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Schnell gewarnt bei Feuer- und Explosionsgefahr

Drahtloser Infrarotgassensor
Schnell gewarnt bei Feuer- und Explosionsgefahr

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Das norwegische Unternehmen Gassecure hat einen Gassensor auf spektroskopischer Basis entwickelt, der zudem drahtlos kommuniziert. Der GS01 dient zur Detektion von Kohlenwasserstoffen und warnt die Benutzer vor Feuer- und Explosionsgefahren. Sein geringer Energieverbrauch und ein internes Batteriemodul gestatten einen Dauerbetrieb von bis zu zwei Jahren.

Der Firmengründer des norwegischen Unternehmens Gassecure, Knut Sandven, erkannte das Potenzial der Funktechnologie für Sensoren schon 2004. Damals hatte er einen Vibrationssensor für Kleinmotoren entwickelt, der seine Daten zuverlässig und drahtlos überträgt. Funktechnologien für den rauen Industrieeinsatz steckten noch in den Kinderschuhen, nur wenige Anwendungen ließen sich überhaupt kaufen. Funkverbindungen galten als wacklig und anfällig und man hatte keine Erfahrung, wie sich eine 2,4-GHz-Funkbrücke zwischen Fördertürmen und Öltanks verhält. Diese Bedenken sind heute zerstreut. Funkverbindungen sind praktisch genauso zuverlässig wie ein Kabel. Dafür sorgen detaillierte Planungen (über bis zu 400 m) ebenso wie ausgefeilte Übertragungsprotokolle, die eine sichere Kommunikation ermöglichen. Ein drahtloser Gassensor sollte in keinem Punkt schlechter sein als damalige drahtgebundene Lösungen. Zudem sollten sich Hunderte drahtlose Sensoren zu einem kollisionsfreien Netz zusammenschalten lassen.

Firmen wie Statoil und Conoco Phillips beteiligten sich an der Entwicklung sowie den strengen Tests von Hard- und Software. 2012 wurde das erste Gerät an den norwegischen Öl- und Gaskonzern Statoil ausgeliefert. Seitdem ist nur ein verschwindend geringer Teil der bislang über 1000 im Markt befindlichen Geräte ausgefallen (1 %). Seit 2015 gehört das norwegische Unternehmen Gassecure zum Medizin- und Sicherheitstechnikhersteller Dräger. Mittlerweile wird der GS01 auch mit absetzbarer Antenne produziert. So lässt sich der Transmitter auch am Boden installieren, wo die Abstrahlung der Daten über eine fest installierte Antenne ungünstig wäre. Also positionierte man sie an einer funktechnisch günstigeren Stelle. Neben der Entwicklung erfolgen auch die Produktion und Qualitätssicherung in Norwegen.
Robuster Gassensor
Präzision, Robustheit und Zuverlässigkeit sind die Merkmale des drahtlosen Gassensors GS01. Die interne Batterie hält das Gerät über mindestens zwei Jahre betriebsfähig – zudem dauert es maximal 5 s, bis eine Messung vor Ort an die Zentrale weitergegeben wird. Gemessen wird der Gehalt von Kohlenwasserstoffen in der Umgebungsluft. Insbesondere Methan als Hauptbestandteil von Erdgas bildet in Verbindung mit Luft ein explosives Gemisch, wenn die Konzentration über 4,4 % liegt (untere Explosionsgrenze). Die Messungen erfolgen quasi kontinuierlich und der Sensor spricht zuverlässig auf Kohlenwasserstoffe an (qualitative Messung) und erkennt deren Konzentration (quantitative Messung).
Der GS01 misst den Gehalt von Kohlenwasserstoffen durch deren Absorption von Licht im Infrarotbereich. Dieses Licht erzeugt eine kleine, langlebige Birne. Es wird durch ein Linsensystem auf einen Spiegel geworfen und von diesem reflektiert. Der Lichtstrahl durchläuft somit eine 2 x 5 cm lange Messstrecke, in der die Umgebungsluft zirkuliert – während die gesamte Elektronik gasdicht in einem Stahlgehäuse untergebracht ist, das mit inertem Stickstoff unter leichtem Überdruck steht. In dieses Gehäuse wird der Lichtstrahl über ein Fenster und eine Blende wieder eingekoppelt. Er fällt dann auf den messtechnischen Kern des Sensors (auch mikroelektromechanisches System genannt; MEMS), der eine spektroskopische Untersuchung des einfallenden Lichts vornimmt.
Zwei Messungen pro Messzyklus
Kohlenwasserstoffe absorbieren Licht in einem Wellenbereich von rund 3,3 µm, während die Frequenzen ober- und unterhalb davon nicht gedämpft werden. Das MEMS arbeitet ähnlich wie ein Prisma. Es zerlegt das einfallende Licht und spiegelt dessen spektrale Bestandteile in unterschiedliche Richtungen. Das System lässt sich so schalten, als würde man ein Prisma schwenken. Dadurch fallen gezielt verschiedene Wellenlängen auf den Detektor. Jeder Messzyklus besteht aus zwei Messungen. Die erste ermittelt die Intensität auf der zentralen Wellenlänge von 3,3 µm, während die zweite die Intensität auf den benachbarten Bändern bei 3,0 und 3,6 µm registriert. Sind in der Umgebungsluft Kohlenwasserstoffe enthalten, absorbieren sie Licht ausschließlich im mittleren Wellenbereich von 3,3 µm. Gegenüber den Vergleichswerten auf der niedrigeren (3,0 μm) und höheren (3,6 μm) Wellenlänge fällt die vom Fotodetektor registrierte Energie also geringer aus – und zwar umso geringer, je höher die Konzentration an Kohlenwasserstoffen ist. Die Stoffkonzentration wird aus der Differenz der ersten und zweiten Teilmessung errechnet. Unterscheiden sich diese, sind in der Luft Kohlenwasserstoffe enthalten. Die Messwerte werden alle 10 s über eine gesicherte Funkstrecke auf 2,4 GHz mit 10 mW Sendeleistung nach IEEE802.15.4 an die Zentrale übertragen und dort ausgewertet. Steigt die Konzentration über einen fest gelegten Wert, wird der Sendezyklus auf üblicherweise 2 s verkürzt.

Nils Schiffhauer
Freier Journalist

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