Trends bei Gaswarnanlagen

Dr. Wolfgang Jessel und Dr. Robert Kessel

Ganz entscheidend hat in der Vergangenheit vor allem der Einsatz elektrochemischer Sensoren die Überwachung von Gefahren für Menschen und Maschinen beeinflusst. Sie zeichnen sich durch ihre Baugröße und den extrem niedrigen Energieverbrauch aus und erlauben heute die Messung der Gaskonzentration direkt vor Ort, unabhängig davon, ob der zu überwachende Bereich z. B. in einem explosionsgeschützten Anlagenteil liegt oder ob die Sensoren aufgrund der geographischen Lage starken klimatischen Schwankungen unterliegen. Aufwendige Ansaugsysteme, die das zu messende Gas erst an die Analyseneinheit heranführen müssen, konnten auf diese Weise abgelöst werden.

Während noch vor einigen Jahren die Betriebstemperaturen z. T. stark eingeschränkt waren, sind Sensoren heute bei Betriebstemperaturen von -40 bis +65 °C ohne Einschränkung nutzbar. Auch hohe Feuchtigkeitsgehalte stellen kein Problem mehr dar. So sind Belastungen bei bis zu 95% rF über lange Einsatzperioden ohne weiteres möglich. Durch einen patentierten Sensoraufbau steht einerseits ein großes Wasseraufnahmevolumen zur Verfügung, andererseits werden die Sensor-Elektroden auch in sehr trockener Luft von 5% rF noch ausreichend benetzt (Abb. 1). Eine Reihe von konstruktiven Maßnahmen verbessert die Langlebigkeit deutlich. So trägt die Verwendung von inerten Materialien dazu bei, Kontaminationen auf den Katalysatoroberflächen im Innern des Sensors zu verhindern und so eine allmähliche Abnahme der Empfindlichkeit auf das Zielgas zu unterbinden. Außerdem verhindern diese Materialien die Absorption der Gase an der Zutrittsöffnung, so dass sich schon sehr niedrige Konzentrationsmessbereiche realisieren lassen. Ein Beispiel hierfür ist der Phosgen-Sensor mit einer Nachweisgrenze von 50 ppb. Er kommt in der chemischen Industrie z. B. bei der Herstellung von Isocyanaten zum Einsatz.

Eine Reihe von Maßnahmen hat in den letzten Jahren auch den Bedienkomfort verbessert. So besitzen moderne elektrochemische Sensoren heute Datenspeicher, die alle für das Messgas relevanten Daten vorhalten. Auf diese Weise kann der Transmitter den Sensor erkennen und die voreingestellten Kalibrierdaten direkt auf die Auswerteeinheit übertragen. Erst dies ermöglicht die Verwendung vorkalibrierter Sensoren. Auch der Betreiber kann einen Sensor bequem im Labor kalibrieren, um ihn danach wieder beispielsweise im Transmitter Polytron 2 zu verwenden. Multigas-Sensoren können sogar ohne erneute Kalibrierung auf ein anderes Gas umgestellt werden (z. B. von Formaldehyd auf i-Propanol).

Insgesamt ist die Kalibrierung wesentlich einfacher geworden. Mit Hilfe einer benutzerfreundlichen Bedienoberfläche kann der Betreiber im Transmitter Polytron 2 Fehler schon bei der Kalibrierung erkennen und vermeiden. Gleichzeitig überprüft die Elektronik die eingestellten Empfindlichkeitswerte auf Plausibilität und wertet die resultierende Empfindlichkeit zur Bestimmung der Restlebensdauer aus. Vorbeugende Wartung und eine erheblich reduzierte Störanfälligkeit sind die Hauptvorteile, die neben der höheren Sicherheit auch die Einsparungen bei Wartungsaufwendungen ermöglichen.

Der im Polytron 2 verwendete Sensorselbsttest ermöglicht es, die Eigenschaften des elektrochemischen Systems durch kurze Spannungsimpulse zu analysieren. Auf diese Weise können Fehlfunktionen im Sensor sicher erkannt und zur Anzeige gebracht werden. Das ist vor allem bei den Sensoren wichtig, die wegen ihrer hohen Signalstabilität nur selten kalibriert werden müssen.

Ein gutes Beispiel für eine moderne Messmethode ist ein UV-Absorptions-Spektrometer, das über eine offene Wegstrecke toxische Gase detektiert. Die Gase besitzen typische spektrale Fingerabdrücke, also signifikante Absorptionslinien im UV-Bereich zwischen 200 und 300 nm, die sich mit einem Fourier-Transform-Spektrometer abtasten lassen. Das Polytron ToxLine ist ein UV-Open-Path-System, das die synchrone Erfassung vieler toxischer Gase ermöglicht und sowohl in sicherheitstechnisch relevanten Anwendungen als auch in der Emissionsüberwachung zum Einsatz kommt (Abb. 2). Für industrielle Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen ist es gemäß EEx d IIC T6 zugelassen. Das System besteht aus einer Transmittereinheit mit einer Deuterium-Lampe (30 W) und einer Receivereinheit, die die Teleskopoptik, das Spektrometer und die Auswerteelektronik enthält. Mit Hilfe eines sog. Wollaston-Prismas wird ein Interferogramm erzeugt, das auf einer Detektorzeile mit 1024 Elementen abgebildet wird. Zur Auswertung werden die Gase mittels Fourier-Transformation identifiziert, durch ein Regressionsverfahren quantitativ analysiert und zur Anzeige gebracht.

Auch auf dem Gebiet der zuverlässigen Detektion brennbarer Gase und Dämpfe hat sich viel getan. Während der Wärmetönungssensor in seiner Messqualität kontinuierlich verbessert und dessen Beständigkeit gegenüber Katalysatorgiften und damit die Sensorlebensdauer auch in rauen Industrieatmosphären bei den Folgeentwicklungen im Vordergrund stand, wuchs ein neues wichtiges und zuverlässiges Messverfahren heran, das der Gasmesstechnik einen großen Innovationsschub verlieh: die infrarot-optische Technologie.

Ausgehend von herkömmlichen teuren und voluminösen Analysengeräten, die für ein wartungsfreies Out-door-Monitoring weitgehend ungeeignet und nur schwierig explosionsgeschützt auszulegen waren, konnte man trotz des Verzichts auf mechanische Komponenten (Blenden- und Chopper-Rädchen sowie Ansaugpumpen) Kohlenwasserstoffe, die allein durch Konvektion in eine kleine offene Küvette eindrangen, summarisch detektieren. Durch Kompensationsmethoden lässt sich eine Messqualität realisieren, die für Standardanwendung ausreicht und in einer Inline-Version auch den Einsatz in der Prozesstechnik ermöglicht. Feuchtigkeits- und Temperatureinflüsse, aber auch die Verschmutzung der Optik und die eventuelle Alterung der IR-Detektoren werden weitgehend kompensiert. Bedingt durch die geringen Abmessungen und den geringen Leistungsbedarf der Elektronik sind heute kleine, robuste explosionsgeschützte Infrarot-Messgeräte, wie z. B. der 4…20-mA-Transmitter Polytron IR Ex, für den Feldeinsatz verfügbar. Sogar in tragbaren Gaswarngeräten sind Infrarotsensoren für CO2 und brennbare Kohlenwasserstoffe möglich.

Durch die besondere Küvetten-Geometrie mit zwei beheizten Reflektoren ist der Polytron IR Ex für manche Stoffe auch für Konzentrationsmessungen im ppm-Bereich geeignet. Propan oder Butan im Bereich bis 1000 ppm zu detektieren ist ebenso möglich wie die Detektion von Methanol, Cyclopentan oder Tetrahydrofuran im Bereich von 0 bis 5% UEG.

Die Transmitter Polytron 2, Polytron 2 IR und Polytron 2 XP bauen auf der Hart-Technologie auf. Hart ist optional, kann auf der Zweidraht-Leitung ausgekoppelt und mit einem Handheld-Terminal oder einer Hart-fähigen Zentrale verwaltet werden. Dabei bleibt die Kompatibilität gewahrt, denn ohne Nutzung der Hart-Kommunikation hat man einen reinen 4…20-mA-Transmitter. Durch Zuweisung von Adressen bleiben die Transmitter selbst dann individuell ansprechbar, wenn sie zu mehreren an einer einzigen Zweidraht-Leitung angeschlossen sind (Multidrop-Kommunikation).

Die Transmitter Polytron 2 IR, Polytron XP Ex und XP Tox sind allesamt druckfest gekapselt und mit einer RS485-Schnittstelle ausgestattet, mit der sich völlig unabhängig vom 4…20-mA-Signal Feldbuskonzepte realisieren lassen. Damit können diese Transmitter direkt an Scada-Systeme betrieben werden, während die sicherheitstechnische Funktion durch die autarke 4…20-mA-Stromschleife erhalten bleibt. Alle Geräte besitzen die europäische (Cenelec), US-amerikanische (UL) und kanadische (CSA) Zulassung.

Die Küvettenlänge eines Infrarot-Sensors muss aber nicht notwendigerweise klein sein. Im Gegenteil: In den vergangenen Jahren haben sich zusehends Gasmessgeräte durchgesetzt, die über eine offene Wegstrecke (Open Path) von mehr als 100 m freigesetzte Wolken von gasförmigen Kohlenwasserstoffen detektieren. Open-Path-Systeme wie das GD 4012 eignen sich hervorragend insbesondere zur Überwachung von Anlagenrandbereichen und sind somit eine wichtige Ergänzung eines auf Punktdetektoren basierenden Gaswarnsystems.

Gaswarnzentralen enthalten zwar zuverlässige, meist aber sehr einfache Controller. Der Grund ist darin zu suchen, dass sie eine Sicherheitsfunktion erfüllen müssen und zur Erzielung einer hohen Verfügbarkeit die Anzahl der elektronischen Bauteile vom Transmittereingang bis zum Schaltrelais bewußt gering gehalten wird. So ist auch die Bedienung (Kalibrierung, Parametrierung) der Controller oftmals unelegant. Die Visualisierung und ggf. Protokollierung der Alarmzustände und Kalibrierinformationen, die Speicherung von ganzen Konzentrationsprofilen und die bildschirmmäßige Darstellung eines Lageplans der Transmitter spielen sich eine Ebene höher ab und beeinträchtigen die Schaltfunktionen nicht. Das universelle Regard-System verfügt über Modbus-Schnittstellen zur Anbindung solcher Systeme, die z. B. mit Vision32 zahlreiche Feldinformationen übersichtlich auf dem Bildschirm darstellen können.

Weiterhin sind eignungsgeprüfte Regard-Controller verfügbar, die nach einem Voting-Verfahren (n-aus-m-Auswahl) Alarme nur dann aktivieren, wenn z. B. 4 von 10 Transmittern die Überschreitung einer vorgegebenen Gaskonzentration melden.

Die Hersteller von Gaswarngeräten entwickeln schon heute die Geräte- und Sensor-Generation für die nahe Zukunft. Vorbeugende Wartung, wie sie jetzt schon durch AMS (Asset Management Solutions) in Verbindung mit Hart-Transmittern durchführbar ist, und die Plug&Play-Sensortechnologie werden zusehends realistischer.

Halle 9.1, J21-J24

Elektrochemische Sensoren

E cav 251

Polytron ToxLine

E cav 252

IR-Detektor

E cav 253