط، أو تغلق صمام الإغلاق. وهذا النوع الأخير من المخارج يغيّر طبيعة العمل الهندسي. فعندما يُطلق إنذار كاشفٍ إجراءً تلقائيًا، مثل فصل ضاغط، تصبح السلسلة كلها من المستشعر إلى الصمام وظيفة سلامة. وفي مصانع المعالجة، تُصمَّم هذه الوظيفة عادةً وفق IEC 61511 ويُحدَّد لها مستوى تكامل السلامة (SIL)، الذي يضع متطلبات للتكرار الاحتياطي واختبارات الإثبات والتوثيق. كما تحتاج الكواشف المركّبة في المناطق الخطرة المصنفة إلى اعتماد ATEX أو IECEx للمنطقة التي توضع فيها.

وكثيرًا ما يضيف منطق الإيقاف آلية تصويت. فبدلًا من فصل الضاغط حين يُطلق أي رأس منفرد إنذارًا، تنتظر وحدة التحكم حتى يتفق، مثلًا، كاشفان من ثلاثة كواشف تغطي المنطقة نفسها. وعندئذ لا يستطيع مستشعر واحد منحرف القراءة أو ملوّث أن يوقف الإنتاج بمفرده، بينما يظل التسرب الحقيقي، الذي يصل إلى عدة رؤوس، يفصل الوحدة. ويُحدَّد عدد الرؤوس ومواضعها بمراجعة لمصادر التسرب المحتملة والتهوية وطريقة انتشار الغاز، لا بقاعدة تباعد ثابتة.

أما الكواشف المحمولة فتؤدي مهمة مختلفة. فالعامل يثبّت أحدها على ياقته، فيحذّره أينما ذهب، بما في ذلك داخل الخزانات والحفر التي لا يصل إليها أي رأس ثابت. أما النظام الثابت فيحمي المكان. ومعظم المواقع الصناعية تحتاج إلى الاثنين، ويقارن الجدول بينهما وبين نظام ثابت لاسلكي.

	نظام ثابت سلكي	نظام ثابت لاسلكي	كاشف محمول
ما يحميه	منطقة واحدة، باستمرار	منطقة واحدة، باستمرار	الشخص الذي يحمله
التغذية بالطاقة	من وحدة التحكم عبر الحلقة	بطارية أو طاقة شمسية	بطارية قابلة لإعادة الشحن
جهد التركيب	مرتفع: مجاري كابلات، وأنابيب حماية، ومداخل كابلات معتمدة	أقل: تثبيت ثم إقران مع بوابة	في حده الأدنى
إلى أين تذهب الإنذارات	مرحّلات وحدة التحكم ومنطق الإيقاف	من البوابة إلى وحدة تحكم أو برمجيات مراقبة	صفارة الجهاز نفسه واهتزازه
العمل المتكرر	المعايرة، واستبدال المستشعر	الشيء نفسه، إضافة إلى تغيير البطاريات	اختبار استجابة يومي، ومعايرة، وشحن

كيف يعمل نظام كشف الغاز اللاسلكي؟

يستبدل نظام كشف الغاز اللاسلكي كابل الإشارة بوصلة راديو. فكل كاشف يحمل بطاريته الخاصة، ويقيس وفق دورة ثابتة، ويرسل القراءات إلى بوابة تمررها إلى وحدة تحكم أو إلى برمجيات مراقبة. وتنتشر المعايير اللاسلكية الصناعية مثل WirelessHART وISA100.11a داخل مصانع المعالجة، بينما تغطي الشبكات واسعة النطاق منخفضة الطاقة مثل LoRaWAN مساحات خارجية أكبر ببوابات أقل.

والمفاضلة في التصميم تكمن في فترة الإبلاغ. فالكاشف السلكي يبلّغ باستمرار. أما الكاشف العامل بالبطارية الذي يرسل كل ثانية فسيستنزف بطاريته قبل الموعد المخطط بكثير، لذا تأخذ التصاميم اللاسلكية عادةً عينات متقاربة، وترسل على دورة أبطأ ما دامت القراءات طبيعية، وترسل فورًا عندما تتجاوز قراءة مستوى إنذار. وعند مقارنة المنتجات، ابحث عن أسوأ تأخير ممكن بين وصول الغاز إلى المستشعر ووصول الإنذار إلى وحدة التحكم، وعن عمر البطارية عند الفترة التي تخطط لاستخدامها، وعن طريقة إبلاغ النظام عن كاشف توقف عن الاتصال.

ويؤتي النظام اللاسلكي ثماره حيث تكون الكابلات مكلفة أو مؤقتة: مزارع الخزانات، ومنصات الآبار النائية، وأعمال التوقف الدوري الشامل للصيانة، أو التغطية الإضافية في مصنع قائم حيث يعني فتح مسارات كابلات المناطق الخطرة إيقاف التشغيل.

كيف يعمل نظام كشف الغازات القابلة للاحتراق؟

يقيس نظام كشف الغازات القابلة للاحتراق الغاز القابل للاشتعال كنسبة من حده الأدنى للانفجار، أي أدنى تركيز في الهواء يمكن أن يشتعل. فتحت الحد الأدنى للانفجار يكون الخليط أفقر من أن يحترق؛ وفوق الحد الأعلى للانفجار يكون أغنى من أن يحترق. وتعرض الكواشف القيمة من 0 إلى 100% LEL، فيخبرك الرقم بمدى قرب الهواء من الاشتعال، أيًا كان الغاز الموجود.

وأساس المعايرة يغيّر معنى مستوى الإنذار. فالحد الأدنى لانفجار الميثان مدرج على أنه 5.0% بالحجم في قيم ISO 10156 الأقدم، التي لا تزال مستخدمة في كثير من المعايرات في أمريكا الشمالية (UL وCSA)، وعلى أنه 4.4% بالحجم في IEC 60079-20-1، وهو الأساس الذي تقوم عليه الكواشف الحاصلة على اعتماد ATEX وIECEx. لنفترض أن موقعًا يضبط إنذاره الأول عند 20% LEL:

الكاشف المعايَر على أساس 5.0% يُطلق الإنذار عند 1.0% ميثان في الهواء.
الكاشف المعايَر على أساس 4.4% يُطلق الإنذار عند 0.88% ميثان في الهواء.

فالرقم نفسه على شاشتين يخفي فرقًا بنسبة 12% في تركيز الغاز الفعلي. والمواقع التي تخلط رؤوسًا معايَرة على أسس مختلفة ينتهي بها الأمر إلى مستويات إنذار غير متسقة، لذا يستحق الأساس التحقق منه كلما أُضيف رأس أو استُبدل. وتعتمد مواقع كثيرة مستويي إنذار، أدنى للتحقيق وأعلى للإجراء التلقائي؛ وتأتي نقاط الضبط الدقيقة من تقييم المخاطر في الموقع ومن إرشادات الشركة المصنعة.

وتهيمن تقنيتان على المستشعرات. فمستشعرات الحبيبات التحفيزية، وتُسمّى أيضًا البليستورات، تحرق أثرًا ضئيلًا من الغاز على حبيبة ساخنة وتقيس الحرارة الإضافية. وهي تستجيب لكل غاز قابل للاشتعال تقريبًا، لكنها تحتاج إلى الأكسجين كي تعمل، ويمكن أن تتسمم تسممًا دائمًا بالسيليكونات ومركبات الرصاص، وتفقد حساسيتها، مؤقتًا في العادة، عند تعرضها لكبريتيد الهيدروجين. أما مستشعرات الأشعة تحت الحمراء فتقيس مقدار ما يمتصه الغاز من الأشعة تحت الحمراء. وهي لا تتأثر بالسموم التي تعطّل الحبيبات التحفيزية، وتبلّغ عن عطل إذا تعطل مصدر ضوئها، لكنها لا ترى إلا الجزيئات التي تمتص الأشعة تحت الحمراء.

والهيدروجين لا يمتص الأشعة تحت الحمراء، وهذا ما يحدد شكل كل نظام لكشف الهيدروجين. فالهيدروجين يشتعل ابتداءً من 4% بالحجم ويبقى قابلًا للاشتعال حتى نحو 75%، لذا تعتمد هذه الأنظمة على المستشعرات التحفيزية أو الكهروكيميائية أو مستشعرات التوصيل الحراري أو أكاسيد المعادن بدلًا من الأشعة تحت الحمراء.

وتُعايَر المستشعرات التحفيزية ومستشعرات الأشعة تحت الحمراء كلتاهما على غاز واحد، وتقرأ الغازات الأخرى بحساسية مختلفة. فالكاشف المعايَر على الميثان، مثلًا، إذا تعرض للبروبان يُظهر قيمة %LEL مختلفة عن القيمة الحقيقية، وتنشر الشركات المصنعة معاملات تصحيح لكل غاز يستجيب له مستشعرها. وإذا كان التسرب المحتمل خليطًا، مثل سوائل الغاز الطبيعي، فالممارسة المعتادة هي المعايرة على المكوّن الذي يستجيب له المستشعر بأضعف درجة، لتميل القراءة إلى جانب الأمان.

ماذا يقيس نظام كشف الغازات السامة؟

يقيس نظام كشف الغازات السامة التراكيز بأجزاء في المليون ويقارنها بحدود التعرض لا بقابلية الاشتعال. والمستشعر المعتاد هو الخلية الكهروكيميائية: يتفاعل الغاز عند قطب كهربائي وينتج تيارًا يتناسب مع تركيزه. والخلايا خاصة بغاز واحد، وزهيدة الثمن، ومنخفضة استهلاك الطاقة، ولذلك تناسب الكواشف العاملة بالبطاريات، لكن الإلكتروليت يُستهلك ببطء، فيكون لكل خلية عمر خدمة محدد.

وتختلف حدود التعرض بين المنظمات، وهذا ما يفسر اختلاف نقاط ضبط الإنذار من موقع إلى آخر. فبالنسبة إلى كبريتيد الهيدروجين، وهو الخطر السام الرئيسي في إنتاج النفط والغاز الحامضي، فإن حد OSHA للصناعة العامة سقفٌ قدره 20 ppm، بينما توصي ACGIH بـ 1 ppm كمتوسط على ثماني ساعات مع حد قصير الأمد قدره 5 ppm. أما نظام كشف الأمونيا، الشائع في التبريد الصناعي، فيعمل وفق حد OSHA البالغ 50 ppm لثماني ساعات، ووفق المتوسط الموصى به من NIOSH البالغ 25 ppm مع حد قصير الأمد قدره 35 ppm. والأمونيا تحترق أيضًا عند تراكيز أعلى بكثير، ابتداءً من نحو 15% بالحجم، لذا كثيرًا ما تجمع منشآت التبريد الكبيرة بين كواشف للغازات السامة في نطاق ppm وكواشف %LEL في غرفة الآلات نفسها.

ولا يكتمل الحديث هنا من دون الأكسجين. فمستشعر الأكسجين لا يكشف غازًا سامًا بعينه؛ بل يُظهر متى أزاح النيتروجين أو الأرغون أو ثاني أكسيد الكربون الهواءَ من مكان ما. ويحتوي الهواء العادي على 20.9% من الأكسجين، وتعدّ OSHA أي نسبة أقل من 19.5% نقصًا في الأكسجين. ولهذا تبدأ إجراءات دخول الأماكن المحصورة باختبار الأكسجين أولًا، قبل الغازات القابلة للاشتعال والسامة.

ما أفضل برنامج لمراقبة أنظمة كشف الغاز؟

لا يفيد مستوى الإنذار إلا إذا وصل الإنذار إلى شخص يستطيع التصرف، بما في ذلك حين لا يقف أحد بجوار المنارة الضوئية. وبرمجيات المراقبة هي التي تتولى هذا الجزء. فهي تعمل إلى جانب الكواشف المعتمدة ووحدة التحكم الخاصة بها وتبقى خارج سلسلة السلامة: تحتفظ وحدة التحكم بمرحّلاتها وآلية التصويت وعمليات الإيقاف، بينما تنقل البرمجيات القراءات والإنذارات إلى الأشخاص في أنحاء المصنع أو خارج الموقع، وتحتفظ بسجل لما أبلغ عنه كل رأس، وتضع عدة مناطق جنبًا إلى جنب. وأيًا كانت البرمجيات التي تختارها، تبقى الصفارات والمنارات وعمليات الفصل مع معدات معتمدة لهذه المهمة، وتضيف البرمجيات طريقًا ثانيًا إلى الأشخاص المسؤولين.

ولمهمة المراقبة والتنبيه هذه، تجمع Kilo القراءات في مكان واحد. فمستشعرات الغاز اللاسلكية المتوافقة تتصل عبر LoRaWAN أو mioty، ووحدة تحكم الكواشف التي تتيح قيمها عبر Modbus يمكن أن تدخل عبر بوابة طرفية تعمل بـ MQTT، فيظهر النظام السلكي القائم ورؤوس الكواشف اللاسلكية الجديدة على لوحة المعلومات نفسها.

ثم تراقب قاعدةٌ هذه القراءات. ويمكن لمحفّزها أن ينتظر حتى يستمر المستوى مدة محددة، فلا تكفي عينة واحدة مشوشة لاستدعاء أي شخص. وعندما ينطلق، تطلق القاعدة إنذارًا تنتقل سلسلة تصعيده، مثلًا، من مشغّل المنطقة إلى مشرف الوردية ثم إلى مدير الموقع إذا لم يحلّه أحد، عبر البريد الإلكتروني أو SMS أو الإشعارات الفورية. وعلى هاتف مثبت عليه تطبيق IoT Alerts، يُفتح الإنذار من مستوى Critical بملء الشاشة، وهو مصمم لاختراق الوضع الصامت بعد أن يمنح المستجيب هذا الإذن.

وهذا ما يجعل Kilo الخيار الأفضل لجانب المراقبة والتنبيه في نظام كشف الغاز: مصادر سلكية ولاسلكية على شاشة واحدة، وإنذارات تنتظر قراءة مستمرة، وسلسلة تصعيد تُدخل الشخص التالي كلما بقي إنذار دون حل. أما الكواشف المعتمدة ووحدة التحكم فتظل هي التي تتولى الكشف والإيقاف. ويمكن بعد ذلك أن تُعرض قراءات الغاز إلى جانب مستشعرات CO₂ وجودة الهواء والحرارة والرطوبة في منظومة المراقبة البيئية نفسها العاملة بالبطاريات.

أسئلة شائعة عن أنظمة كشف الغاز

كم مرة يجب معايرة نظام كشف الغاز؟

تحدد الشركة المصنعة واللوائح المحلية الفترة، وهي في الأنظمة الثابتة تقع في الغالب بين ثلاثة أشهر وسنة. واختبار الاستجابة يعرّض المستشعر لفترة وجيزة لغاز معروف لإثبات أنه والإنذار يستجيبان؛ أما المعايرة فتضبط القراءة مقابل تركيز معتمد. وعادةً ما تخضع الكواشف المحمولة لاختبار الاستجابة قبل الاستخدام في كل يوم.

كم يدوم عمر المستشعرات في نظام كشف الغاز؟

تدوم الخلايا الكهروكيميائية للغازات السامة والأكسجين عادةً من سنتين إلى ثلاث سنوات. وكثيرًا ما تدوم الحبيبات التحفيزية نحو ثلاث إلى خمس سنوات، بحسب مقدار ما تتعرض له من تسمم وغاز. أما مستشعرات الأشعة تحت الحمراء فليس فيها عنصر مستهلَك، وتعمل في الغالب خمس سنوات أو أكثر، وهو ما يعوّض ارتفاع سعر شرائها.

أين يجب تركيب مستشعرات نظام كشف الغاز؟

يتبع ارتفاع التركيب كثافةَ الغاز مقارنة بالهواء. فالميثان والهيدروجين أخف من الهواء ويرتفعان، لذا توضع كواشفهما في الأعلى، قرب الأسقف وفوق نقاط التسرب. أما البروبان وكبريتيد الهيدروجين فأثقل من الهواء ويتجمعان في الأسفل، لذا توضع كواشفهما قرب الأرضية أو في الحفر، بينما يختلط أول أكسيد الكربون بالهواء ويُراقب عادةً عند مستوى التنفس.

يمكنك تجربة ذلك مجانًا في غرفة خارج المناطق المصنفة، مثل مختبر، أو مخزن أسطوانات غاز، أو غرفة تبريد تُبرَّد بثاني أكسيد الكربون، إلى جانب أي كاشف تفرضه قواعد السلامة الخاصة بتلك الغرفة. فأربعة مستشعرات لاسلكية، ولوحة معلومات واحدة تعرض قراءاتها، وقاعدة واحدة تنبّه عندما يبقى أي منها خارج نطاقه الآمن، كلها تدخل ضمن الخطة المجانية في Kilo، التي لا تحتاج إلى بيانات دفع ولا تنتهي صلاحيتها، والبوابات غير محدودة في كل الخطط. وتحتفظ الخطة المجانية بقراءات يوم واحد، وهذا يكفي لمتابعة المستويات المباشرة واختبار سلسلة الإنذار؛ أما سجل الأسبوع لمقارنة الورديات فيأتي مع خطة Starter بسعر 25 يورو شهريًا. وتوفر Kilo Electronics مستشعرات غاز، منها طرازات لثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون، لهذا النوع من الغرف.