Infrarot contra Wärmetönung

Bernd Rist

Für einen technischen Vergleich der beiden Messmethoden werden die Funktionsprinzipien im Folgenden kurz erläutert. Bei den Wärmetönungssensoren (Abb. 1) wird eine außen mit katalytischem Material dotierte Keramikperle mit einer integrierten Platin-Heizwendel auf 450 °C beheizt. Brennbare Substanzen, die mit diesem Gebilde in Berührung kommen, werden oxidiert. Die freiwerdende Energie überträgt sich auf das Detektorelement und heizt dieses weiter auf. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand der Heizwendel im Inneren. Diese Widerstandsänderung ist direkt proportional zur Gaskonzentration und lässt sich mittels einer Wheatstone’schen Brücke sehr genau messen.

Einer der wichtigsten Vorteile dieser Methode ist, dass sich nahezu jedes brennbare Gas detektieren lässt wie Kohlenwasserstoffe, H2 und NH3. Allerdings werden die unterschiedlichen Gase nicht mit der gleichen Empfindlichkeit angezeigt. Dies hat zwei Gründe. Die unteren Explosionsgrenzen (UEG) der einzelnen Substanzen unterscheiden sich sehr stark und die pro Molekül bei der Oxidation freiwerdende Energie ist sehr unterschiedlich. Bei der Justierung eines Explosionswarngerätes muss daher bekannt sein, durch welche Substanz Explosionsgefahr entstehen kann. Treten Gemische auf, justiert man auf die Substanz, die am unempfindlichsten detektiert wird.

In der Infrarotmesstechnik wird ein Lichtstrahl durch eine Küvette fokussiert und seine Intensität am anderen Ende gemessen. Die C-H-Bindung aliphatischer Kohlenwasserstoffe beispielsweise absorbiert infrarotes Licht der Wellenlänge 3,40 µm. Die Intensität des Lichtstrahls verringert sich um so mehr, je mehr Moleküle im Lichtweg sind. Zur Kompensation von Feuchte- und Schmutzeffekten sowie Lichtstärkeschwankungen der Lichtquelle wird das Signal eines zweiten Lichtstrahls mit einer Referenzwellenlänge außerhalb der Absorptionswellenlänge vom Messsignal subtrahiert. Mit diesem Messprinzip lassen sich am besten aliphatische Kohlenwasserstoffe nachweisen. Nicht aliphatische Kohlenwasserstoffe absorbieren schwächer oder bei anderen Wellenlängen und sind nur bedingt messbar. H2 und NH3 absorbieren nicht, werden also gar nicht erfasst. Dies kann gefährlich sein, besonders wenn Gasgemische vorliegen.

Für einen sinnvollen Vergleich werden nur miniaturisierte Infrarotmesssysteme wie der Infrarotmesskopf Statox 501 IR (Abb. 2) herangezogen, da sie preislich mit Wärmetönern vergleichbar sind. Statox 501 IR misst brennbare Gase, zum Beispiel Methan oder Treibstoff und Lösemitteldämpfe, im Bereich 0 bis 100% UEG. Der Messkopf ist als 4 bis 20 mA-Transmitter ausgelegt. Er kann sowohl in Verbindung mit dem Statox-501-Controller als auch direkt an einem Prozessleitsystem betrieben werden. Die Signal- und Versorgungsleitung wird entweder durch eine Kabelverschraubung oder per Conduit eingeführt. Zum Einsatz in besonders korrosiver Atmosphäre ist das Gehäuse in Spezialstahl erhältlich. Für den Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen gibt es eine Tieftemperaturversion. Zur Vermeidung von Kondensation auf den optischen Komponenten ist eine Heizung eingebaut. Der EEx e Klemmenkasten dient zugleich als Wandhalterung. Der Statox-501-IR-Messkopf ist mit einer Digitalanzeige ausgestattet. Dies ermöglicht nicht nur das Ablesen der Konzentration, sondern vereinfacht auch die vorgeschriebene regelmäßige Überprüfung. Die Taster des Kalibrieradapters ermöglichen den Zugang zu einem Menü.

Der Wärmetönungssensor arbeitet ausschließlich im Messbereich 0 bis 100% UEG (Abb. 3). Oberhalb dieses Bereiches wird das Signal unlinear da nicht genügend Sauerstoff zur Oxidation des Messgases vorhanden ist. Sehr hohe Konzentrationen können sogar zum Verrußen des Detektorelementes führen. Ein Notbehelf ist die Kombination des Sensors mit einem Wärmeleitfähigkeitssensor oder einer Sauerstoffmessung. Bei einfachen Anwendungen ist auch die Einstellung haltender Alarme statthaft.

Miniaturisierte IR-Sensoren haben eine höhere Nachweisgrenze als Wärmetöner. Konzentrationen oberhalb der UEG können bei entsprechender Justierung ohne weiteres detektiert werden. Der Sensor nimmt dadurch keinen Schaden. Problematisch ist hier die Untergrenze. Nur wenn bei stabilem Nullpunkt 1% UEG Methan sauber aufgelöst werden kann, kommt ein System für den primären Explosionsschutz in Frage.

Beim Wärmetöner findet eine katalytische Stoffumsetzung statt. Substanzen die Schwefel oder Halogene enthalten, führen zu einer Korrosion des Detektorelementes. Schwermetalle können den Katalysator inhibieren. Siliziumhaltige Substanzen überziehen das Detektorelement mit einer Glasur und verhindern den Zutritt des Messgases. Bei höheren Konzentrationen oder ständiger Präsenz einer dieser Substanzen sind also irreversible Schäden des Sensors zu erwarten. Der Einsatz von Aktivkohlefiltern, wie von zahlreichen Anbietern empfohlen, ist nur bei der Messung von Methan zulässig. Wenn höhere Kohlenwasserstoffe gemessen werden sollen, würde die Aktivkohle das Messgas mit ausfiltern. Außerdem ist der Zeitpunkt der Filtersättigung mit einfachen Mitteln nicht feststellbar.

Die Verschleißteile der Infrarotmesstechnik sind Lichtquelle und Detektorelement. Als Lichtquelle kommen häufig LEDs oder mit Unterspannung betriebene Glühlampen zum Einsatz. Diese unterliegen kaum Verschleiß. Allerdings lässt sich dadurch eine Lebensdauer des gesamten Systems von 80 Jahren, wie von manchen Anbietern versprochen, wohl kaum erreichen. Optische Komponenten wie Linsen und Spiegel bedürfen der Pflege. Konstruktive Teile im Zutrittsweg des Gases wie Sinterfritten oder Membranen können sich im Laufe der Zeit oder durch Fremdeinwirkung zusetzen. Die Optik des Infrarotsensors überwacht zwar die einwandfreie Funktion ihrer Komponenten, aber ob noch Messgas in die Küvette kommen kann, vermag diese Art der Selbstdiagnose nicht zu bestimmen. Der Infrarotsensor hat aber vor allem unter dem Aspekt der Vergiftungssicherheit erhebliche Vorteile.

Die Berufsgenossenschaft chemische Industrie empfiehlt in ihrem Merkblatt T 023 von August 1999 eine Überprüfung von Nullpunkt und Verstärkung vier mal im Abstand von einer Woche bei einem neuen System. Danach dürfen die Kalibrierintervalle verdoppelt werden – vorausgesetzt die jeweilige Abweichung ist am Nullpunkt kleiner 2% UEG und bei der Empfindlichkeit kleiner 5% UEG. Insgesamt sollten vier Monate nicht überschritten werden und zwar unabhängig vom Messprinzip. Selbst bei Geräten mit Selbstdiagnoseverfahren ist nach spätestens vier Monaten eine Sichtkontrolle durchzuführen und die Umgebungsbedingungen an der Messstelle zu kontrollieren. Eine im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Unsicherheit bezüglich des ungehinderten Messgaszutritts sicher sinnvolle Forderung.

Was die Wartungsintervalle angeht, sind beide Systeme gleich gut, wobei der Infrarotsensor bis zu zwölf Monate ohne Kalibriergas auskommt.

Betrachtet man die gesamten Cost of Ownership, inklusive der Kosten für Wartung und Ersatzteile, ist der Wärmetöner deutlich günstiger. Letztlich ist die Entscheidung für oder gegen Infrarotmesstechnik von der Applikation abhängig. Die zunehmende Popularität für Infrarotmesstechnik hat sicher ihren Grund in der hohen Vergiftungssicherheit der Sensoren.

E cav 313