Závěrečná zpráva projektu SGS

Transkript

1 Závěrečná zpráva projektu SGS Identifikační kód projektu: SP2017/127 Řešitelské období: Odpovědný řešitel: Ing. Václav Válek Školitel: prof. Ing. Zdeněk Zelinger, CSc. Datum:

2 Obsah 1. Základní informace o projektu 1 2. Specifikace výstupu projektu 2 3. Aktuálnost řešené problematiky 3 4. Bezpečnostní pokyny k zajištění BOZP 3 5. Vyhřívací jednotka 3 6. Měření koncentrace oxidu uhelnatého Senzorový uzel Hardwarové řešení senzorového uzlu 4 MQ 9 4 AM2302/DHT 22 8 Mini vacuum čerpadlo/sc3101pm 9 Arduino 9 Raspberry PI 3 model B Softwarové řešení senzorové uzlu Kalibrační kyveta Kalibrační měření CO Spektroskopické měření 16 Výsledky kalibračního měření 18 Zpracování naměřených dat 22 QEPAS 24 QEPAS kyveta Publikační výsledky Financování projektu Závěr 31 Literatura 33 Příloha č Příloha č Příloha č. 3 60

3

4 1. Základní informace o projektu Závěrečná zpráva projektu poskytuje souhrnnou informaci o postupech a způsobech naplňování cíle řešeného projektu. Součástí zprávy je rovněž příklad využití přidělených finančních prostředků. Název projektu: Monitorování koncentrace oxidů uhlíku v Laboratoři spektroskopie Identifikační kód: SP2017/127 Požadavek na dotaci: Kč Odpovědný řešitel projektu: Ing. Václav Válek Školitel odp. řešitele projektu: prof. Ing. Zdeněk Zelinger, CSc. Členové řešitelského týmu: doc. Ing. Václav Nevrlý, Ph.D. Ing. Petr Bitala, Ph.D. Ing. Michal Dostál Ing. Martina Šeděnková Bc. Daniela Goldmannová Ing. Jan Suchánek, Ph.D. Období řešení projektu: Místo řešení projektu: VŠB TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství, Lumírová 13/630, , Ostrava-Výškovice Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i. Dolejškova 2155/3, Praha 8 1

5 2. Specifikace výstupu projektu Cílem řešeného projektu studentské grantové soutěže bylo na základě zmapování a zhodnocení současného stavu úrovně bezpečnosti v Laboratoři spektroskopie, navrhnout a zrealizovat opatření, jímž by přispívala ke zvýšení její úrovně. Primárně byla pozornost řešitele zaměřena na možnost identifikace a monitorování koncentrací oxidů uhlíků, které představují jedny z významných produktů a meziproduktů experimentů orientovaných na studium procesu hoření a hašení. Hlavního cíle bylo dosaženo naplněním následujících dílčích cílů projektu: DC1: Vypracování bezpečnostních pokynů k zajištění BOZP v laboratoři spektroskopie pro práci s lasery a nebezpečnými plyny. DC2: Zkonstruování zařízení pro generování multi-komponentní směsi plynů s výskytem oxidu uhelnatého s možností proměnlivého nastavení koncentrací. DC3: Měření koncentrací oxidu uhelnatého v prostoru laboratoře a následné zpracování a vyhodnocení naměřených dat včetně srovnání parametrů odezvy jednotlivých senzorových systémů. 2

6 3. Aktuálnost řešené problematiky Monitorování oxidů uhlíku ve vnitřních i vnějších prostředích plamene představuje stále aktuální téma pro základní a aplikovaný výzkum motivovaný bezpečností nebo enviromentální problematikou. Kromě dobře známých oxidu uhlíků (CO2 a CO), které jsou běžně přítomny v produktech spalování uhlovodíkových paliv nebo biomasy, mohou chemickými reakcemi v prostředí plamene nebo uvnitř speciálně koncipovaných laboratorních reaktorů vznikat také méně stabilní plynné látky jako například suboxid uhlíku (C3O2) nebo C2O radikál vyznačující se poměrně krátkou dobou života (vysokou reaktivitou). Spektroskopická identifikace a studie chemických látek tohoto typu je dlouhodobě předmětem výzkumu našeho řešitelského týmu. Z hlediska bezpečnosti nelze pominout pravděpodobnost výskytu zvýšené koncentrace oxidu uhelnatého v pracovním prostředí při řešení předmětných experimentálních úloh. Projekt SGS je zaměřen na problematiku monitorování koncentrace oxidů uhlíku (především CO) v podmínkách Laboratoře spektroskopie na Fakultě bezpečnostního inženýrství. Vývoj a implementace nových typů senzorových systémů a sítí v tomto kontextu směřuje ke zvýšení aplikačního potenciálu daných technologii a nástrojů v oblasti bezpečnosti. 4. Bezpečnostní pokyny k zajištění BOZP V rámci dílčího úkolu DC1 byly vypracovány dva dokumenty zabývající se bezpečnosti práce v laboratoři Spektroskopie. Analýza rizik pro laboratoř spektroskopie LD106 a Bezpečnostní pokyny pro práci v laboratoři spektroskopie LD106(Příloha č. 1, Příloha č. 2) Tyto dokumenty budou nadále pravidelně aktualizovány podle současného zaměření laboratorních experimentů. 5. Vyhřívací jednotka V rámci dílčího úkolu DC2 Byl vytvořen konstrukční návrh zařízení pro oxidativní pyrolýzu. Výroba konstrukčních součástí a sestavení základní mechanické konstrukce této jednotky (viz. Obr. 1). V následujícím kroku bude jednotka vybavena odporovým zahřívacím zařízením s možností regulace teploty. Generování multi-komponentní směsi plynů 3

7 s výskytem CO (s možností proměnlivého nastavení koncentrací) bude realizována sestavou průtokoměrů připojenou k této jednotce. Obr. 1 Jednotka pro oxidativní pyrolýzu 6. Měření koncentrace oxidu uhelnatého 6.1. Senzorový uzel Nutnost monitorování složení i kvantitativní úrovně zastoupení vybraných spécií v technologických prostorech nebo výzkumných laboratoří, vytváří nezbytný předpoklad pro naplňování koncepce bezpečnostních opatření. V případě laboratoří orientovaných na studie vybraných aspektů procesu hoření nebo hašení, reprezentují uvažovanou skupinu především typické produkty hoření. K nejvýznamnějším a vzhledem ke své povaze i pro lidský organismus nejnebezpečnější, lze zařadit především oxid uhelnatý, který je typickým produktem nedokonalého hoření. Projektová činnost vedla ke koncepci realizace systému monitorování plynů založena na využití diskrétních polovodičových senzorů integrovaných do senzorové sítě prostřednictvím cenově levných modulů platformy Arduino. Koncepce řešení využivá open-source platformy Arduino Yún a Raspberry Pi Hardwarové řešení senzorového uzlu MQ 9 Námi vybraným polovodičovým senzorem zejména z důvodu volené detekované spécie byl senzor typu MQ9. Citlivý prvek senzoru tvoří polovodič SnO2, který je umístěn v keramické trubici Al2O3. Selektivita senzoru uváděná výrobcem deklaruje detekci hořlavých plynů 4

8 například metanu, na který reaguje v rozmezí koncentrace ppm, LPG ppm, ale zároveň při nižším hodnotě zvoleného vstupního napětí (1,4V)je schopen citlivého měření oxidu uhelnatého v rozsahu ppm. Pro realizaci diskrétního senzorového uzlu bylo vybráno a využito polovodičového senzoru s absorpční MQ-9 založeného na fyzikálně-chemickém principu detekce. Povrchově absorpční vrstva senzoru je tvořena vrstvou oxidu cíničitého (SnO2) nanesené na nosné keramické destičce z oxidu hlinitého (Al2O3). Funkční princip zvoleného senzoru je založen na změně odporu/vodivosti detekční vrstvy vyvolané přítomnosti monitorovaných spécií. Ve smyslu monitorovaných koncetrací plynů umožňuje senzor monitorovat koncentraci, hořlavých a výbušných plynů jako například metan v rozmezí koncentrací ppm, LPG v rozmezí ppm, a CO ppm. Selektivitu senzoru na konkrétní druh plynu lze z pohledu uvedeného senzoru zvýšit nastavením stanovené hodnoty napětí přivedeného na topný prvek, který je součástí konstrukce senzoru. Ve smyslu hodnoty přivedeného napětí lze senzor provozovat v tzv. nízkoteplotním režimu vhodném pro monitorování oxidu uhelnatého (hodnota přivedeného napětí 1,4V) a ve vysokoteplotním režimu vhodném pro detekci např. metanu, propanbutanu. (hodnota přivedeného napětí 5V).[1] Senzor je v prodeji již s napájeným okruhem využívající modul FC-22 (schéma modulu obr. 2). K propojení senzorového modulu s mikrokontrolerem arduino YÚN slouží čtyři piny. Poslední dva piny slouží k vytvoření napájecího okruhu. První pin je připojen na napětí 5V a druhy pin připojen k zemi. Propojení třetího pinu s arduinem na D2 (digitální pin) slouží k signalizaci překročení nastavené hranice. Čtvrtý pin spojuje arduino přes analogový vstup A0 pro vedení signálu. Obr. 2 Schéma senzoru MQ9 [1] 5

9 Výstupní část senzoru je realizována sériově řazeným odporem k aktivní polovodičové části. Sériově řazený odpor tak vytváří společně s částí polovodičovou odporový dělič napětí, kdy hodnota výstupního napětí koresponduje s koncentrací monitorovaného plynu a je určena nominální hodnotou odporu a přivedeného napětí viz rovnice 1. U OUT = U c R L R S +R L (1) Kde UC je přivedené vstupní napětí, RS je aktuální hodnota odporu polovodičového senzoru RL je hodnota sériově zařazeného odporu napěťového děliče. UOUT je výstupní hodnota napětí korespondující s aktuální hodnotou koncentrace monitorovaného plynu. Pro určení správné koncentrace je v případě kalibrace nutná znalost poměru RS/R0, kde R0 je odpor senzoru při koncentraci 1000 ppm LPG při 20 C a 65% relativní vlhkosti. [1] 6

10 Obr. 3 Závislost odezvy senzoru MQ9 na změnu koncentrace vybraných plynných látek. Data získána z [1] Obr. 4 Vliv teploty a vlhkosti na odezvu senzoru MQ9. Data získána z [1] Změna vlhkosti a teploty okolí mohou negativně ovlivnit výstup ze senzoru MQ9, z tohoto důvodu byl do sestavy připojen senzor DHT 22 pro monitoring okolního prostředí teploty a vlhkosti. 7

11 AM2302/DHT 22 Snímání teploty a vlhkosti vzduchu okolního prostředí zajišťuje senzor s označením DHT22, viz Obr. 5. Jedná se o digitální samostatné čidlo, které komunikuje pouze po jednom vodiči. Ke své funkčnosti využívá 5V TTL - tranzistorově-tranzistorovou logiku. Logické jedničce odpovídá přibližně hodnota 5V, pro logickou nulu napětí o přibližné hodnotě 0V. Přesnost čidla je velmi vysoká (vzhledem k pořizovací ceně), výrobce uvádí pro měření vlhkosti 0 až 100% citlivost 2-5%. Pro měření teploty v intervalu -40 až 80 C je citlivost 0,5 C. Provozní napětí čidla se pohybuje v rozmezí 3,3V 6V. Čidlo má maximální spotřebu pouze 1,5mA během měření a je schopno měřit a odlišovat hodnoty každé dvě vteřiny. [2] DHT22 piny 1 VCC 2 DATA 3 NC 4 GND Obr. 5 AM2302/DHT22 propojovací piny Komunikační algoritmus začíná odesláním povelu START z MCU, probuzení ze standby na status-running. Po ukončení odesílání START signálu z MCU, odpovídá AM2302 odesláním 40-bitů naměřených dat vlhkosti a teploty okolí zpět do MCU (viz Obr. 6). START signál je podmínkou k vytvoření samotné komunikace a ke zpětném odeslání dat z AM2302. Ukončení komunikace způsobí přechod do zpětného stavu standby a vyčkávání na opětovné vyslání START signálu. Komplektni komunikační proces od započetí komunikace MCU až do zpětného přechodu standby AM2302 se pohybuje kolem 80 µs. Proud procházejicí senzorem v standby režimu se pohybuje v intervalu 40 až 50 µa při stavu odesílání odpovědi AM2302 dosahuje proud 1mA. [2] Obr. 6 Komunikační proces senzoru DHT22 [2] 8

12 Mini vacuum čerpadlo/sc3101pm V navrhovaném senzorovém uzlu bylo k nasávání okolního vzduchu využito minivzduchového čerpadla. Čerpadlo bylo umístěno do kyvety, aby nepřetržitě nasávalo vzduch k senzoru. Kyveta byla navržena, tak aby byla možnost nalezení optimální varianty sání/tlačení. Čerpadlo má vstupní a výstupní otvor a jeho výkon lze přímo řídit vstupním napětím. Napájení je možno realizovat od 3,3-6V. Proudový odběr se pohybuje od mA. Čerpadlo při plném výkonu je schopno vytvořit přetlak 40kPa, podtlak -20kPa. Průtočné množství dosahuje 0,28l/min a samotný výkon čerpadla při zatížení je 0,5W.[3] Obr. 7 Závislost tlaku čerpadla na průtoku a hluku [3] Arduino Arduino je open source prototypovací počítačová platforma založená na mikrokontrolní desce a vývojovém prostředí. Navržené prototypy mají větší kontrolu a cit pro fyzický svět, než klasické stolní počítače a to zejména díky množství dostupných senzorů a takzvaných shieldů (rozšiřitelné kompatibilní části pro Arduino). Výhodou této platformy ale i jiných konkurenčních řešení je zejména urychlení vývoje zařízení, tedy rychlý přechod z fáze prototypu do finální podoby zařízení. Koncept Arduina vychází z projektu Wiring a programovacího prostředí/jazyka Processing (syntaxe podobná jazyku C). Další výhody se dají stručně shrnout do několika bodů:[2] Nízkonákladovost Arduino, různé senzory a již zmíněné shieldy se dají pořídit za zlomek ceny oproti například klasickým stolním počítačům případně notebookům. [2] 9

13 Multiplatformnost IDE Vývojové prostředí je kompatibilní se systémy Windows, Macintosh OS X a Linux.[2] Jednoduché programovací prostředí Vývojové prostředí je v základní verzi přehledné a pro začátníky jednoduché. Pro pokročilejší uživatele lze toto prostředí přizpůsobit různými nastaveními nebo doplňky. Existují také zcela odlišné vývojové prostředí, které jsou zcela kompatibilní s Arduinem. Pro příklad lze uvést Atmel Studio. Pomocí knihoven C++ lze použitý programovací jazyk vhodně rozšířit, případně přepnout z Arduino do programovacího jazyka AVR C. [2] Open source a rozšiřitelný hardware Arduino využívá mikrokontroléry od výrobce Atmel - ATmega8, ATmega168, ATmega328 a další verze. 22 Návrhy obvodů těchto mikrokontrolérů jsou vydávány pod licencí Creative Commons, lze je tedy upravovat, rozšiřovat či libovolně vylepšovat. [2] Množství dostupných knihoven a ukázkových řešení Existuje množství projektů a knihoven od vývojářů z celého světa díky vysoké rozšířenosti této platformy. [2] Arduino Yún využívá dva odlišné mikrokontroléry ATmega32u4 a Atheros AR 9331, viz Obr. 10. Na části s procesorem Atheros běží upravená linuxová distribuce založená na projektu OpenWrt pojmenovaná jako 24 OpenWrt-Yun. Základní deska má integrovaný Ethernet, WiFi, USB-A port, micro USB připojení, micro-sd port a disponuje celkem 20 digitálními vstupně/výstupními piny. Arduino Yún se tak odlišuje od ostatních Arduino verzí zejména tím, že může komunikovat přímo s linuxovou distribucí, která nabízí výkonný síťový počítač a současně je zde k dispozici jednoduché prostředí Arduina. V linuxové části jsou k dispozici klasické příkazy, mimo těchto příkazů je možné psát vlastní skripty v shellu nebo pythonu pro vlastní a složitější interakce.[2] 10

14 Obr. 8 Schéma připojení mikrokontrolérů (ATmega32u4 a Atheros AR 9331) včetně připojení podpůrných částí k jednotlivým mikrokontrolérům (USB, SD Card) a komunikačního rozhraní [4] Raspberry PI 3 model B Raspberry Pi 3 model B je nejnovější a také nejvýkonnější model od Raspberry Foundation. Jedná se o jednodeskový miniaturní počítač s rozměry přibližně 8,6 cm 5,7 cm. Základ tohoto modelu tvoří 64 bitový 4 jádrový procesor ARMv8 Cortex-A53 o frekvenci 1,2 GHz. Ten by měl zajistit nárůst výkonu přibližně o 60 % oproti předchozí generaci Raspberry Pi. Tento počítač také obsahuje grafický čip Broadcom VideoCore IV taktovaný na 400 MHz s podporou dekódování full HD videa. Dále obsahuje paměť RAM o kapacitě 1 GB (sdílená s GPU), 4 USB porty, 40 GPIO portů, ethernetový port 10/100 MBit, CSI kamerový vstup, DSI výstup pro display, HDMI výstup a kompozitní video výstup přes 3,5 mm TRRS jack, který je sdílený se zvukovým výstupem. Oproti předchozím modelům jsou nově k dispozici integrovaná Wi-Fi b/g/n a Bluetooth 4.1 LE. Všechna data, vč. operačního systému, jsou u Raspberry Pi ukládána na micro SD kartu. [5] 11

15 Obr. 9: Raspberry Pi 3 Model B[5] 6.3. Softwarové řešení senzorové uzlu Programovací rozhraní Arduino IDE bylo nainstalováno na mikropočítač Raspberry Pi. Arduino IDE je integrované vývojové prostředí pracující s kontrolorem Arduino pro psaní, kompilaci a upload kódu na desku. Programovací jazyk vychází z prostředí Wiring a univerzálními jazyky jsou C a C++. Arduino IDE obsahuje několik vestavěných knihoven, např. EEPROM, Firmata, GSM, Servo, TFT a WiFi. V prostředí IDE je možnost využití sériového monitoru, plotru k vypisování hodnot v reálném čase. Ukázka kódu pro měření napětí na senzoru MQ9 vyvedeným na analogový vstup A0 v programu IDE s přenosovou rychlostí 9600 bit/s. Obr. 9 Vlevo: příklad ukázky kódu v Arduino IDE na měření napětí, Vpravo: sériový plotter ukazující změnu napětí v čase Testovací verze pro ukázku fungování odezvy (Obr. 9). Naměřená data jsou odesílána po sériové komunikační lince do mikropočítače Raspbeery Pi model 3B, kde jsou následně shromažďována, vyhodnocena a vizualizována. Pro komunikaci s Arduinem bylo použito 12

16 rozhraní programovacího jazyka Python (verze ), přičemž sběr dat byl inicializován povelem: (python grabserial) v příkazové řádce. Nastavení zpoždění bylo jedna sekunda a doba sběru dat byla šedesát sekund. Po ukončení nastaveného intervalu byly hodnoty uloženy do textového souboru. A následně vizualizovány v tabulkovém procesoru Microsoft Excel Kalibrační kyveta Pro měření byl vytvořen a zrealizován návrh kalibrační kyvety (Obr. 10). Návrh byl vytvořen v programu Autodesk Inventor Pro realizaci kalibrační kyvety je nutnost konvertování výkresu do formátu STL a následné rozřezání na vrstvy v programu Prusa 3D Slic3r MK2. Vytištění kyvety na 3D tiskárně Prusa i3 MK2 probíhá několik desítek minut. K realizaci těla kyvety byl použit plast PLA o průměru 1,75mm, který je velice pevný a biologicky odbouratelný, vyznačuje se nízkou tepelnou roztažností, takže je optimální volbou pro tisk velkých celistvých součástek. Výsledná kyveta se skládá z pěti na sebe nezávislých částí, které jsou spojeny následně rozebíratelným šroubením. Pro utěsnění jednotlivých spojů kyvety bylo využito vytištěné těsnění rovněž na 3D tiskárně Prusa i3. K těsnění byl použit materiál Rubberjet TPE88 o průměru 1,75mm, kdy po vytištění má vlastnosti podobné gumě. Celkově byly vytištěny dvě totožné kyvety, které při měření byly zařazeny za sebe do serie. V pozdější fázi došlo k vylepšení systému o prostor k umístění čerpadla Minivacuum čerpadlo/sc3101pm. Verze 1 byla vytvořena zejména pro kalibrační měření v průtoku směsi plynu. Pro Verzi 2 se počítá s umístění v prostoru laboratoře a ke kontinuálnímu měření kvality ovzduší zejména při laboratorních měření teorie hoření a hašení. Obr. 10 Kalibrační kyveta 13

17 6.5. Kalibrační měření CO K vytvoření předem definované kalibrační směsi byly použity průtokoměry od firmy Bronkhorst High-Tech a bylo použito sedm průtokoměrů Low-Δp-flow o různých průtocích - 25 ml/min, 500 ml/min a 1000 ml/min vzduchu. Pro plyny o jiné hustotě je nezbytné skutečný průtok dopočítat podle konverzního faktoru. Základem je senzor, který se skládá z kapiláry a odporového teploměru. Část plynu laminárně proudí přes tento prvek a je zahřívána. Současně jsou měřeny dvě teploty, jejichž rozdíl je přímo úměrný průtoku. Všechny části, kterými proudí tekutiny, jsou vyrobeny z nerez oceli, možná je i varianta použití niklových slitin (Hastelloy, Monel). Průtokoměry umožňují měření průtoků s malými rozdíly tlaku, integrovaný elektromagnetický kontrolní ventil mění regulační charakteristiky velice rychle a přímo. Součástí jedné větve systému je i mixážní komůrka od stejného výrobce, která zaručuje vytvoření homogenní plynné směsi o přesné koncentraci. Obr. 11 zachycuje správné zapojení tohoto prvku do sestavy. [6] Obr. 11 Schéma zapojení mixážní komůrky [6] Za ní je umístěn regulátor tlaku, který pracuje s vysokou přesností, spolehlivě, může být používán opakovaně a je vybaven piezoelektrickým můstkem na povrchu silikonové destičky, do které je z rubové strany vyvrtán otvor. Ten je vyplněn membránou, jejíž tloušťka určuje měřící rozsah regulátoru. Pokud na destičku působí tlak, membrána se ohýbá a odpor se mění úměrně změně tlaku. Měřící komůrka je od okolního tlaku oddělena tenkou membránou z nerezavějící oceli. Posledním použitým prvkem od této firmy byl zdroj ze série E-7000, který umožňuje napájení a programování jednotlivých zařízení. [6] 14

18 Všechny plyny se mísí v navržené směšovací komoře. Homogennost vytvořené směsi byla zajištěna pomocí vrstvy skleněných kuliček a dvou nerezových sítek o průměru 56 mm. K propojení prvků systému byly použity standardizované spojky Swagelok. [6] MQ 9 Obr. 12 Schéma zapojení senzorového uzlu Sestavený senzorový uzel bylo nutné pro monitoring prostředí zkalibrovat. Kalibrační měření probíhalo na pracovišti Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i. Pro experiment byly použity dvě kalibrační kyvety vybavené senzory MQ-9 a DHT22, které byly řazeny za sebe do série. Měřeným plynem byl oxid uhelnatý ve směsi se syntetickým vzduchem. Předpokladem byl atmosférický tlak v kalibrační kyvetě. Měření probíhalo cyklicky, kdy nejprve kyvetou protékala po dobu 6 minut definovaná směs CO se vzduchem, následně po stejnou dobu čistým vzduchem. Před započetím dalšího cyklu došlo ke zvýšení koncentrace CO ve směsi. Měření probíhalo při koncentracích 300, 500, 800ppm oxidu uhelnatého ve směsi se vzduchem. 15

19 Obr. 13 Kalibrační sestava Při průtoku směsi kyvetou nedocházelo k významné odezvě senzoru na měřený plyn a to i při různých úrovní koncentrací CO. Při zkoumání nulové odezvy senzoru MQ-9, bylo zjištěno, že modul FC-22 pro detekci oxidu uhelnatého neobsahuje optimální rezistor o hodnotě 10kΩ, ale je osazen rezistorem s hodnotou 1kΩ. Modul FC-22 také neumožňuje selektivní detekci CO z důvodu nemožnosti snížit hodnotu vyhřívacího napětí na 1,4V. Další možností nevýznamné odezvy senzoru, může být způsobena průtočným režimem směsi plynů. Jelikož senzor je vyhříván na konstantní teplotu, může vlivem proudění plynu docházet k jeho ochlazování a související nepřesnosti měření. Problém průtočného režimu řešíme v současnosti výrobou rozšíření pro kalibrační kyvetu, kde plyn bude pomocí vakuové pumpy nasáván do měřeného prostoru z průtoku definované směsi plynu. Pro ochranu laborantů a monitorování prostředí byla umístěna do prostoru laboratoře a digestoře sestava dvou komerčních senzorů XC100D od firmy Honeywell. Tyto senzory umožňují monitorování nízké úrovně koncentrace CO a její hodnotu vypisují na displeji Spektroskopické měření Experimentální sestava pro měření infračervených absorpčních spekter oxidu uhelnatého metodou TDLAS je schematicky zobrazena na Obr. 14. Jako zdroj infračerveného záření byl použit diodový laser (Eblana EP DM-B01-FA) s vlnovou délkou v okolí 1573 nm (odpovídající vlnočtu 6357,28 cm -1 ) V této oblasti se vyskytují absorpční linie oxidu 16

20 uhelnatého, ale také například oxidu uhličitého. Vlnová délka infračerveného záření emitovaného laserovou diodou je závislá na aktuální hodnotě elektrickém proudu protékajícím diodou a na udržované teplotě. Změnou obou uvedených parametrů lze tedy v úzkém rozsahu vlnových délek plynule měnit požadované parametry laserového diody. Požadovaná úroveň protékajícího proudu a teplotní stabilizace diody je zajišťována pomocí řídící jednotky (Throlabs ITC 4001). Tato jednotka umožňuje nastavení a monitoring limitů elektrického proudu a teploty, aby nedošlo k poškození diody. Teplota laserové diody byla při měření stabilizována na 27 C. Laser byl externě modulován pomocí dvoukanálového generátoru funkcí (LeCroy Wavestation 2012) pomalým asymetrickým trojúhelníkovým signálem s frekvencí 100 mhz a na něj navázaným rychlým sinusovým signálem (11 khz) s malou amplitudou. Hloubka modulace sinusového signálu odpovídá jednotkám procent amplitudy trojúhelníkového signálu. Složení těchto signálu bylo zajištěno pomocí směšovače vlastní výroby tvořeného soustavou operačních zesilovačů. Laserový svazek byl přes vláknovou optiku nasměrován do 22 cm dlouhé kyvety se směsí měřených plynů (5 Torr CO a 5 Torr CO2). Pro zvýšení citlivosti měření prochází laserový svazek kyvetou dvakrát, a až poté dopadá na detektor což bylo zajištěno pomocí rovinného zrcadla umístěného za kyvetou. Obr. 14 Schéma experimentální sestavy K měření intenzity infračerveného záření byl použit InGaAs fotodetektor (Thorlabs PDA10T- EC), který disponuje předzesilovačem s možností proměnlivě měnit úroveň zesílení signálů. Při realizovaném experimentálním měření byla úroveň předzesilovače nastavena na hodnotu 50 db. Signál naměřený detektorem byl následně demodulován pomocí fázově citlivého zesilovače Lock-in (Standford Research AS830DSP). Lock-in zesilovač byl nastaven na demodulaci druhé harmonické složky signálu ( 2f ) s citlivostí 500 mv a časovou konstantou 30 ms. Jako referenční signál pro demodulaci byl použít zesílený sinusový signál z 17

21 generátorů funkcí, dle popisu výše. Výstup Lock-in zesilovače umožnil monitorování dvojice signálů, které byly zaznamenány pomocí digitálního osciloskopu (LeCroy wavesurfer 42XS). Výsledky kalibračního měření Laditelné diody se obvykle používají při spektroskopických měřeních založených na technikách spektroskopie modulované vlnové délky (WMS z angl. Wavelength Modulation Spectroscopy). Pomalé spektrální skenování se provádí modulací laserové diody pomalou změnou elektrického proudu procházejícího laserovou diodou. Laserový paprsek je po průchodu měřeným vzorkem, fokusován na detektor infračerveného záření a získaný signál z detektoru je následně zpracován fázově citlivým zesilovačem. Fázově citlivý zesilovač následně umožňuje detekovat n-tou harmonickou složku signálu, která je úměrná n-té derivaci spektra. V praxi se pro spektroskopická měření nejčastěji používá druhá harmonická složka ("2f" signál). Signály vystupující ze zesilovače odpovídají X-ové a Y-ové složce celkového signálu R se vzájemným fázovým posunem φ 90 při čem platí rovnice (2,3). X = R cosφ (2) Y = R sinφ (3) Oba zmiňované signály byly v rámci experimentálního měření zaznamenány v podobě časových průběhů pomocí digitálního osciloskopu (viz Obr. 15. nahoře). Celkový signál R byl z naměřených dílčích složek stanoven pomocí rovnice (4) R = X 2 2 2f + Y 2f (4) Intenzita infračerveného záření emitovaného laserovou diodou roste s úrovni protékajícího elektrického proudu, tímto se může zdát, že rostou také intenzity absorpčních linií. Z uvedených důvodu bylo nutné celkový signál R normalizovat pomocí signálu 0f, který odpovídá stejnosměrné složce signálu vystupujícího z fotodetektoru bez použití Lock-in zesilovače. Časový průběh X-ové a Y-ové složky 2f signálu a signálu 0f je znázorněn na Obr

22 Obr. 15 nahoře 2f-WMS signál, X-ová složka (červeně), Y-ová složka (černě). dole 0f signál sloužící k normalizaci pro výsledný signál R s použitými parametry lineární regrese.. Ve zvolené spektrální oblasti, okolo vlnočtu 6357,28 cm -1 (odpovídající vlnové délce 1573 nm) je možné identifikovat několik absorpčních linií oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Směs těchto dvou plynů byla záměrně zvolena jednak z důvodu, že se oba vyskytují v různém poměru v produktech hoření a zároveň je nutné mít pro správnou kalibraci laseru (tj. přiřazení určité vlnové délce hodnotu proudu protékající diodou) dostatek absorpčních linií v naměřeném spektru. Kalibrace laseru se provádí porovnáním naměřeného spektra se spektrem z databáze či knihy. Námi naměřená spektra byla porovnána s modelovanými spektry CO a CO2 (Obr. 16.) získanými z databáze HITRAN.[7] Vstupní parametry (teplota, tlak, absorpční dráha, poměr směsi plynů) pro tento model byly definovaný tak, aby vykazovaly shodu s parametry naměřenými při experimentu. Na Obr. 16. je také demonstrována selektivita metody TDLAS. Úzké spektrální linie CO a CO2, lze snadno rozlišit a vícesložková analýza pro tento případ je přímočará. V takovém případě poskytuje poměr dvou absorpčních linií, tj. poměr signálu na linii CO a linii CO2 informaci o koncentraci těchto látek ve směsi (z kalibrovaného přístroje). 19

23 Tvar linií závisí na experimentálních podmínkách a je funkcí teploty a tlaku. Tlakové rozšíření může vést k překrytí těsně ležících čar ve spektru. V laboratoři není dosažení nízkých tlaků na úrovni jednotek Torr problémem, ale pro přenosný analyzátor, nebo uzel senzorové sítě se předpokládá měření při vyšších tlacích. U případu překrývajících se čar je nutná matematická úprava spektra. Obvykle používané metody jsou klasické metody nejmenších čtverců, inverzních nejmenších čtverců a parciálních nejmenších čtverců. K určení koncentrace měřeného plynu detektorem založeným na TDLAS je nutné tento detektor nejprve zkalibrovat. Kalibrace se provádí výběrem vhodné spektrální line s co možná nejvyšší intenzitou absorpce infračerveného záření, ale zároveň by to neměla být spektrální linie, která se překrývá se spektrální linii jiného plynu, čímž je zaručena selektivita. Následně je nutné provedení několika měření na vlnové délce odpovídající této linii s rozdílnými hodnotami koncentrace měřeného plynu. Výsledkem je pak proložení naměřených bodů koncentrace/intenzita polynomem prvního řádu a stanovení limitních hodnot detekce. V Laboratorních podmínkách je možné také provádět bez kalibrační stanovení koncentrace plynů matematickou analýzou naměřených signálů, je ale nutné se zaměřit na opravdu silné absorpční linie a použit další specifická zařízení při měření, jak popisuje ve své práci Zhao [8]. 20

24 Obr. 16 V horní části naměřené spektrum směsi CO a CO2 v poměru tlaků 5 Torr CO a 5 Torr CO2, při pokojové teplotě a délce absorpční dráhy 44 cm. Dole simulované spektrum z databáze HITRAN se stejnými vstupními parametry jako spektrum naměřené. Metoda TDLAS vyžaduje poměrně dlouhou absorpční dráhu pro citlivou detekci a například pro střední infračervené oblasti spektra vyžaduje detektory chlazené kapalným dusíkem, to znesnadňuje použití při měřeních v terénu. Tyto nedostatky je možné eliminovat využitím jiného způsobu detekce například s využitím fotoakustické spektroskopie (PAS, z angl. Photoacoustic Absorption Spectroscopy). Tato metoda využívá stejné postupy jako metoda TDLAS pouze s tím rozdílem, že intenzita infračerveného záření není měřena přímo fotodetektorem, ale přeneseně pomocí detekce akustických signálů v uzavřené kyvetě. Akustický signál je generován rotačně-vibrační relaxací molekul důsledkem modulovaného infračerveného záření laseru. Akustický signál v kyvetě lze snadno měřit pomocí citlivého mikrofonu, citlivým mikromechanickým elementem [9], nebo například v případě křemenem rozšířené fotoakustické spektroskopie (QEPAS, z angl. Quartz Enhanced Photoacoustic Absorption Spectroscopy) pomocí křemenné vidličky (QTF, z angl., Quartz Tuning Fork) s vysokým faktorem kvality[10]. 21

25 Dále bylo řešeno sestavení elektronických komponentů pro generování a skládání analogových signálů pro účely spektroskopické detekce. Pro tento účel bylo navrženo a vyrobeno zařízení, které umožňuje vytvářet složený analogový signál s nízkou úrovní šumové složky (viz Obr. 17). Návrh a výroba tohoto elektronického prvku byla zrealizována Alexanderem Mikóczym. Obr. 17 Zařízení pro skládání analogových signálů Zpracování naměřených dat Za účelem automatizovaného zpracování dat získaných pomocí vlnočtově modulační spektroskopie (WMS) byla prakticky implementována procedura pro fitování tvaru linií. Pro tento úkol byla aplikována nelineární regrese metodou nejmenších čtverců s použitím diferenciálního evolučního algoritmu k optimalizaci reziduálu. Rutiny po zpracování dat byly implementovány v prostředí programovacího jazyka PYTHON a jsou volně dostupné ve formě výpočetního skriptu, popř interaktivního notebooku. Podstata řešení daného problému spočívá v rozložení WMS signálu na příslušnou derivaci tvaru absorpční linie a několik komponentních funkcí periodického charakteru, které popisují příspěvky harmonických složek intenzitní a frekvenční modulace. Na rozdíl od předchozích prací s danou tematikou byly polynomy Hermitova typu úspěšně nahrazeny tzv. Gáborovými funkcemi. Pro vývoj a testování fitovací procedury posloužily spektrální linie oxidu uhličitého (CO2) v blízké infračervené oblasti kolem 1573 nm, které byly z tohoto důvodu měřeny ve vertikálním studeném (nereagujícím) proudu CO2 při atmosférickém tlaku. Relativně dobře známé parametry těchto absorpčních linií ( kombinační pás) umožnily reprodukovat naměřený 2f-WMS signál získaný prostřednictvím fázově citlivého (lock-in) zesilovače při druhé harmonické (2f) frekvenci. Spektrální odezva a parametry fázového posunu vztahující se k provozním podmínkám laserové diody s rozloženou zpětnou vazbou (DFB) byly 22

26 stanoveny experimentálně na základě teoretického modelu s předpokladem Lorentzova profilu linie a jeho asymetrie vyplývající ze současné frekvenční a amplitudové odezvy proudově modulovaného polovodičového laseru. Dílčí motivací daného postupu je poskytnutí nezbytných vstupních dat pro spektrální simulaci komplexních absorpčních spekter získaných technikou 2f-WMS s cílem kvantifikace koncentrací plynných látek v atmosféře nebo v nehomogenních plynných tocích (například v laminárních plamenech). Obr. 18 Příklad automatizovaného zpracování dat získaného pomocí vlnočtově modulační spektroskopie. Byla prakticky implementována procedura fitování tvaru linií, aplikovaná nelineární regrese metodou nejmenších čtverců. 23

27 QEPAS Metoda QEPAS je založená na snímání akustických vln vzniklých absorpcí IR záření měřeným plynem v uzavřeném prostoru. K detekci akustických vln slouží křemenná vidlička (QTF) s vysokým faktorem kvality Q. Tyto QTF se běžně využívají v elektrotechnice jako krystalové oscilátory. Signál generovaný QTF je zesilován pomocí transimpenančínho předzesilovače s vysokým vstupním odporem tento způsob je popsán v práci Kostereva [11], nebo Zhenga [12], kde využívají paralelních oscilací krystalu. Samotná detekce spočívá v naladění laseru na vlnovou délku IR záření odpovídající vybrané absorpční linii měřeného plynu. Laser je fokusován pomocí optických prvků mezi hroty QTF a modulován s frekvencí fl=fqtf /2 tímto vznikají v cele akustické vlny s odpovídající frekvencí které ovlivňují oscilaci krystalu. Dochází tady k posunu frekvence od vlastní oscilační frekvence krystalu. Pro naše experimenty byl navržen a zkonstruován elektronický obvod k zesílení signálu z QTF, jehož blokové schéma je zobrazeno na obr 19. Tento obvod Tento obvod využívá dvou QTF, kde jedna je měřící uzavřena v QEPAS kyvetě jejiž oscilace se mění v závislosti na koncentraci měřeného plynu, druhá je referenční uzavřena ve svém pouzdře (její oscilační frekvence je tedy 32,768 KHz). signály obou QTF jsou následně zesíleny pomocí tranzistorových zesilovačů a následně pomocí komparátoru odečteny. Výsledný signál odpovídá rozdílové frekvenci těchto dvou QTF a mění se v závislosti na koncentraci měřeného plynu. Tento obvod také umožňuje sledovat samostatné signály z jednotlivých QTF a následně je porovnat například pomocí osciloskopu. Jako zdroj infračerveného záření lze použít stejný laser jako v případě TDLAS. 24

28 Obr. 19 Blokové schéma obvodu pro zesílení a komparaci signálu z QTF S tímto obvodem byly provedeny první experimentální měření k otestování stability oscilace připojených QTF. Tyto experimenty poukázali na určité nedostatky ve stabilitě oscilací tohoto obvodu, které by se následně projevili na citlivosti senzoru QEPAS tyto nedostaly budou následně odstraněny, implementací vhodných elektronických součástek do navrženého obvodu. QEPAS kyveta K vytvoření akustického tlaku musím mýt měřený plyn v uzavřeném prostoru, to je zajištěno kyvetou do, které je možné měřený plyn nasát a v níž je umístěna QTF. Pro tento účel byla navržena a vyrobena QEPAS kyveta Obr. 20. Tato kyveta disponuje vstupem a výstupem přívod a odvod měřeného plynu, dále pak okénky pro vstup a výstup laserového svazku. Vstup a výstup pro plyn jsou opatřeny závitem M10x1 pro upevnění spojky Swagelok. Otvory pro okénka jsou dimenzována pro velikost okének ½ palce, tyto okénka je možné snadno měnit v závislosti na zvolené vlnové délce laseru. vnitřní objem kyvety je 1140 mm 3. Kyveta umožňuje několik variant měření: jednak měření akustického signálu pomocí samotné QTF, nebo za použití dvou, či jednoho mikrorezonátoru. Mikrorezonátory umožňují zesílení akustických vln v prostoru mezi hroty QTF a tím zvýšení citlivosti systému. 25

29 Obr. 20 QEPAS kyveta 26

30 7. Publikační výsledky [1] VÁLEK, V., DOSTÁL, M., KLEČKA, V., SUCHÁNEK, J., NEVRLÝ, V., BITALA, P., ZELINGER, Z., Senzorový uzel pro monitorování oxidu uhelnatého při laboratorních studiích hoření a hašení. In Mezinárodní konference Bezpečnostní technologie, systémy a management: listopadu 2017, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Zlín, s. ISBN [2] DOSTÁL, M., VÁLEK, V., KLEČKA, V., SUCHÁNEK, J., NEVRLÝ, V., BITALA, P., ZELINGER, Z., Detekce oxidu uhelnatého založená na laditelné diodové spektroskopii. In Mezinárodní konference Bezpečnostní technologie, systémy a management: listopadu 2017, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Zlín, s. ISBN [3] SUCHÁNEK, J, M DOSTÁL, V VÁLEK, J SUCHÁNEK, E KRISTLOVÁ, P ROUPCOVÁ, Z ZELINGER, V NEVRLÝ, P BITALA, M VAŠINEK, P KUBAT, M FERUS a S CIVIŠ. Wavelength modulation spectroscopy for multicomponent ana- lytics of biomass burning tracers. In: 3rd General Meeting and Workshop on SECs in Industry [online] říjen Praha. Dostupné z: [4] NEVRLÝ, V, M DOSTÁL, P BITALA, Z ZELINGER, J SUCHÁNEK, V VÁLEK, V KLEČKA, P KUBÁT, P ENGST, M VAŠINEK a J WILD. Hydroxyl radical measurement in atmospheric pressure dimethyl ether-air laminar premixed flat flame using tunable diode laser absorption spectroscopy. In: 3rd General Meeting and Workshop on SECs in Industry [online] říjen Praha. Dostupné z: [5] NEVRLÝ, V., Z. ZELINGER, M. DOSTÁL, J. SUCHÁNEK, V. VÁLEK, P. BITALA, V. KLEČKA, V. HANUSOVÁ, D. ŠTROCH a B. BAUDIŠOVÁ. Towards revised schemes of C3O2 formation in diethyl ether cool flames. In: International Bunsen Discussion meeting: Chemistry and diagnostic for clean combustion [online] června Dostupné z: program/abstracts/nevrly_vaclav.pdf 27

31 [6] DOSTÁL, Michal. Towards quartz enhanced photoacoustic spectroscopy of acetonitrile. In: Csc. ING. KVĚTA STEJSKALOVÁ, ed. Seminář studentů ÚFCH JH 2017 [online]. Praha: Seminář studentů ÚFCH JH 2017, května. 2017, s. 11. Dostupné z: [7] NEVRLÝ V., V. KLEČKA, M. VAŠÍNEK, V. VÁLEK, J. SUCHÁNEK, M. DOSTÁL, B. HRIC, P. BITALA, Z. ZELINGER. An Automated Line-Shape Fitting Procedure for Wavelength Modu-lation Spectroscopy in Gaseous Flows. Measurement science review připraven k odeslání 28

32 8. Financování projektu V tabulce je zobrazeno financování projektu. Během čerpání finanční podpory projektu SGS došlo k přesunům financí v rámci jednotlivých položek. Všechny prostředky byly zcela vyčerpány. Přesuny financí v rámci projektu SGS127/2017: Přesun 7565 Kč z položky 5 Služby do položky 8 Konference Přesun 7435 Kč z položky 5 Služby do položky 3 Materiálové náklady Přesun 1077 Kč z položky 5 Cest. náhrady do položky 4 Drobný hmotný a nehmotný majetek Přesun 4353 Kč z položky 5 Cest. náhrady do položky 3 Materiálové náklady Rozpočet projektu uznané náklady Běžné finanční prostředky celkem 1 Osobní náklady celkem Z toho: 1.1 Mzdy (včetně pohyblivých položek) Mzda řešitele projektu (v případě kombinovaného doktorského studia řešitele, který je současně zaměstnancem, popř. mzda školitele), součet mezd, odměn dle dohod. 1.2 Odvody pojistného na veřejné zdravotní pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti 2 Stipendia dle zákona č. 111/1998 Sb., 91, odst. 2 písm. b), c), e) Návrh (tis. Kč) Skutečnost (tis. Kč) 9 měsíčních stipendií ve výši 3 tis. Kč pro 2 doktorandy (54 000,-) měsíční stipendium ve výši 3 tis. Kč pro 1 studentku magisterského studia (27 000,-) 3 Materiálové náklady Spotř. mat. -ostatní (2777,-) Spotř. mat. -kanc. potř. (2940,-) Spotř. mat. lab. sklo (47 807,-) 65,337 77,122 Spotř. mat. výpoč. tech. (20 179,-) Spotř. mat. -elektro (2827,-) Spotř. mat. -ost. údržba (208,-) 29

33 Spotřeba mat. -elektro. (384,-) 4 Drobný hmotný a nehmotný majetek 40 41,077 5 Služby Cestovní náhrady Cest. 262/06 Sb. -tuz. (9836,-) Cest. 262/06 Sb. -zahr. (4734,-) 7 Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory 8 Konference (max. do výše 10% poskytnuté podpory) 9 Investice Celkem běžné finanční prostředky na projekt v rámci specifického vysokoškolského výzkumu 20 14, ,565 Plánované náklady (Σ) Uznané náklady (skutečné náklady) 243, ,337 30

34 9. Závěr Byly vypracovány dva dokumenty zabývající se bezpečnosti práce v laboratoři Spektroskopie. Analýza rizik pro laboratoř spektroskopie LD106 a Bezpečnostní pokyny pro práci v laboratoři spektroskopie LD106. Pro sběr dat z diskrétních senzorových bodů a jejich vyhodnocování je navržena cenově levná varianta řešení koncipovaná s využitím mikropočítače Raspberry Pi. Prezentovaný způsob řešení představuje možnou alternativu, jak realizovat systém monitorování a detekce prostřednictvím cenově dostupných technologií. Benefit realizace systému monitorování s využitím otevřených platforem cenově levných vývojových kitů, představuje jeden z hlavních faktorů, který byl zohledněn, v rámci výše prezentovaného variantního řešení systému monitorování a detekce plynů. Motivací návrhu i realizace takto koncipovaného systému, bylo především využít tento cenově dostupný způsob řešení pro monitorování koncentrací oxidu uhelnatého v prostředí laboratoří Fakulty bezpečnostního inženýrství. Metoda TDLAS a její potenciální využití pro detekci oxidu uhelnatého se vyznačuje vysokou mírou selektivity a citlivosti měření při vhodně zvoleném zdroji infračerveného záření. Experimentálně bylo naměřeno infračervené absorpční spektrum směsi oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Byla provedena kalibrace tohoto spektrálního skenu se spektrem získaným modelováním z databáze HITRAN. Následně byly diskutovány možnosti detekce CO pomocí metody TDLAS a její možné rozšíření vhodným způsobem mimo laboratorní podmínky, jako použití metody QEPAS. detekce pomocí metody QEPAS spočívá v naladění laseru na vlnovou délku IR záření odpovídající vybrané absorpční linii měřeného plynu. Laser je fokusován pomocí optických prvků mezi hroty QTF a modulován s frekvencí fl=fqtf /2 tímto vznikají v kyvetě akustické vlny s odpovídající frekvencí, to má vliv na oscilaci QTF. Za účelem automatizovaného zpracování dat získaných pomocí vlnočtově modulační spektroskopie (WMS) byla prakticky implementována procedura pro fitování tvaru linií. Orientace na zmiňovaný typ spécie vychází především ze snahy minimalizovat riziko ohrožení bezpečí personálu laboratoří, při experimentálních laboratorních studiích zabývajících se studiem procesů hoření a hašení, kde lze očekávat výskyt i proměnlivost koncentrace tohoto produktu při nedokonalé formě hoření. Činnost srovnání parametrů odezvy jednotlivých senzorových systémů bude součástí disertační práce hlavního řešitele. 31

35 Všechny finanční přidělené finanční prostředky byly zcela vyčerpány při plnění dílčích cílů projektu SGS 127/2017. Dílčí výsledky práce byly publikovány na čtyřech mezinárodních konferencích, celkem bylo prezentováno šest příspěvků. Jako výstup v podobě sepsání a odeslání článku do odborného periodika zařazeného v databázo SCOPUS byl připraven k odeslání příspěvek An Automated Line-Shape Fitting Procedure for Wavelength Modu-lation Spectroscopy in Gaseous Flows, který bude odeslán do Measurement science review. Výsledky měření a získané poznatky projektu budou nadále využity pro zpracování disertačních prací hlavního řešitele Ing. Václava Válka Senzorové sítě pro monitorování nebezpečných plynů v komplexních průmyslových areálech a řešitele Ing. Michal Dostála Mikro/nanomechanické senzory pro monitorování atmosférických škodlivin. 32

36 Literatura [1] MQ-9 Semiconductor Sensor for CO/Combustible Gas [online]. nedatováno [vid ]. Dostupné z: [2] DRÁBEK, Adam. Návrh a realizace chytrého budíku na základě detekce spánkových fází uživatele [online]. B.m., 2015 [vid ]. Univerzita Hradec Králové Fakulta informatiky a managementu. Dostupné z: [3] Micro air pump, Model:SC3101PM [online]. nedatováno [vid ]. Dostupné z: [4] Arduino Yún. Arduino [online] [vid ]. Dostupné z: [5] ŘEZNÍČEK, Radek. MODULÁRNÍ KAMEROVÝ PŘEHLEDOVÝ SYSTÉM MODULAR CCD CAMERAS SURVEILLANCE SYSTEM DIPLOMOVÁ PRÁCE [online]. B.m., 2017 [vid ]. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. Dostupné z: [6] HLOUŠKOVÁ, Lenka. Detekce plynů jako prvek technické bezpečnosti osob a majetku [online]. B.m., 2016 [vid ]. Vysoká škola báňská technická univerzita Ostrava, fakulta bezpečnostního inženýrství. Dostupné z: 16.pdf?sequence=1&isAllowed=n [7] HILL, Christian, Iouli E. GORDON, Roman V. KOCHANOV, Lorenzo BARRETT, Jonas S. WILZEWSKI a Laurence S. ROTHMAN. HITRANonline: An online interface and the flexible representation of spectroscopic data in the HITRAN database [online]. 2016, 177, ISSN Dostupné z: doi: /j.jqsrt [8] ZHAO, Gang, Wei TAN, Jiajia HOU, Xiaodong QIU, Weiguang MA, Zhixin LI, Lei DONG, Lei ZHANG, Wangbao YIN, Liantuan XIAO, Ove AXNER a Suotang JIA. Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy based on a swiftly determined wavelength-modulation frequency response function of a DFB laser. Optics Express [online]. 2016, 24(2), 1723 [vid ]. ISSN Dostupné z: doi: /oe [9] SUCHÁNEK, Jan, Michal DOSTÁL, Tereza VLASÁKOVÁ, Pavel JANDA, Monika KLUSÁČKOVÁ, Pavel KUBÁT, Václav NEVRLÝ, Petr BITALA, Svatopluk CIVIŠ a Zdeněk ZELINGER. First application of multilayer graphene cantilever for laser photoacoustic detection. Measurement [online]. 2017, 101, 9 14 [vid ]. ISSN Dostupné z: doi: /j.measurement [10] DOSTAL, M., J. SUCHANEK, P. KUBAT, P. JANDA, S. CIVIS, Z. ZELINGER, V. VALEK, V. NEVRLY, P. BITALA, S. SLIVKOVA a E. KRISTLOVA. Gas detection by quartz enhanced photoacoustic spectroscopy [online] [vid ]. Dostupné z: doi: /6eunetair2016/15 [11] KOSTEREV, Anatoliy A, Frank K TITTEL, Dmitry V SEREBRYAKOV, Alexander L MALINOVSKY a Igor V MOROZOV. Applications of quartz tuning forks in spectroscopic gas sensing [online]. nedatováno [vid ]. Dostupné z: doi: / [12] ZHENG, Huadan, Lei DONG, Xukun YIN, Xiaoli LIU, Hongpeng WU, Lei ZHANG, Weiguang MA, Wangbao YIN a Suotang JIA. Ppb-level QEPAS NO2 sensor by use of electrical modulation cancellation method with a high power blue LED. Sensors and Actuators B: Chemical [online]. 2015, 208, [vid ]. ISSN Dostupné 33

37 z: doi: /j.snb

38 Příloha č. 1 Analýza rizik V laboratoři spektroskopie LD106 Obsah části: 1. Identifikace zdrojů rizik a selekce relevantních nebezpečí v laboratoři spektroskopie Přehled nebezpečných zařízení v objektu Přehled nebezpečných látek a jejich chemicko-fyzikálních a bezpečnostních vlastností Zdravotní dopady různých vlnových délek laseru Analýza rizik Identifikace možných situací a příčin (podmínek), které můžou vést k události, při které dojde k újmu na zdraví či majetku pracoviště nebo k tomu mohlo dojít tzv. skoronehody Popis identifikovaných scénářů Hodnocení rizik Zvolené kritéria pro hodnocení rizik Výpočet rizika jednotlivých scénářů Zobrazení rizik v matici 7 4. Závěr Seznam použité literatury. 10 SEZNAM TABULEK A OBRÁZKŮ: Tabulka 1 přehled nebezpečí v laboratoři[6] 1 Tabulka 2 charakteristika laserů. 2 Tabulka 3 chemicko-fyzikální a bezpečnostní parametry nebezpečných látek [8] 2 Tabulka 4 chemicko-fyzikální a bezpečnostní parametry nebezpečných látek[8] 2 Tabulka 5 zdravotní dopady laseru[6] 3 Tabulka 6 Vybrané zdroje nebezpečí v laboratoři spektroskopie k nim relevantní transportní cestu, ohrožený cíl a dopady. 5 Tabulka 8 zvolené kritéria pro hodnocení rizik. 7 Tabulka 9 výpočet rizika u jednotlivých scénářů. 8 Tabulka 10 zobrazení scénářů do matice rizik. 8 35

39 1. Identifikace zdrojů rizik a selekce relevantních nebezpečí v laboratoři spektometrie Zdroje rizika byly v objektu laboratoře spektroskopie na Fakultě bezpečnostního inženýrství Vysoké školy báňské Technické univerzity Ostrava identifikovány: Tabulka 1 přehled nebezpečí v laboratoři[6] č. Název skupiny výskyt č. zdroje rizika Zdroj rizika Možnost výskytu v objektu 1 Nebezpečí spjaté s paprskem laseru ANO 1.1 Laser ANO 2.1 Pulzní mód laseru NE 2 Nebezpečí vyplývající z povahy materiálu ANO 2.1 Stlačené plyny ANO 2.2 kryogenní materiál NE 2.3 toxický materiál NE 2.4 karcinogenní materiál NE 2.5 hluk NE 3 Nebezpečí výbuchu/požáru ANO 3.1 Výbušné/hořlavé látky ANO 3.2 Vysokotlaké obloukové lampy NE 3.3 Žárovky/zářivky ANO 3.4 krytu laseru z hořlavého materiálu ANO 3.5 energie převyšující 10 W/cm² NE 36

40 3.6 Hořlavost kabelů a součástek ANO 4 Ostatní optické nebezpečí NE 4.1 Vysokofrekvenční energie s plazmových trubek NE 4.2 X- paprsky NE 5 Kolaterální (vedlejší) emise záření NE 5.1 UV záření NE 5.2 Čerpací zařízení (lampy) NE 6 Nebezpečí spjaté s el. zařízením ANO 6.1 Elektrický proud ANO 6.2 Kabely/dráty ANO 7 Tvorba nebezpečných látek laserem NE 7.1 Polycyklických uhlovodíků NE 7.2 Kyanovodík nebo benzen NE 7.3 Tavený křemen NE 7.4 Těžké kovy NE 7.5 Kyanid, formaldehyd a syntetické/přírodní vlákna NE 8 Nebezpečí spjaté s manipulaci s hořáky ANO 8.1. Popálení od plamene ANO 8.2. Nadýchání plynu ANO 8.3. Požár ANO 37

41 1.1 Přehled nebezpečných zařízení v objektu Tabulka 2 charakteristika laserů Název Zdroj nebezpečného zařízení Počet zařízení Klasifikace zařízení Výkon emitovaného paprsku Fyzikální charakteristiky zařízení Vlnová délka (rozsah) Režim *Aktivn í prostřed í EP1572-DM- B Diodový laser 1 3R 4mW nm lineární/pulzní P-N TLK-L1950R Diodový laser 1 3B 7mW nm lineární/pulzní P-N *Aktivní prostředí je tvořeno látkou, která obsahuje oddělené kvantové energetické hladiny elektronů. Může jím být pevná látka s příměsemi, kapalina i směs plynů. 1.2 Přehled nebezpečných látek a jejich chemickofyzikálních a bezpečnostních vlastností Tabulka 3 chemicko-fyzikální a bezpečnostní parametry nebezpečných látek [8] Název chemické látky Chemický vzorec množstv í skupenství Bod varu Chemicko-fyzikální charakteristiky Molární hmotnost Bod vzplanutí Bod samovznícení Relativní hustota par Dimethylethe r C2H6O 1.5l Kapalina -24,82 C 46,042 g/mol -41 C 350 C 1.6 (vzduch=1) Methan CH4 60l Stlačený plyn -161 C 16 g/mol -188 C 537 C (vzduch=1) Oxid uhelnatý CO 60l Stlačený plyn -191,5 C g/mol -191 C 605 C (vzduch=1) Argon Au 60l Stlačený plyn C g/mol (vzduch =1) 38

42 Tabulka 4 chemicko-fyzikální a bezpečnostní parametry nebezpečných látek[8] Název chemické látky Chemický vzorec CAS Název podle IUPAC Klasifikace látky (CLP) H-věty P-věty Dimethylether C2H6O methoxymethane Flam. Gas 1; Press. Gas: H220, H280 P210, P377, P381, P403, P41, P403 Methan CH methane Flam. Gas 1; Press. Gas: H220, H280 P403, P203, P243, P240 Oxid uhelnatý CO carbon monoxide Flam. Gas 1; Press. Gas; Acute Tox. 3; Repr. 1A; STOT RE 1; H220 H280 H331 H360D H372 P202,P210,P260,P340+P3 04, P308+P313,P381,P403,P4 05 Argon Ar argon Press. Gas: H280 P282, P315, P336, P403, P41, P Zdravotní dopady vybraných zdrojů rizik Působení laseru na lidský organismus Hlavním rizikem používání laseru je možnost poškození zraku. Některé lasery pracují na frekvencích, které jsou okem zachycována a vímána. Protože je laser koherentní a má nízkou divergenci, jeho paprsek je soustředěn na velmi malou plochu sítnice, čímž dochází k přehřátí určitého bodu a může dojít i k trvalému poškození zraku. V tabulce níže jsou uvedené dopady v závislosti na vlnové délce laseru.[9] 39

43 Tabulka 5 zdravotní dopady laseru[6] Vlnová délka laseru Dopady na různé části těla Oči Pokožka Ultrafialové záření C (200 nm-280 nm) Fotokeratitida zánět rohovky Erythema Nodosum - zánět pokožky, Kožní rakovina, urychlení stárnutí pokožky Ultrafialové záření B (280 nm-315 nm) Fotokeratitida zánět rohovky Zvýšená pigmentace Ultrafialové záření A (400 nm-780 nm) Fotochemický šedý zákal tmavnutí pigmentu, popálení Viditelné (400 nm nm) Fotochemické a tepelné poškození sítnice tmavnutí pigmentu, fotosenzitivita, popálení Infračervené A (780 nm nm) šedý zákal, popálení retiny popálení Infračervené B (1.4 mm mm) Popálení rohovky, zakalení komorové vody, šedý zákal popálení Infračervené C (3.0 mm mm) Popálení rohovky popálení Otrava oxidem uhelnatým a příznaky Toxicita oxidu uhelnatého spočívá v tom, že se po vdechnutí jeho molekuly dostanou z plic do krve a v ní se navážou na molekuly hemoglobinu. Hemoglobin je sloučenina v červených krvinkách, která umí přenášet kyslík z plic do tkání a oxid uhličitý z tkání do plic. Jakmile se oxid uhelnatý na hemoglobin naváže, nastává vážný problém vzniklá sloučenina, karbonylhemoglobin, je velice stabilní a jen neochotně se rozpadá. Jinak řečeno, oxid uhelnatý brání tomu, aby se na hemoglobin vázal kyslík. To má za následek narušení zásobování tkání kyslíkem. Hlavní příznaky otravy oxidem uhelnatým: bolesti hlavy nevolnost a závratě 40

44 malátnost a zmatenost otupělost a ospalost třešňové zabarvení kůže, nehtů, rtů, jazyka a sliznice větší pocit sebejistoty (paradoxní euforie) zrychlené dýchání a zrychlený srdeční tep šok a bezvědomí smrt při navázání více jak 60 % CO[8] dopady el. proudu na lidský organismus Negativní účinky závisí na řadě faktorů, které určují, jak bude organismus reagovat na procházející proud. Lze je dělit na přímé (průchod elektrického proudu tkáněmi) a nepřímé (popáleniny při zažehnutí oděvu, zlomeniny). Kontakt s elektrickým proudem nezpůsobuje vždy jen akutní poškození, může mít i pozdní účinky, objevující se po delší době. Míra negativních důsledků závisí mimo jiné i na poskytnutí kvalitní první pomoci. Míra poškození organismu je přímo úměrná velikosti protékaného proudu. Rozčlení závislosti dopadů na lidský organismus na velikosti protékajícího proudu: 0,5 až 1 ma práh vnímání el. proudu, 1 až 8 ma podráždění v nervech, stoupání krevního tlaku, 6 až 15 ma způsobuje tetanickou křeč, člověk se nemůže uvolnit 25 ma tetanická křeč dýchacího svalstva 60 ma chvění srdeční komory (fibrilace), přechodná zástava srdce nad 80 ma zpravidla trvalá zástava srdce[3] Analýza rizik 2.1 Identifikace možných situací a příčin (podmínek), které můžou vést k události, při které dojde k újmě na zdraví či majetku pracoviště nebo k tomu mohlo dojít tzv. skoronehody Tabulka 6 Vybrané zdroje nebezpečí v laboratoři spektroskopie k nim relevantní transportní cestu, ohrožený cíl a dopady Zdroj nebezpečí Transportní cesta Ohrožený cíl Specifikace cíle Dopady 41

45 Laser Přímé působení paprsku Lidské zdraví Zrakový orgán Pokožka Popálení rohovky, zakalení komorové vody, šedý zákal, popálení pokožky Divergence (vychýlení) paprsku Stlačené plyny Manipulace s tlakovou láhví a přívody, obsažené plyny přímo v zařízení Lidské zdraví, vybavení pracoviště celý organismus, vybavení laboratoře Pohmožděniny až zlomeniny nebo škoda na majetku pracoviště. Těžké poškození zdraví způsobené fragmentací pláště tlak. láhve. Výbušné/hořlavé látky Neopatrná manipulace nádobou s hořlavou látkou, špatné skladování hořlavých látek Lidské zdraví, vybavení pracoviště celý organismus zvlášť smyslové orgány (oči, uši ) Tepelné, tlakové zranění a řezné rány fragmenty iniciované tlakovými projevy výbuchu. Intoxikace zplodinami hoření. Ostré střepy žárovky/zářivky prasknutí skla žárovky, zářivky Lidské zdraví Nechráněné části těla zvlášť smyslové orgány (oči, uši ) Řezné rány Elektrický proud Špatně izolované el. Obvody Lidské zdraví, vybavení pracoviště Kardiovaskulární soustava, pokožka Křečovitý stah svalů, popáleniny (stejnosměrný proud), zástava srdce (při nízké frekvenci střídavého proudu) Kabely/dráty Nadměrné počet drátů a kabelů na podlaze, které vytvářejí nebezpečí pádu nebo skluzu Lidské zdraví, vybavení pracoviště celý organismus, vybavení laboratoře náchylné na rozbití Pohmožděniny, odřeniny v nejhorším případě zlomeniny či otřesy mozku. Vytrhnutí el. kabelů a rozbití vybavení pracoviště samotným pádem. toxický materiál Manipulace se vzorky, případně nádoby s materiálem Lidské zdraví Dýchací soustava Nevolnost, zvracení, motání hlavy a únava. V těžších případech se mohou objevit křeče, porucha vědomí, zmatenost, halucinace, poruchy srdečního rytmu a nakonec i smrt. Hořák Působení plamene/ horké části hořáku Lidské zdraví Celé tělo Popálení jakékoliv části těla Intoxikace plynem Dýchací soustava Udušení, malátnost, bolesti hlavy 42

46 2.2 Popis identifikovaných scénářů Označení scénáře Zkrácený název. Popis scénáře 1. Odraz světelného paprsku laseru o hladké povrchy Hladké a lesklé povrchy, jako jsou mobily, zrcadla, skla hodinek atd., jsou schopny odrazit 100% světelného toku, aniž by změnily průměr světelného toku. Takto odražený paprsek má na rozdíl od difúzních odrazů stejnou nebezpečnost jak nedražený paprsek z laseru a tím i stejné dopady. 2. Odraz světelného paprsku laseru o zakřivené povrchy Zakřivené objekty (mají schopnost odrazit světelný tok. Pak záleží na druhu zakřivení objektu (konvexní/konkávní) jestli se paprsek rozptýlí nebo se po odražení spojí a působí 100% silou na ohrožený cíl. 3. Neopatrná manipulace s tlak. láhví Při neopatrné manipulaci s tlakovou láhví a její následné převržení. Zahřátí pláště láhve nad kritickou teplotu následný únik plynu přes pojistný ventil a při nefunkčnosti pojistného ventilu hrozí porušení integrity pláště až jeho fragmentace do okolí. 4. Exploze par a fragmentace materiálu Únik par výbušné látky a vzniknutí výbušné atmosféry a následná iniciace. Výbuchem roztříštěné fragmenty vybavení pracoviště (hlavně ze skla, či malých železných součástek) mají potenciál způsobit řezné zranění zvlášť nechráněných části lidského organismu. Po výbuchu zahoří hořlavé vybavení pracoviště, ze kterých se uvolní toxické sloučeniny. 5. Prasknutí žárovky Při prasknutí zářivky, upadnutí na zem dochází rozlet ostrých fragmentů a jejich přímý dopad na pracovníky anebo jejich rozptyl po pracovišti, kde hrozí kontaktem (šlápnutí, dotekem, ) ke zranění. 6. Samovznícení kabelů a el. součástí Riziko samovznícení kabelů a součástek el. obvodů a jiných součástek z hořlavých materiálů, které mají potenciál být příčinou anebo rozšíření požáru na pracovišti. 7. Úraz el. proudem Přímý dotek na živé části el. obvodů. Nepřímý dotek na původní neživé části, které se díky špatné izolaci staly živými. 43

47 8. Zakopnutí, zachycení, uklouznutí Zakopnutí/zachycení/uklouznutí o špatně uložené a zabezpečené kabely. 9. Intoxikace plynem Nedostatečně utěsněné spoje přívodů oxidu uhelnatého můžou být příčinou úniku a nahromadění tohoto toxického plynu v místnosti laboratoře. Následná intoxikace plynu pracující osobou. 10. Působení plamene Neopatrná manipulace se zapáleným nebo ještě nevychladlým hořákem 2.3 Zvolené kritéria pro hodnocení rizik Tabulka 8 zvolené kritéria pro hodnocení rizik P-st Dopad 4. stupeň Kritick ý 1 5 Velmi pravděpodobný Usmrcení, nebo těžké úrazy s doživotními následky. Finanční škoda nad Kč. 3. stupeň Vysoký 1 0 Pravděpodobný Těžké zdravotní dopady - Nutná hospitalizace a pracovní neschopnost přesahující 3 pracovní dny ale bez doživotních následků. Finanční škoda do Kč 2. stupeň střední 5 Středně pravděpodobný Středně těžké zdravotní dopady - Nutná hospitalizace a pracovní neschopnost do 3 pracovních dnů. Finanční škoda do Kč 1. stupeň nízký 1 Málo pravděpodobný Malé zdravotní dopady - Ošetření na pracovišti bez nutnosti nemocenské. Finanční škoda do 1000 Kč. *Kritéria byla zvolena konzultací z provozovatelem. 44

48 2.4 Výpočet rizika jednotlivých scénářů Tabulka 9 výpočet rizika u jednotlivých scénářů č. scénáře Zkrácený název scénáře P-st Dopad riziko R = PxD 1 Odraz světelného paprsku Laseru o hladké povrchy Odraz světelného paprsku laseru o zakřivené povrchy Neopatrná manipulace s tlak. láhví Exploze par a fragmentace materiálu Prasknutí žárovky Samovznícení kabelů a el. součástek Úraz el. proudem Zakopnutí, zachycení, uklouznutí Intoxikace plynem Popálení hořákem Zobrazení rizik v matici Tabulka 10 zobrazení scénářů do matice rizik P-st [5] [8,10] [3,4, 1,2] 1 [6] [7,9] riziko vyžaduje okamžité odstranění riziko vyžaduje zvýšenou pozornost přijatelná úroveň rizika Dopady 45

49 2. Závěr Analýza byla provedena pro laboratoř spektroskopie v učebně LD106. Výsledky analýzy jsou následovné: Žádné riziko nedosáhlo kritické hodnoty vyžadující okamžitého odstranění nicméně, jako největší rizika analýza odhalila úraz elektrickým proudem a intoxikaci plynem (zejména oxidem uhelnatým), které vyžadují zvýšenou pozornost. Hlavní příčinou výsledku výše zmíněných rizik je závažnost dopadu na lidské zdraví, které může být kritické (doživotní následky nebo úmrtí*). Do oblasti se zvýšenou pozorností byla vyhodnocena čtyři rizika a to odraz světelného paprsku Laseru o hladké povrchy, odraz světelného paprsku laseru o zakřivené povrchy, neopatrná manipulace s tlak. láhví, exploze par a fragmentace materiálu, které na rozdíl od prvních dvou měly menší dopady (těžké zdravotní dopady). Poslední tři rizika vyšly jako přijatelné, tato rizika (zakopnutí, zachycení, uklouznutí; popálení hořákem; samovznícení kabelů a el. součástek; prasknutí žárovky) ačkoliv nevyšla vysoko, tak se sněmy musí počítat a brát je na zřetel. Doporučení, které vychází z analýzy je: dbát zásad bezpečnosti (dodržovat provozní řád laboratoře, mít OOPP, dbát pokynů uvedených návodů použití, nepoužívat lasery jinak než k čemu jsou určeny, *V analýze byl uplatněn konzervativní přístup, který vystihuje nejméně příznivý případ 46

50 3. Bibliografie 1. ANON., nedatováno. Analýza a řízení rizik BOZP. Hodnocení a management CRDR [online] [vid ]. Dostupné z: 2. ANON., nedatováno. Safety, Accidents, and Human Error Human Factors Psychology Dr. Steve. - ppt download [online] [vid ]. Dostupné z: 3. ANON., nedatováno. Účinky elektrického proudu na organismus WikiSkripta [online] [vid ]. Dostupné z: anismus 4. ČESKO. Nařízení vlády č. 291/2015 Sb. In: Zákony pro lidi.cz [online]. AION CS [cit ]. Dostupné z: 5. HEALTH & SAFETY BRIEFING NO. 03, The Costs of Accidents and Ill-Health in the Workplace. The instituion of Engineering and Technology [online] [vid ]. Dostupné z: 6. PRINCETON, University, Laser Training Guide (1).pdf [online]. září B.m.: Environmental Health and Safety. Dostupné z: 7. RWE, BEZPEČNOSTNÍ LIST:ZEMNÍ PLYN NEODORIZOVANÝ, V PLYNNÉM STAVU S TLAKEM NAD 4 MPa [online]. 1. srpen B.m.: RWE. Dostupné z: 8. ANON., nedatováno. The PubChem Project [online] [vid ]. Dostupné z: 9. ANON., nedatováno. Laser WikiSkripta [online] [vid ]. Dostupné z: 47

51 Příloha č. 2 B e z p e č n o s t n í p o k y n y p r o p r á c i v l a b o r a t o ř i s p e k t r o s k o p i e 48

52 Obsah Úvod 3 1 Právní předpisy a normy 3 2 Rizika v laboratoři spektrometrie 4 3 Bezpečnostní pokyny Základní pravidla a zásady bezpečné práce Manipulace s lasery Manipulace s tlakovými láhvemi Manipulace s hořáky Manipulace s nebezpečnými látkami a směsmi 10 Dimethytether 10 Methan 11 Oxid uhelnatý 11 Argon 11 Závěr 12 49

53 Úvod Při práci v laboratoři může dojít k úrazu, pokud nebudou dodržovány základní pravidla bezpečné práce. Jedná se především o práci s lasery, plamenem, chemickými látkami a elektrickým proudem. Každá osoba před vstupem do laboratoře spektrometrie musí být seznámena s těmito bezpečnostními pokyny, jehož součásti je dokument Analýza rizik pro laboratoř spektrometrie LD Právní předpisy a normy Zákon č. 262/2006 Sb., zákoník práce, v platném znění Zákon č. 309/2006 Sb., zákon o zajištění dalších podmínek bezpečnosti a ochrany zdraví při práci, v platném znění Vyhláška č. 48/1982 Sb., ČÚBP, kterou se stanoví základní požadavky k zajištění bezpečnosti práce a technických zařízen, v platném znění Zákon č. 133/1985 Sb., zákon o požární ochraně, v platném znění Vyhláška č. 246/2001 Sb., o požární prevenci, v platném znění Nařízení vlády č. 291/2015 Sb., o ochraně zdraví před neionizujícím zářením Zákon č. 350/2011 Sb., chemický zákon, v platném znění ČSN EN ed.2 Bezpečnost laserových zařízení Část 1: Klasifikace zařízení a požadavky ČSN EN Průmyslová tepelná zařízení Část 2: Bezpečnostní požadavky na zařízení ke spalování a manipulaci s palivy. ČSN EN Výbušná prostředí Zamezení a ochrana proti výbuchu Část 1: Základní pojmy a metodologie 50

54 2. Rizika v laboratoři spektrometrie V tabulce 1 je uvedena analýza rizik pro laboratoř spektrometrie. Podrobnější analýza rizik je uvedena v dokumentu Analýza rizik Laboratoř spektrometrie LD102. Tabulka 1: Analýza rizik Zdroj nebezpečí Transportní cesta Ohrožený cíl Specifikace cíle Dopady Laser Přímé působení paprsku Divergence (vychýlení) paprsku Lidské zdraví Zrakový orgán Pokožka Popálení rohovky, zakalení komorové vody, šedý zákal, popálení pokožky Stlačené plyny Manipulace s tlakovou láhví a přívody, obsažené plyny přímo v zařízení Lidské zdraví, vybavení pracoviště celý organismus, vybavení laboratoře Pohmožděniny až zlomeniny nebo škoda na majetku pracoviště. Těžké poškození zdraví způsobené fragmentací pláště tlak. láhve. Neopatrná manipulace Tepelné, tlakové zranění a Výbušné/hořlavé látky nádobou s hořlavou látkou, špatné Lidské zdraví, vybavení celý organismus zvlášť smyslové orgány (oči, řezné rány fragmenty iniciované tlakovými projevy skladování hořlavých pracoviště uši ) výbuchu. Intoxikace látek zplodinami hoření. Ostré střepy žárovky/zářivky prasknutí skla žárovky, zářivky Lidské zdraví Nechráněné části těla zvlášť smyslové orgány (oči, uši ) Řezné rány Elektrický proud Špatně izolované el. Obvody Lidské zdraví, vybavení pracoviště Kardiovaskulární soustava, pokožka Křečovitý stah svalů, popáleniny (stejnosměrný proud), zástava srdce (při nízké frekvenci střídavého proudu) Kabely/dráty Nadměrné počet drátů a kabelů na podlaze, které vytvářejí nebezpečí pádu nebo skluzu Lidské zdraví, vybavení pracoviště celý organismus, vybavení laboratoře náchylné na rozbití Pohmožděniny, odřeniny v nejhorším případě zlomeniny či otřesy mozku. Vytrhnutí el. kabelů a rozbití vybavení pracoviště samotným pádem. 51

55 Nevolnost, zvracení, motání hlavy a únava. V těžších Manipulace se vzorky, případech se mohou objevit toxický materiál případně nádoby Lidské zdraví Dýchací soustava křeče, porucha vědomí, s materiálem zmatenost, halucinace, poruchy srdečního rytmu a nakonec i smrt. Hořáky Působení plamene Lidské zdraví Celé tělo Popálení jakékoliv části těla Intoxikace plynem Dýchací soustava Udušení 3. Bezpečnostní pokyny 3.1. Základní pravidla a zásady bezpečné práce V laboratoři je zakázáno jíst, pít a kouřit. Práce musí být prováděny soustředěně, uvážlivě a velmi opatrně! Před zahájením práce je vždy nutno se seznámit podrobně s pracovním návodem a je nutné ho dodržovat. Před zahájením práce, je nutné se pečlivě seznámit s riziky, které plynou z používaných nástrojů, vlastností chemických látek a prováděných pokusů! V případě dlouhých vlasů je nutné je mít vždy svázané nebo pod přikrývkou. Při pokusech je nutné používat stanovené OOPP. Pamatujte si důležitá telefonní čísla na hasiče (150), záchranku (155), policii (158) i tísňové volání (112)! Všechny láhve v laboratoři musí být čitelně a srozumitelně označeny nápisem, co obsahují! Laboratoř musí být označena bezpečnostními informačními tabulemi - např. Cizím osobám vstup zakázán! Před zahájením prací s lasery je nutné se detailně s principy fungování každého přístroje, se kterým se bude pracovat. Vždy je nutno dodržovat bezpečnostní pokyny, které jsou vyplývající z manuálu! V laboratoři vždy se smí pracovat pouze s označenými chemikáliemi! Pracovat v laboratoři pouze v odpovídajícím zdravotním stavu! Nikdy laboratoř nesmí zůstat bez dozoru a nepouštět do ní děti nebo jiné nepovolané osoby! Experimenty je nutné provádět při zapnuté VZT jednotce. Při provádění experimentů je nutné dbát zvýšené pozornosti i na své okolí! 52

56 Při zasažení rukou, očí nebo jiné části těla chemickou látkou postupujte dle pokynů uvedených v Bezpečnostním listu dané látky. V případě otevření lahve s chemickou látkou, nikdy ji neodkládat na stůl. Nádobu pak hned je nutné uzavřít. Je nutné dodržovat zákonné požadavky pro nakládání, manipulaci a likvidaci nebezpečného odpadu! Je zakázáno čichat přímo k chemikáliím! Vždy zlehka přivonět mávnutím ruky! Je zakázáno ochutnávat chemické látky, mohlo by to být smrtelné! Při pracích s elektrickými zařízeními je nutno dbát zásad bezpečné práce. Osoby manipulující s elektrickými zařízeními musí mít způsobilost dle 11 vyhlášky č. 50/1978 Sb., o odborné způsobilosti v elektrotechnice, v platném znění. Hořlavé látky nesmí být odkládány v blízkosti plamene! V případě rozlití nebo rozsypání chemické látky, musí být látka ihned uklízena dle pokynů uvedených v Bezpečnostním listu dané látky. Při dokončení experimentů musí být nástroje očištěny a uklizeny. Všechny přístroje musí být vypnuty Manipulace s lasery V laboratoři spektrometrie jsou používány lasery, které jsou klasifikovány jako lasery kategorie 3B a 3R. Při práci s lasery je nutno dbát pokynů uvedených v návodech použití. Lasery nesmí být používány k jiným účelům, než jsou k jakým určeny. Prvním opatřením je nutnost zajistit organizaci práce, pracovní postup a uspořádat pracoviště tak, aby bylo dosaženo snížení expozice zaměstnance. Druhým opatřením je zajištění ochranných osobních pracovních prostředků, v případě, je-li pro daný druhy záření dostupné. Každému kdo manipuluje s lasery, musí být poskytnuty informace před započetím prací o nejvyšších přípustných hodnotách, způsobu zajišťování a o možných rizicích z jejich překročení, o přímých i nepřímých účincích na zdraví, o způsobu, jak rozpoznat zdraví škodlivé účinky a jak je ohlašovat. V případě používání laserů třídy 3B je nutno lasery vybavit signalizaci chodu, a to buď světelnou, nebo akustickou. U světelné signalizace musí být barva signalizačního světla taková, aby byla viditelná i přes ochranné brýle. Dále lasery třídy 3B musí být zabezpečeny proti uvedení do chodu nepovolanou osobou. 53

57 Místnost s lasery musí být označeny bezpečnostními značkami pro laserové zařízení a zákazem vstupu nepovolaným osobám. Pro zajištění nekontrolovaného zrcadlového odrazu paprsku musí být z dráhy paprsku odstraněny všechny předměty, které by mohly způsobit odraz paprsku. Paprsek musí být ukončen matným terčem s malým činitelem odrazu. Jestliže nelze zajistit chod paprsku tak, aby nezasáhl sklo v oknech, zakryjí se okna materiálem nepropouštějící záření použité vlnové délky. Ke každému laseru musí být připojená technická dokumentace, která musí obsahovat nezbytné informace pro ochranu zdraví při zacházení s lasery. Obsahem každé technické dokumentace musí být uvedena vlnová délka laserového záření a druhu laserového aktivního prostředí, režim generování laserového záření, průměr svazku záření na výstupu laseru a jeho rozbíhavost. V případě laserů generující zářivý tok musí být uvedena informace o největším zářivém toku ve spojitém režimu. U impulsivních režimů zářivé energie v jednom impulsu, nejdelší a nejkratší trvání jednoho impulsu, největší a nejmenší opakovací frekvence impulsů. U laserů v impulsivním režimu s vysokou opakovací frekvencí údaje o nejdelší a nejkratší trvání jednoho impulsu, největší a nejmenší opakovací frekvence impulsů a dále největší střední zářivý tok vystupujícího záření. Informace o zařazení laseru do třídy, návod k obsluze, k údržbě a v případě potřeby musí být uvedená důležitá upozornění o zákazu snímání krytu u laserů nebo upozornění na nebezpečí vyplývající z pozorování paprsků optickými pomůckami. Informace o výrobci a údaje o jiných faktorech než záření, vznikajících při chodu laseru, které by mohly nepříznivě ovlivnit pracovní podmínky nebo zdraví. Obrázek 1: Vzor bezpečnostních značek 3.3. Manipulace s tlakovými láhvemi 54