Um sistema de detecção de gás é um conjunto de sensores, uma controladora e saídas de alarme que mede gases inflamáveis, tóxicos ou que deslocam o oxigênio em um ambiente e avisa as pessoas, ou inicia uma ação de segurança, antes que a concentração se torne perigosa. Em uma planta de processo, uma estação de compressão ou uma casa de máquinas de refrigeração, muitas vezes ele é a única coisa que percebe o vazamento de um gás que ninguém consegue ver nem sentir pelo cheiro.

Na folha de dados, a maioria dos sistemas parece igual. Cabeado ou sem fio, catalítico ou infravermelho, um nível de alarme ou dois: cada escolha muda o que o sistema consegue detectar, a rapidez com que o aviso chega e quanto trabalho dá para mantê-lo funcionando. Este guia percorre essas escolhas na ordem em que um responsável pela segurança costuma encontrá-las.

O essencial

  • Um sistema fixo de detecção de gás protege uma área ininterruptamente; um detector portátil protege a pessoa que o usa.
  • Gases combustíveis são medidos como porcentagem do limite inferior de explosividade (LIE); gases tóxicos, em partes por milhão (ppm).
  • A tecnologia do sensor precisa ser adequada ao gás: sensores infravermelhos não enxergam hidrogênio, e as células eletroquímicas se desgastam.
  • Detectores sem fio reduzem o custo de cabeamento, mas a duração da bateria e o intervalo de transmissão passam a fazer parte do projeto de segurança.

O que é um sistema fixo de detecção de gás?

Um sistema fixo de detecção de gás fica instalado de forma permanente. Os detectores ficam onde o gás tem mais probabilidade de aparecer: junto a selos de compressores, flanges, blocos de válvulas, escotilhas de tanques ou a tomada de ar de uma sala de controle. Cada detector é ligado por cabo a uma controladora, tradicionalmente por uma malha de corrente de 4–20 mA, em que 4 mA significa ausência de gás e 20 mA significa o topo da faixa de medição. Uma corrente que cai bem abaixo de 4 mA, ou desaparece por completo, indica à controladora que o detector ou o cabo dele está com falha, e esse é um dos motivos de a convenção ter durado tanto.

A controladora compara cada detector com os pontos de ajuste de alarme dele e aciona relés. Esses relés tocam sirenes, acendem sinalizadores luminosos, ligam exaustores ou fecham uma válvula de bloqueio. Esse último tipo de saída muda a engenharia. Quando o alarme de um detector dispara uma ação automática, como o desarme de um compressor, toda a cadeia do sensor à válvula passa a ser uma função de segurança. Em plantas de processo, essa função geralmente é projetada conforme a IEC 61511 e recebe um nível de integridade de segurança (SIL), que define requisitos de redundância, testes de prova e documentação. Detectores instalados em áreas classificadas também precisam de certificação ATEX ou IECEx para a zona em que ficam.

A lógica de parada muitas vezes inclui votação. Em vez de desarmar um compressor quando qualquer detector isolado entra em alarme, a controladora espera até que, por exemplo, dois de três detectores que cobrem a mesma área concordem. Assim, um sensor com deriva ou contaminado não consegue parar a produção sozinho, enquanto um vazamento real, que atinge vários detectores, continua desarmando a unidade. A quantidade e a posição dos detectores vêm de uma análise das fontes prováveis de vazamento, da ventilação e da forma como o gás se dispersa, e não de uma regra fixa de espaçamento.

Detectores portáteis fazem outro trabalho. O trabalhador prende um na gola, e ele avisa essa pessoa aonde quer que ela vá, inclusive dentro de tanques e poços aonde nenhum detector fixo chega. Um sistema fixo protege o lugar. A maioria das instalações industriais precisa dos dois, e a tabela os compara com um sistema fixo sem fio.

Sistema fixo cabeado Sistema fixo sem fio Detector portátil
O que protege Uma área, continuamente Uma área, continuamente A pessoa que o carrega
Alimentação Pela controladora, através da malha Bateria ou energia solar Bateria recarregável
Esforço de instalação Alto: eletrocalhas, eletrodutos, prensa-cabos certificados Menor: fixar e parear com um gateway Mínimo
Para onde vão os alarmes Relés da controladora e lógica de parada Do gateway para uma controladora ou um software de monitoramento Sirene e vibração do próprio aparelho
Trabalho recorrente Calibração, troca de sensores O mesmo, mais trocas de bateria Teste de resposta diário, calibração, recarga

Como funciona um sistema de detecção de gás sem fio?

Um sistema de detecção de gás sem fio substitui o cabo de sinal por um enlace de rádio. Cada detector tem a própria bateria, mede em um ciclo fixo e transmite as leituras a um gateway, que as repassa a uma controladora ou a um software de monitoramento. Padrões industriais sem fio como WirelessHART e ISA100.11a são comuns dentro de plantas de processo, enquanto redes de longa distância e baixo consumo como a LoRaWAN cobrem áreas externas maiores com menos gateways.

O compromisso de projeto está no intervalo de transmissão. Um detector cabeado informa continuamente. Um detector a bateria que transmitisse a cada segundo esgotaria a bateria muito antes do previsto, por isso os projetos sem fio costumam medir com frequência, transmitir em um ciclo mais lento enquanto as leituras estão normais e enviar na hora quando uma leitura ultrapassa um nível de alarme. Ao comparar produtos, procure o atraso no pior caso entre o gás chegar ao sensor e o alarme chegar à controladora, a duração da bateria no intervalo que você pretende usar e como o sistema informa um detector que parou de se comunicar.

A detecção sem fio compensa onde o cabo é caro ou temporário: parques de tanques, locações de poços remotas, serviços de parada programada ou cobertura extra em uma planta existente em que abrir os encaminhamentos de cabos em área classificada significaria parar a planta.

Como funciona um sistema de detecção de gases combustíveis?

Um sistema de detecção de gases combustíveis mede o gás inflamável como fração do seu limite inferior de explosividade, a menor concentração no ar capaz de entrar em ignição. Abaixo do LIE, a mistura é pobre demais para queimar; acima do limite superior de explosividade (LSE), é rica demais. Os detectores mostram uma escala de 0–100% LIE, então o número indica quão perto o ar está de queimar, seja qual for o gás presente.

A base de calibração muda o que um nível de alarme significa. O LIE do metano aparece como 5,0% em volume nos valores mais antigos da ISO 10156, ainda usados em muitas calibrações norte-americanas (UL e CSA), e como 4,4% em volume na IEC 60079-20-1, a base dos detectores com certificação ATEX e IECEx. Suponha que uma instalação defina o primeiro alarme em 20% do LIE:

  1. Um detector calibrado na base de 5,0% entra em alarme com 1,0% de metano no ar.
  2. Um detector calibrado na base de 4,4% entra em alarme com 0,88% de metano no ar.

O mesmo número em duas telas esconde uma diferença de 12% na concentração real de gás. Instalações que misturam detectores calibrados em bases diferentes acabam com níveis de alarme inconsistentes, então vale conferir a base sempre que um detector é acrescentado ou substituído. Muitas instalações trabalham com dois níveis de alarme, um mais baixo para investigação e um mais alto para ação automática; os pontos de ajuste exatos vêm da análise de riscos da instalação e das orientações do fabricante.

Duas tecnologias de sensor predominam. Os sensores catalíticos, também chamados de pelistores, queimam uma pequena quantidade do gás sobre uma pérola aquecida e medem o calor extra. Eles respondem a quase todos os gases inflamáveis, mas precisam de oxigênio para funcionar, podem ser envenenados de forma permanente por silicones e compostos de chumbo e perdem sensibilidade, geralmente de forma temporária, quando expostos ao sulfeto de hidrogênio. Os sensores infravermelhos medem quanto da luz infravermelha o gás absorve. Eles não são afetados pelos venenos que inutilizam as pérolas catalíticas e indicam falha se a fonte de luz deixar de funcionar, mas só enxergam moléculas que absorvem infravermelho.

O hidrogênio não absorve infravermelho, e isso define todo sistema de detecção de hidrogênio. O hidrogênio entra em ignição a partir de 4% em volume e continua inflamável até cerca de 75%, por isso esses sistemas usam sensores catalíticos, eletroquímicos, de condutividade térmica ou de óxido metálico em vez de infravermelho.

Tanto os sensores catalíticos quanto os infravermelhos são calibrados com um gás e leem os outros com uma sensibilidade diferente. Um detector calibrado com metano e exposto a propano, por exemplo, mostra um %LIE diferente do valor real, e os fabricantes publicam fatores de correção para cada gás a que o sensor responde. Se o vazamento provável for uma mistura, como líquidos de gás natural, a prática habitual é calibrar com o componente ao qual o sensor responde menos, para que a leitura erre para o lado seguro.

O que um sistema de detecção de gases tóxicos mede?

Um sistema de detecção de gases tóxicos mede concentrações em partes por milhão e as compara com limites de exposição, e não com a inflamabilidade. O sensor habitual é a célula eletroquímica: o gás reage em um eletrodo e produz uma corrente proporcional à sua concentração. As células são específicas para um gás, baratas e de baixo consumo, o que as torna adequadas a detectores a bateria, mas o eletrólito é consumido aos poucos, então cada célula tem uma vida útil definida.

Os limites de exposição variam entre organizações, e isso explica por que os pontos de ajuste de alarme mudam de uma instalação para outra. Para o sulfeto de hidrogênio, o principal risco tóxico na produção de petróleo e gás ácidos, o limite da OSHA para a indústria em geral é um valor teto de 20 ppm, enquanto a ACGIH recomenda 1 ppm como média de oito horas, com um limite de curta duração de 5 ppm. Um sistema de detecção de amônia, comum na refrigeração industrial, trabalha com o limite de oito horas de 50 ppm da OSHA e com a média recomendada de 25 ppm do NIOSH, com limite de curta duração de 35 ppm. A amônia também queima em concentrações muito mais altas, a partir de cerca de 15% em volume, por isso grandes instalações de refrigeração muitas vezes combinam, na mesma casa de máquinas, detectores de gases tóxicos na faixa de ppm com detectores de %LIE.

O oxigênio também faz parte desse assunto. Um sensor de oxigênio não detecta um gás tóxico específico; ele mostra quando nitrogênio, argônio ou dióxido de carbono expulsaram o ar de um ambiente. O ar normal contém 20,9% de oxigênio, e a OSHA considera deficiente em oxigênio qualquer atmosfera abaixo de 19,5%. É por isso que os procedimentos de entrada em espaço confinado testam primeiro o oxigênio, antes dos inflamáveis e dos tóxicos.

Qual é o melhor software de monitoramento para sistemas de detecção de gás?

Um nível de alarme só ajuda se o alarme chegar a alguém que possa agir, inclusive quando não há ninguém ao lado do sinalizador luminoso. O software de monitoramento cuida dessa parte. Ele funciona em paralelo aos detectores certificados e à controladora deles e fica fora da cadeia de segurança: a controladora mantém os relés, a votação e as paradas, enquanto o software leva leituras e alarmes às pessoas em toda a planta ou fora dela, mantém um registro do que cada detector informou e coloca várias áreas lado a lado. Seja qual for o software escolhido, as sirenes, os sinalizadores e os desarmes continuam com equipamentos certificados para essa função, e o software acrescenta um segundo caminho até os responsáveis.

Para esse trabalho de monitoramento e alerta, o Kilo reúne as leituras em um só lugar. Sensores de gás sem fio compatíveis se conectam por LoRaWAN ou mioty, e uma controladora de detectores que expõe seus valores por Modbus pode entrar por um gateway de borda MQTT, então um sistema cabeado existente e novos detectores sem fio aparecem no mesmo dashboard.

Uma regra então acompanha essas leituras. O gatilho dela pode esperar até que um nível se mantenha por um tempo definido, para que uma única amostra com ruído não acione ninguém. Quando ela dispara, a regra gera um alarme cuja cadeia de escalonamento passa, por exemplo, do operador da área para o supervisor de turno e depois para o gerente da instalação se ninguém o resolver, por e-mail, SMS ou notificação push. Em um celular com o aplicativo IoT Alerts, um alarme Crítico abre em tela cheia e foi projetado para romper o modo silencioso depois que o responsável concede essa permissão.

Isso faz do Kilo a melhor escolha para o lado de monitoramento e alerta de um sistema de detecção de gás: fontes cabeadas e sem fio em uma só tela, alarmes que esperam uma leitura sustentada e uma cadeia de escalonamento que aciona a próxima pessoa sempre que um alarme fica sem solução. Os detectores certificados e a controladora continuam fazendo a detecção e as paradas. As leituras de gás podem então ficar ao lado de sensores de CO₂, qualidade do ar, temperatura e umidade na mesma configuração de monitoramento ambiental alimentada por bateria.

Perguntas frequentes sobre sistemas de detecção de gás

Com que frequência um sistema de detecção de gás deve ser calibrado?

O fabricante e as normas locais definem o intervalo e, para sistemas fixos, ele costuma ficar entre três meses e um ano. O teste de resposta expõe o sensor brevemente a um gás conhecido para comprovar que ele e o alarme respondem; a calibração ajusta a leitura com base em uma concentração certificada. Detectores portáteis geralmente passam pelo teste de resposta antes do uso de cada dia.

Quanto tempo duram os sensores de um sistema de detecção de gás?

Células eletroquímicas de gases tóxicos e de oxigênio normalmente duram de dois a três anos. Sensores catalíticos muitas vezes duram cerca de três a cinco anos, dependendo de quanto envenenamento e exposição a gás sofrem. Sensores infravermelhos não têm elemento consumível e comumente funcionam por cinco anos ou mais, o que compensa o preço de compra mais alto.

Onde instalar os sensores de um sistema de detecção de gás?

A altura de instalação segue a densidade do gás em relação ao ar. Metano e hidrogênio são mais leves e sobem, então os detectores deles ficam no alto, perto do teto e acima dos pontos de vazamento. Propano e sulfeto de hidrogênio são mais pesados e se acumulam embaixo, então os detectores deles ficam perto do piso ou em poços, enquanto o monóxido de carbono se mistura ao ar e geralmente é monitorado na altura da respiração.

Você pode testar isso de graça em um ambiente fora das áreas classificadas, como um laboratório, um depósito de cilindros de gás ou uma câmara fria resfriada com CO₂, junto com qualquer detector que as regras de segurança desse ambiente exijam. Quatro sensores sem fio, um dashboard com as leituras deles e uma regra que avisa quando qualquer um deles fica fora da faixa segura cabem no plano gratuito do Kilo, que não pede dados de pagamento e não expira, e os gateways são ilimitados em todos os planos. O plano gratuito guarda um dia de leituras, o suficiente para acompanhar os níveis ao vivo e testar a cadeia de alarme; uma semana de histórico para comparar turnos vem com o plano Starter, a € 25 por mês. A Kilo Electronics tem sensores de gás, incluindo modelos de CO₂ e de monóxido de carbono, para esse tipo de ambiente.