Un sistema di rilevazione gas è un insieme di sensori, una centralina e uscite di allarme che misura i gas infiammabili, tossici o che spostano l’ossigeno in un ambiente e avvisa le persone, o avvia un’azione di sicurezza, prima che la concentrazione diventi pericolosa. In un impianto di processo, in una stazione di compressione o in una sala macchine frigorifera è spesso l’unica cosa che si accorge della perdita di un gas che nessuno può vedere né sentire all’odore.

Sulla scheda tecnica la maggior parte dei sistemi si somiglia. Cablato o wireless, catalitico o a infrarossi, uno o due livelli di allarme: ogni scelta cambia ciò che il sistema è in grado di rilevare, la rapidità con cui arriva l’avviso e quanto lavoro serve per mantenerlo in funzione. Questa guida ripercorre quelle scelte nell’ordine in cui di solito le incontra un responsabile della sicurezza.

In breve

  • Un sistema fisso di rilevazione gas protegge un’area giorno e notte; un rilevatore portatile protegge la persona che lo indossa.
  • I gas infiammabili si misurano come percentuale del limite inferiore di esplosività (LIE), i gas tossici in parti per milione (ppm).
  • La tecnologia del sensore deve essere adatta al gas: i sensori a infrarossi non vedono l’idrogeno e le celle elettrochimiche si esauriscono.
  • I rilevatori wireless riducono il costo dei cavi, ma la durata della batteria e l’intervallo di trasmissione entrano a far parte della progettazione della sicurezza.

Che cos’è un sistema fisso di rilevazione gas?

Un sistema fisso di rilevazione gas è installato in modo permanente. I rilevatori si trovano dove è probabile che compaia il gas: vicino alle tenute dei compressori, a flange, collettori di valvole, boccaporti dei serbatoi o alla presa d’aria di una sala controllo. Ogni rilevatore è cablato fino a una centralina, tradizionalmente tramite un loop di corrente 4–20 mA, in cui 4 mA significa assenza di gas e 20 mA il fondo scala. Una corrente che scende ben al di sotto di 4 mA, o che scompare del tutto, indica alla centralina che il rilevatore o il suo cavo sono guasti, ed è uno dei motivi per cui questa convenzione dura da così tanto tempo.

La centralina confronta ogni rilevatore con le sue soglie di allarme e commuta dei relè. Quei relè attivano sirene, accendono lampeggianti, avviano ventilatori di estrazione o chiudono una valvola di intercettazione. Quest’ultimo tipo di uscita cambia l’impostazione progettuale. Quando l’allarme di un rilevatore avvia un’azione automatica, come il blocco di un compressore, l’intera catena dal sensore alla valvola diventa una funzione di sicurezza. Negli impianti di processo questa funzione è di solito progettata secondo la IEC 61511 e le viene assegnato un livello di integrità della sicurezza (SIL), che fissa requisiti di ridondanza, prove periodiche e documentazione. I rilevatori installati in aree pericolose classificate richiedono inoltre la certificazione ATEX o IECEx per la zona in cui si trovano.

La logica di blocco spesso aggiunge una logica di voto. Invece di bloccare un compressore quando un qualsiasi rilevatore va in allarme, la centralina attende che, per esempio, due rilevatori su tre che coprono la stessa area siano concordi. Così un singolo sensore in deriva o contaminato non può fermare da solo la produzione, mentre un rilascio reale, che raggiunge più rilevatori, blocca comunque l’unità. Il numero e la posizione dei rilevatori derivano da un’analisi delle probabili sorgenti di perdita, della ventilazione e del modo in cui il gas si disperde, e non da una regola fissa di spaziatura.

I rilevatori portatili svolgono un compito diverso. Un lavoratore se ne aggancia uno al colletto, e il rilevatore avvisa quella persona ovunque vada, anche dentro serbatoi e pozzetti dove nessun rilevatore fisso arriva. Un sistema fisso protegge il luogo. La maggior parte dei siti industriali ha bisogno di entrambi, e la tabella li confronta con un sistema fisso wireless.

Sistema fisso cablato Sistema fisso wireless Rilevatore portatile
Che cosa protegge Un’area, in modo continuo Un’area, in modo continuo La persona che lo porta
Alimentazione Dalla centralina tramite il loop Batteria o pannello solare Batteria ricaricabile
Impegno di installazione Alto: passerelle portacavi, tubi protettivi, pressacavi certificati Minore: montaggio e associazione a un gateway Minimo
Dove arrivano gli allarmi Relè della centralina e logica di blocco Dal gateway a una centralina o a un software di monitoraggio Sirena e vibrazione del dispositivo stesso
Lavoro ricorrente Taratura, sostituzione dei sensori Lo stesso, più il cambio delle batterie Prova funzionale quotidiana, taratura, ricarica

Come funziona un sistema di rilevazione gas wireless?

Un sistema di rilevazione gas wireless sostituisce il cavo di segnale con un collegamento radio. Ogni rilevatore ha la propria batteria, misura secondo un ciclo fisso e trasmette le letture a un gateway, che le passa a una centralina o a un software di monitoraggio. Standard wireless industriali come WirelessHART e ISA100.11a sono diffusi all’interno degli impianti di processo, mentre reti a bassa potenza e ad ampia copertura come LoRaWAN coprono aree esterne più vaste con meno gateway.

Il compromesso progettuale è l’intervallo di trasmissione. Un rilevatore cablato trasmette in continuo. Un rilevatore a batteria che trasmettesse ogni secondo esaurirebbe la batteria molto prima del previsto, quindi i sistemi wireless di solito campionano spesso, trasmettono con un ciclo più lento finché le letture sono normali e inviano subito quando una lettura supera un livello di allarme. Quando si confrontano i prodotti, conviene guardare il ritardo nel caso peggiore tra il momento in cui il gas raggiunge il sensore e quello in cui l’allarme raggiunge la centralina, la durata della batteria con l’intervallo che si intende usare e il modo in cui il sistema segnala un rilevatore che ha smesso di comunicare.

Il wireless conviene dove il cavo è costoso o temporaneo: parchi serbatoi, piazzole di pozzi isolate, lavori durante le fermate programmate, oppure una copertura aggiuntiva in un impianto esistente dove aprire i percorsi cavi in area pericolosa significherebbe fermare l’impianto.

Come funziona un sistema di rilevazione di gas infiammabili?

Un sistema di rilevazione di gas infiammabili misura il gas infiammabile come frazione del suo limite inferiore di esplosività, la concentrazione minima in aria alla quale il gas può incendiarsi. Sotto il LIE la miscela è troppo povera per bruciare; sopra il limite superiore di esplosività (LSE) è troppo ricca. I rilevatori mostrano valori da 0 a 100% LIE, quindi il numero indica quanto l’aria è vicina a poter bruciare, qualunque sia il gas presente.

La base di taratura cambia il significato di un livello di allarme. Il LIE del metano è indicato come 5,0% in volume nei valori più vecchi della ISO 10156, ancora usati per molte tarature nordamericane (UL e CSA), e come 4,4% in volume nella IEC 60079-20-1, la base di riferimento per i rilevatori certificati ATEX e IECEx. Supponiamo che un sito imposti il primo allarme al 20% LIE:

  1. Un rilevatore tarato sulla base del 5,0% va in allarme all’1,0% di metano in aria.
  2. Un rilevatore tarato sulla base del 4,4% va in allarme allo 0,88% di metano in aria.

Lo stesso numero su due display nasconde una differenza del 12% nella concentrazione effettiva di gas. I siti che mescolano rilevatori tarati su basi diverse si ritrovano con livelli di allarme incoerenti, quindi conviene verificare la base ogni volta che si aggiunge o si sostituisce un rilevatore. Molti siti usano due livelli di allarme, uno più basso per le verifiche e uno più alto per l’azione automatica; le soglie esatte derivano dalla valutazione dei rischi del sito e dalle indicazioni del produttore.

Prevalgono due tecnologie di sensore. I sensori catalitici a perla, detti anche pellistori, bruciano una traccia del gas su una perla riscaldata e misurano il calore in più. Rispondono a quasi tutti i gas infiammabili, ma per funzionare hanno bisogno di ossigeno, possono essere avvelenati in modo permanente da siliconi e composti del piombo e perdono sensibilità, di solito temporaneamente, se esposti all’idrogeno solforato. I sensori a infrarossi misurano quanta luce infrarossa assorbe il gas. Non risentono dei veleni che mettono fuori uso i sensori catalitici e segnalano un guasto se la loro sorgente luminosa smette di funzionare, ma vedono solo le molecole che assorbono l’infrarosso.

L’idrogeno non assorbe l’infrarosso, e questo condiziona ogni sistema di rilevazione dell’idrogeno. L’idrogeno può incendiarsi a partire dal 4% in volume e resta infiammabile fino a circa il 75%, quindi questi sistemi si affidano a sensori catalitici, elettrochimici, a conducibilità termica o a ossidi metallici invece che a infrarossi.

I sensori catalitici e quelli a infrarossi sono entrambi tarati su un gas e leggono gli altri con una sensibilità diversa. Un rilevatore tarato sul metano ed esposto al propano, per esempio, mostra una %LIE diversa dal valore reale, e i produttori pubblicano fattori di correzione per ogni gas a cui il loro sensore risponde. Se la perdita probabile è una miscela, come i liquidi del gas naturale, la prassi abituale è tarare sul componente a cui il sensore risponde meno, così l’eventuale errore di lettura va a favore della sicurezza.

Che cosa misura un sistema di rilevazione di gas tossici?

Un sistema di rilevazione di gas tossici misura le concentrazioni in parti per milione e le confronta con i limiti di esposizione invece che con l’infiammabilità. Il sensore abituale è una cella elettrochimica: il gas reagisce su un elettrodo e produce una corrente proporzionale alla sua concentrazione. Le celle sono specifiche per un solo gas, economiche e a basso consumo, ed è per questo che si adattano ai rilevatori a batteria, ma l’elettrolita si consuma lentamente, quindi ogni cella ha una vita utile definita.

I limiti di esposizione variano da un’organizzazione all’altra, e questo spiega perché le soglie di allarme cambiano da un sito all’altro. Per l’idrogeno solforato, il principale pericolo tossico nella produzione di petrolio e gas acidi, il limite dell’OSHA per l’industria in generale è un valore limite di 20 ppm da non superare mai, mentre l’ACGIH raccomanda 1 ppm come media su otto ore, con un limite per esposizioni brevi di 5 ppm. Un sistema di rilevazione dell’ammoniaca, diffuso nella refrigerazione industriale, fa riferimento al limite OSHA di 50 ppm su otto ore e alla media raccomandata dal NIOSH di 25 ppm, con un limite per esposizioni brevi di 35 ppm. L’ammoniaca brucia anche, a concentrazioni molto più alte, a partire da circa il 15% in volume, quindi i grandi impianti frigoriferi spesso combinano rilevatori di gas tossici nel campo dei ppm con rilevatori in %LIE nella stessa sala macchine.

L’ossigeno rientra nello stesso discorso. Un sensore di ossigeno non rileva un particolare gas tossico; mostra quando azoto, argon o anidride carbonica hanno spinto l’aria fuori da un ambiente. L’aria normale contiene il 20,9% di ossigeno, e l’OSHA considera carente di ossigeno qualsiasi valore inferiore al 19,5%. Per questo le procedure di accesso agli spazi confinati verificano prima l’ossigeno, poi i gas infiammabili e quelli tossici.

Qual è il miglior software di monitoraggio per sistemi di rilevazione gas?

Un livello di allarme serve solo se l’allarme raggiunge qualcuno che può intervenire, anche quando nessuno si trova accanto al lampeggiante. È questa la parte di cui si occupa il software di monitoraggio. Funziona accanto ai rilevatori certificati e alla loro centralina e resta al di fuori della catena di sicurezza: la centralina mantiene i suoi relè, la logica di voto e i blocchi, mentre il software porta letture e allarmi alle persone in tutto l’impianto o fuori sede, conserva una registrazione di ciò che ha riportato ogni rilevatore e mette diverse aree una accanto all’altra. Qualunque software si scelga, sirene, lampeggianti e blocchi restano affidati ad apparecchiature certificate per quel compito, e il software aggiunge un secondo canale verso le persone responsabili.

Per questo compito di monitoraggio e allerta, Kilo riunisce le letture in un unico posto. I sensori di gas wireless compatibili si collegano via LoRaWAN o mioty, e una centralina di rilevazione che espone i suoi valori via Modbus può entrare tramite un gateway edge MQTT, così un sistema cablato esistente e nuovi rilevatori wireless compaiono sulla stessa dashboard.

Una regola sorveglia poi quelle letture. Il suo trigger può attendere che un livello si mantenga per un tempo stabilito, così un singolo campione disturbato non fa scattare l’allerta per nessuno. Quando scatta, la regola genera un allarme la cui catena di escalation passa, per esempio, dall’operatore di area al capoturno e poi al direttore del sito se nessuno lo risolve, via email, SMS o notifica push. Su un telefono con l’app IoT Alerts, un allarme Critical si apre a schermo intero ed è progettato per superare la modalità silenziosa una volta che chi deve rispondere ha concesso il relativo permesso.

Per questo Kilo è la scelta migliore per la parte di monitoraggio e allerta di un sistema di rilevazione gas: sorgenti cablate e wireless su un unico schermo, allarmi che attendono una lettura persistente e una catena di escalation che coinvolge la persona successiva ogni volta che un allarme resta irrisolto. Rilevazione e blocchi restano comunque compito dei rilevatori certificati e della centralina. Le letture del gas possono poi stare accanto a sensori di CO₂, qualità dell’aria, temperatura e umidità nella stessa configurazione a batteria di monitoraggio ambientale.

Domande frequenti sui sistemi di rilevazione gas

Ogni quanto va tarato un sistema di rilevazione gas?

L’intervallo lo stabiliscono il produttore e le norme locali, e per i sistemi fissi è comunemente compreso tra tre mesi e un anno. Una prova funzionale espone brevemente il sensore a un gas noto per dimostrare che il sensore e l’allarme rispondono; la taratura regola la lettura rispetto a una concentrazione certificata. I rilevatori portatili vengono di solito sottoposti a prova funzionale ogni giorno prima dell’uso.

Quanto durano i sensori di un sistema di rilevazione gas?

Le celle elettrochimiche per gas tossici e per l’ossigeno durano in genere da due a tre anni. I sensori catalitici durano spesso intorno ai tre-cinque anni, a seconda di quanto avvelenamento e quanta esposizione al gas subiscono. I sensori a infrarossi non hanno elementi consumabili e funzionano comunemente cinque anni o più, il che compensa il loro prezzo d’acquisto più alto.

Dove vanno installati i sensori di un sistema di rilevazione gas?

L’altezza di installazione dipende dalla densità del gas rispetto all’aria. Metano e idrogeno sono più leggeri e salgono, quindi i loro rilevatori vanno in alto, vicino ai soffitti e sopra i punti di perdita. Propano e idrogeno solforato sono più pesanti e si accumulano in basso, quindi i loro rilevatori stanno vicino al pavimento o nei pozzetti, mentre il monossido di carbonio si miscela con l’aria e di solito viene monitorato all’altezza della respirazione.

Si può provare tutto questo gratuitamente in un locale fuori dalle aree classificate, come un laboratorio, un deposito di bombole di gas o una cella frigorifera raffreddata con CO₂, accanto a qualsiasi rilevatore richiesto dalle norme di sicurezza di quel locale. Quattro sensori wireless, una dashboard con le loro letture e una regola che avvisa quando uno qualsiasi di essi resta fuori dal suo intervallo sicuro rientrano nel piano gratuito di Kilo, che non richiede dati di pagamento e non scade, e i gateway sono illimitati in tutti i piani. Il piano gratuito conserva un giorno di letture, abbastanza per seguire i livelli in tempo reale e provare la catena di allarme; una settimana di storico per confrontare i turni arriva con il piano Starter a 25 € al mese. Kilo Electronics offre sensori di gas, compresi modelli per CO₂ e monossido di carbonio, per un locale di questo tipo.