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Ein Vergleich beider Messprinzipien zur Detektion brennbarer Gase und Dämpfe

Wärmetönung oder Infrarot?
Ein Vergleich beider Messprinzipien zur Detektion brennbarer Gase und Dämpfe

Ein Vergleich beider Messprinzipien zur Detektion brennbarer Gase und Dämpfe
Abb. 4 Der Infrarot-Transmitter Polytron IR Ex wird aufgrund seiner Vielseitigkeit, insbesondere was die Detektion sehr niedriger Konzentrationen angeht, in großen Stückzahlen produziert
Wer brennbare Gase und Dämpfe zuverlässig detektieren möchte, steht oftmals vor der entscheidenden Frage, ob er eher preiswertere Wärmetönungssensoren verwenden oder lieber langlebigere Infrarot-Transmitter einsetzen soll. Beide Systeme haben ihre Vor- und Nachteile. Was es zu beachten gilt und welcher Sensor für welche Anwendung geeignet ist, zeigt der folgende Beitrag.

Abb. 3 Messkopf Polytron SE Ex PR M mit Wärmetönungssensor

Abb. 4 Der Infrarot-Transmitter Polytron IR Ex wird aufgrund seiner Vielseitigkeit, insbesondere was die Detektion sehr niedriger Konzentrationen angeht, in großen Stückzahlen produziert
Wer brennbare Gase und Dämpfe zuverlässig detektieren möchte, steht oftmals vor der entscheidenden Frage, ob er eher preiswertere Wärmetönungssensoren verwenden oder lieber langlebigere Infrarot-Transmitter einsetzen soll. Beide Systeme haben ihre Vor- und Nachteile. Was es zu beachten gilt und welcher Sensor für welche Anwendung geeignet ist, zeigt der folgende Beitrag.
Ein Wärmetönungssensor (WT-Sensor) kann alle brennbaren Gase und Dämpfe erfassen, während der Infrarot-Transmitter (IR-Sensor) doch sehr selektiv und für manche Substanzen sogar blind ist. Blind klingt in diesem Fall zwar etwas übertrieben, richtig ist aber, dass es brennbare Gase wie Wasserstoff gibt, die gar nicht Infrarot absorbieren oder aber nur in Wellenlängenbereichen, die für die herkömmlichen IR-Messgeräte nicht zugänglich sind. Gase wie Acetylen, Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelwasserstoff können daher mit IR-Transmittern nicht detektiert werden. Zusätzlich gibt es Gase bzw. Dämpfe, die im vorgegebenen Wellenlängenbereich nur sehr gering absorbieren. Hierzu gehören Vinylchlorid oder Aceto- und Acrylnitril. Einige Dämpfe sind hinsichtlich ihres Absorptionsspektrums besonders hervorzuheben. So absorbiert beispielsweise Cyclohexan zwar stark bei 3,4 mm, aber kaum noch bei 3,3 mm. Und beim Benzol ist es genau umgekehrt. Je nach Zielgas sollten daher Geräte mit unterschiedlichen IR-Detektoren eingesetzt werden: Einerseits Polytron IR Ex (3,4 mm), andererseits Polytron IR Ex ES (3,3 mm) und Polytron 2 IR (3,34 mm).
Als Anwender muss man nicht die spektralen Eigenschaften der Gase kennen. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass sich die zur Detektion anstehenden Gase und Dämpfe auch tatsächlich in den vorgegebenen Konzentrationen detektieren lassen. Messtechnische Untersuchungen und Anwendungsberatung sind also außerordentlich wichtig, das gilt gleichermaßen auch für WT-Sensoren.
Grenzen von WT-Sensoren
Die bei Begasung eines WT-Sensors auftretende Temperaturerhöhung des Pellistors wird durch Heizleistung verursacht. Diese ist davon abhängig, mit welcher Verbrennungswärme wieviele Moleküle pro Zeiteinheit mit Sauerstoff umgesetzt werden. Erwartungsgemäß ist die Messempfindlichkeit gegenüber schweren Dämpfen (großes Molgewicht, geringe Diffusionsgeschwindigkeit) gering. Die EN 50 073 formuliert lapidar: ?Nicht messbare brennbare Gase: Große Moleküle.“
Da die Messempfindlichkeit also abhängig von der Art des brennbaren Gases oder Dampfes ist, werden nicht alle, wohl aber ? so die EN 50 073 ? eine Vielzahl brennbarer Gase detektiert. Zur Abschätzung gibt es eine hilfreiche Faustregel: Je größer das Molgewicht, umso geringer die Messempfindlichkeit. Und für Flüssigkeiten gilt aus gleichem Grund: Je höher der Flammpunkt, umso geringer die Messempfindlichkeit. Dämpfe mit hohem Flammpunkt oder allgemeiner formuliert nach VbF als AIII-Stoffe (Flammpunkt > 55 °C) eingestufte brennbare Flüssigkeiten lassen sich mit WT-Sensoren nicht detektieren. Aufgrund ihres geringen Dampfdrucks neigen solche Flüssigkeiten allerdings auch nicht dazu, explosionsfähige Atmosphären zu erzeugen. In diesem Sinne kann man also tatsächlich aussagen: Der WT-Sensor ist ein Sensor zur Detektion der Explosionsgefahr.
Sollen mehrere Gase zuverlässig detektiert werden, so muss man die jeweiligen Messempfindlichkeiten kennen. Das gilt sowohl für WT- als auch für IR-Sensoren. Diese Sensoren müssen dann auf die Substanz eingestellt werden, auf die der Sensor am unempfindlichsten reagiert. Nur so ist sichergestellt, dass er alle anderen auftretenden Substanzen empfindlicher detektiert und somit in jedem Fall eine Alarmierung stattfindet.
Messbereiche
Da der WT-Sensor zur Detektion von Explosionsgefahr vorgesehen ist, hat sich der Messbereich 0 bis 100% der Unteren Explosionsgrenze (UEG) zwangsläufig durchgesetzt. Niedrigere Messbereiche wie z. B. 0 bis 50% UEG sind bei ausreichend hohem Messsignal ebenfalls möglich. Für die Leckage-Detektion werden auch niedrigere Messbereichsendwerte angestrebt. So hat der DrägerSensor Ex LC mit einer speziellen Elektronik und Temperaturkompensation einen Messbereichsendwert von nur 10% UEG, für Ethylen oder Propylen entspricht das einem Messbereich von etwa 0 bis 2000 ppm. Während der WT-Sensor nicht zur Detektion von Gaskonzentrationen größer 100% UEG geeignet ist, lässt sich das physikalische IR-Messprinzip prinzipiell bis zu 100 Vol-% einsetzen. Im Allgemeinen aber sind IR-Transmitter ebenfalls für Messbereichsendwerte von 100% UEG oder auch niedriger vorgesehen. Besonders stark IR absorbierende Gase und Dämpfe (z.B. Dimethylether, Propan, Alkohole und Ottokraftstoffe) können mit dem Polytron IR Ex im Messbereich 0 bis 5% UEG oder sogar auch 0 bis 1000 ppm detektiert werden. Gerade auch die schweren Alkane werden vom Polytron IR Ex besonders gut detektiert. Gar nicht so erstaunlich, wenn man bedenkt, dass bei solchen Molekülen entsprechend viele CH-Bindungen zu IR-Absorption beitragen. Ein WT-Sensor hingegen hat auf beispielsweise Undekan keine messtechnisch verwertbare Empfindlichkeit mehr.
Einsatz von WT-Sensoren und Infrarot-Transmittern
Die Lebensdauer des WT-Sensors kann sich unter Umständen dramatisch verkürzen, wenn man das Katalysatormaterial des Pellistors nicht schont. Zwar sind die Pellistoren meist vom Typ PR (vergiftungsbeständig), aber auch diese können vergiftet werden. Sensorgifte, die die Messempfindlichkeit herabsetzen, sind Silikone und Siliziumverbindungen, flüchtige Schwefel- und Phosphorverbindungen, korrosive Substanzen (HCl, NO2, Cl2), polymerisierende Substanzen, metallorganische Verbindungen (z. B. Bleitetraethyl) und auch einige halogenierte Kohlenwasserstoffe (Frigene, FCKW). Die Vergiftung zerstört und inhibiert die katalytischen Zentren im Pellistormaterial, so dass weniger Moleküle pro Zeiteinheit oxidiert werden, die Heizleistung sinkt und das Messsignal verringert sich.
Hinzu kommt die Verschmutzung. Da die ca. 450 °C heißen Pellistoren nicht zur Zündquelle werden dürfen, sind WT-Sensoren aus Gründen des Explosionsschutzes mit Flammensperren in Form von porösen Metall-Sinterscheiben ausgestattet. Korrosion, Öltröpfchen oder feinster Staub in den Poren des Sintermetalls kann den Gaszutritt behindern. In beiden Fällen ist es ein sicherheitstechnischer Nachteil, dass ein WT-Sensor sich sang- und klanglos verabschiedet. Nur durch Prüfung mit den entsprechenden Gasen kann man sich von der Unversehrtheit des WT-Sensors überzeugen. Unter solchen Umständen zeigt sich der Vorteil eines IR-Sensors. Ein verschmutztes optisches System führt zwar auch bei IR-Sensoren zu Problemen, das System fällt aber nicht einfach aus, ohne den Betreiber zu informieren. Durch ein Referenzsystem wird eine Verschmutzung erkannt und als Wartungsanforderung oder als Störung (Beam Block) signalisiert. Da die Reinigung des optischen Systems leicht durchführbar ist, kann man durch präventive Maßnahmen Betriebsunterbrechungen vermeiden. Sind wie beim Polytron IR Ex und Polytron 2 IR die Reflektoren elektrisch beheizt, so ist eine Wasserdampfkondensation schon vornherein weitgehend unterbunden.
Wartung der Sensoren
Wartungsfrei allerdings sind weder IR- noch WT-Sensoren. Eine regelmäßige Funktionsprüfung wird von der Unfallverhütungsvorschrift Gase (VBG 61, neu: BGV B 6, § 56 ? Prüfung von Gaswarneinrichtungen“) vorgeschrieben. Wie die Explosionsschutz-Regeln (Ex-RL, neu: BGR 104) fordert auch diese berufsgenossenschaftliche Vorschrift beim Einsatz von eignungsgeprüften, d.h. auf Funktionsfähigkeit für den vorgesehenen Einsatzzweck geprüften Gaswarneinrichtungen, dass diese nach dem BG-Merkblatt T 023 (neu: BGI 518) gewartet werden müssen. Hiernach sind die Wartungsintervalle nach Maßgabe des aktuellen Prüfergebnisses festgelegt. Für Gaswarngeräte mit bescheinigtem Selbstdiagnoseverfahren kann das Kalibrierintervall bis zu 12 Monate betragen, während für andere Sensoren (z. B. WT-Sensoren) maximal nur 4 Monate zulässig sind.
Beide Messprinzipien mit Daseinsberechtigung
Wenn auch der IR-Sensor in der Beschaffung deutlich teurer ist als ein WT-Sensor, so haftet dem WT-Sensor doch der sicherheitstechnisch bedenkliche Nachteil an, dass er bei Anwesenheit von Sensorgiften sehr schnell seine Messempfindlichkeit verlieren kann, ohne diesen Umstand zu signalisieren. Eine solche Vergiftung ist demnach ein gefährlicher, nicht erkennbarer Fehler. Sind vergiftende Substanzen betriebsmäßig zu erwarten und lassen diese sich durch keine Maßnahme von dem WT-Sensor fernhalten, so ist von diesem Messverfahren aus Sicherheitsgründen abzuraten. Es ist dann zu prüfen, ob beispielsweise ein Infrarot-Messverfahren mit größerem Erfolg einsetzbar ist. Sachkundige Beratung ist in jedem Fall erforderlich, insbesondere sei hier auch die Norm EN 50 073 zitiert, die das IR-Messverfahren und das WT-Messverfahren mit seinen Vor- und Nachteilen neutral bewertet.
Halle 4.1, O24-O27
Dr. Wolfgang Jessel
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