In vielen Varianten

Dr. Wolfgang Jessel, Dr. Robert Kessel

Bei den brennbaren Gasen und Dämpfen sind nur sehr wenige – vermutlich weniger als 5% – anorganischer Natur. Hierzu gehören H2, NH3, CS2, HCN, H2S und Hydride wie PH3, AsH3, B2H6 usw. Der überwiegende Teil sind organische Substanzen, die auf Kohlenwasserstoffstrukturen aufbauen. Deren optische Eigenschaft, Infrarot-Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3,2 und 3,5 mm zu absorbieren, ist die Grundlage des Polytron-IR-Ex-Meßprinzips.

Der Infrarotsensor des Polytron IR Ex (Abb. 1) ist mit einer Küvette ausgestattet, die beidseitig durch je einen Hohlspiegel abgeschlossen ist, d. h. durch zweifache Reflexion ist die effektive Küvettenlänge L dreimal größer als die geometrische Ausdehnung (Abb. 2). Die Spiegel sind zur Kondensatvermeidung beheizt. Durch die hohe effektive Küvettenlänge erzielt man schon bei geringen Gaskonzentrationen einen hohen Signalpegel, so daß für viele Gase und Dämpfe Meßbereichsendwerte von 1000 ppm möglich sind und ggf. sogar eine MAK-Wert-Überwachung durchgeführt werden kann (Tabelle 1). Die Art der Linearisierung (Methan, Ethen oder Propan) sowie auch die Maßeinheit (% UEG, % V/V oder ppm) ist konfigurierbar, insbesondere aber ist der Meßbereichsendwert – also die Konzentration, die einem Signal von 20 mA entspricht – in weiten Grenzen parametrierbar. Für die Methandetektion sind 20% UEG als Meßbereichsendwert möglich und durch eine Eignungsprüfung bei der PFG/DMT abgedeckt.

Aufgrund seiner hohen Meßempfindlichkeit ist der Polytron IR Ex auch hervorragend zur Überwachung von VbF-Lägern geeignet, denn mit einer typischen „Lösemittel-Kalibrierung“ werden bis auf wenige Ausnahmen die meisten Lösemitteldämpfe sicher erfaßt. Hier lohnt auch ein Vergleich mit dem katalytischen Wärmetönungssensor. Dessen Signal verringert sich mit dem Molgewicht, während das des Infrarotsensors mit der Anzahl der CH-Bindungen im Molekül sogar zunehmen kann. Der Polytron IR Ex reagiert daher sehr empfindlich auf Nonan, Kerosin und Undekan.

Bei bestimmten Anwendungen sind hohe Meßempfindlichkeiten gar nicht erwünscht oder es sollen Gase bis hin zu 100% V/V überwacht werden. Im Falle von Methan ist dies mit dem Polytron IR EX standardmäßig möglich, denn im Gegensatz zur Wärmetönungsmeßtechnik wird bei der IR-Meßtechnik kein Sauerstoff benötigt. Das Meßverfahren ist rein physikalisch und daher schnell und fast ausschließlich von der Füllgeschwindigkeit der Küvette abhängig.

Beim Nachweis anderer Substanzen im hohen Konzentrationsbereich ist der Transmitter Polytron IR Ex HC (High Concentration) besonders geeignet, denn seine Küvettenlänge ist sehr kurz und das Gerät ist zudem preiswerter. Er detektiert zahlreiche Kohlenwasserstoffe im Bereich 0 bis 100% UEG, und für einige Kohlenwasserstoffe (z. B. Ethan, Propan, Butan oder i-Butan) lassen sich Meßbereichsendwerte bis 100% V/V konfigurieren. Der Polytron IR Ex HC ist wie generell die hier aufgeführten Transmitter für den Betrieb in den Zonen 1 und 2 explosionsgeschützt ausgeführt gemäß EEx emd [ib] IIB+H2 T4.

Der Polytron IR Ex reagiert zwar auf viele brennbare Kohlenwasserstoffe sehr empfindlich, Substanzen wie Ethen, Vinylacetat, Styrol und Benzol lassen sich jedoch schlecht nachweisen. Der Grund hierfür liegt in deren Absorptionsspektren (Abb. 3). Daher wurde der Polytron IR Ex ES (Enhanced Sensitivity) entwickelt, ein Infrarot-Transmitter mit einer ausgezeichneten Empfindlichkeit für Verbindungen mit Doppelbindungen (Alkene) und Aromaten (Tabelle 2). Alkane, Glykole, Alkohole und Ether werden dagegen weniger empfindlich gemessen.

Der Polytron IR Ex ES ist ein Transmitter, dessen Empfindlichkeit gegenüber den unterschiedlichsten Substanzen weniger stark streut als dies beim Polytron IR Ex der Fall ist. Hinsichtlich der Meßempfindlichkeit ist das Gerät eher mit einem Wärmetönungssensor vergleichbar. Im Volumenprozentbereich sind beim IR Ex ES für die Gase Methan, Ethen und Propan Meßbereichsendwerte von bis zu 10% V/V parametrierbar.

Meßtechnisch identisch, jedoch hauptsächlich für die Detektion von Methan vorbereitet ist der Polytron IR Ex FC (flow cell), der insbesondere für den Offshore-Einsatz modifiziert wurde. Als besonderes Merkmal ist er mit einer zusätzlichen sehr kleinen geschlossenen Quarz-Küvette ausgestattet, die, mit Gas in hoher Konzentration (z.B. 50% V/V Methan) gefüllt, ein Meßsignal verursacht, das die Prüfung der gesamten Sicherheitskette von Sensor bis Schaltfunktion ermöglicht. Dieser Funktionstest ermöglicht es auch, Transmitter in schlecht zugänglichen Positionen zu überprüfen, da sowohl die Testgaszufuhr als auch die Anzeige an einem beliebigen, leicht zugänglichem Ort plaziert werden können.

Für die prozeßnahe Anwendung, an die insbesondere höhere Anforderungen an die Dichtigkeit, die Einbindung in Rohrleitungssysteme und Beheizbarkeit gestellt werden, ist der Polytron IR Ex in der Version IR Ex Inline (Abb. 4) erhältlich. Diese Version ist mit einer Edelstahlküvette versehen, die mit zwei 3/40-NPT-Innengewinden und einer Wartungsöffnung versehen ist. Wegen ihrer guten Wärmeleitfähigkeit kann diese Küvette auch mit einem Heizband temperiert werden, falls im Innenraum Kondensation zu erwarten ist.

Für den Einsatz gemäß Ex-RL und UVV Gase wurde der Polytron IR Ex und IR Ex Inline für viele Substanzen einer Eignungsprüfung durch die PFG/DMT unterzogen. Darüber hinaus wurde dem internen Selbstdiagnoseverfahren des Polytron IR Ex die Eignung im Sinne des Merkblatts T 023 (Ausg. 10/95) Abschnitt 5.3 bescheinigt, wonach unter gewissen Voraussetzungen die Kalibrierintervalle dieses Transmitters bis auf 12 Monate ausgedehnt werden können und somit der Wartungsaufwand reduziert werden kann.

Entsprechend dem Regelwerk des Germanischen Lloyd wurden die Transmitter Polytron IR Ex im Rahmen einer Typenprüfung einem besonderen Härte-Test ausgesetzt, der neben extremen Klima-, Vibrations- und Schockprüfungen auch die Prüfung auf elektromagnetische Verträglichkeit nach IEC 1000 beinhaltete und erfolgreich abgeschlossen wurde.

Alle Polytron IR Ex-Transmitter können nicht nur mit integrierter Meßwertanzeige (LC-Display) und Bedienelementen (Folientastatur), sondern auch in den Versionen NDH (ohne Display, mit Steckbuchse für Handheld-Terminal, Abb. 5) und NDF (ohne Display, mit Kabelanschluß für abgesetzte Anzeige oder Steckbuchse für Handheld-Terminal) geliefert werden. Die logische Konsequenz, ein erfolgreiches Produkt auch für andere infrarot-aktive Gase einzusetzen, wurde mit dem Polytron IR CO2 und IR N2O realisiert.

Die gewonnenen Erkenntnisse aber, die sich aus der Anwendung im Offshore-Bereich ergaben, waren für die Entwicklung des grundlegend neuen Infrarot-Transmitters Polytron IR maßgebend. Er stellt das erst vor kurzem in den Markt eingeführte, jüngste Mitglied der Polytron-IR-Familie dar. Hier wurden die Erfahrungen hinsichtlich des Einsatzes auch unter rauhesten Umgebungsbedingungen weiterverfolgt. Sein SS-316-Edelstahlgehäuse verhindert wirksam jegliche Korrosion. Die für diesen Sensor entwickelte, nicht abbildende Optik ermöglicht auch bei starker Verschmutzung auf Grund der hohen dynamischen Reserven noch ausreichend hohe Meßgenauigkeit. Der Fokus bei den nachzuweisenden Substanzen liegt vor allem auf den im Öl- und Gasbereich gängigen Verbindungen wie Methan, Propan und Ethen im Meßbereich von 0 bis 100% UEG. Die nach Ex-RL erforderlichen Eignungsprüfungen wurden in Auftrag gegeben und werden zu Beginn des nächsten Jahres vorliegen.

Neu in der Produktreihe ist auch die verwendete Zündschutzart nach EEx d, denn vor allem im US-amerikanisch beeinflußten Offshore-Markt ist nahezu ausschließlich druckfeste Kapselung und Conduit-Verrohrung gefragt. Das im Polytron IR verwirklichte Konzept erlaubt die Verwendung des Transmitters sowohl bei druckfester, als auch bei der in Europa gängigeren Anschlußmethode in erhöhter Sicherheit. Mit weltweiten Zulassungen nach UL, CENELEC und CSA (in Vorbereitung) deckt der Transmitter nahezu alle Wünsche international operierender Unternehmen hinsichtlich denkbarer Einsatzorte ab.

Weitere Informationen cav-246

• PFG/DMT: Prüfstelle für Grubenbewetterung der DMT-Gesellschaft für Forschung und Prüfung mbH, Essen

• VbF: Verordnung über Anlagen zur Lagerung, Abfüllung und Beförderung brennbarer Flüssigkeiten zu Lande, kurz: Verordnung über brennbare Flüssigkeiten

• T 023, auch ZH 1/8.2: Ortsfeste Gaswarneinrichtungen für den Explosionsschutz, Instandhaltung. Merkblatt der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie, Jedermann-Verlag, Heidelberg.