Der helle Warnsinn
Warnung vor Explosionsgefahren mit unterschiedlichen Messprinzipien

Zahlreiche Gase und Dämpfe bergen potenziell ein Explosionsrisiko und damit Gefahren für Menschen und Anlagen. Ein gestiegenes Sicherheitsbedürfnis erfordert daher technisch zuverlässige Warnsysteme. Sicherheit fängt hier bereits bei der Auswahl des geeigneten Warngerätes an. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet das technische Grundverständnis der Systeme. 
 
Bei der Auswahl eines Gaswarnsystems muss sich der Anwender für eine möglichst optimale Problemlösung entscheiden. Ein entscheidendes Kriterium ist dabei das zu Grunde liegende Messverfahren. Keine Gaswarnanlage kann letztendlich besser als ihr Sensor sein. Zur Messung eines Gases stehen grundsätzlich unterschiedliche Messprinzipien zur Verfügung, die von den Herstellern der Gaswarngeräte angeboten werden. Die Qualitätsmerkmale sind im Zusammenhang mit den individuellen Bedürfnissen und Bedingungen zu sehen.

Als Kriterien können dabei Messbereiche, Messgenauigkeit, Querempfindlichkeiten, Störanfälligkeit, Wartungsfreundlichkeit und vieles mehr herangezogen werden. Die „richtige“ Entscheidung wird dem Anwender erst durch das Verständnis der zur Anwendung kommenden Technik möglich. Für den speziellen Fall einer Gasmessanlage (GMA) zur Warnung vor explosionsgefährlichen Atmosphären soll dem Anwender hier eine Entscheidungshilfe gegeben werden. Mit Blick auf die Messaufgabe werden die gängigen Messverfahren und auch die damit jeweils verbundenen charakteristischen Merkmale dargestellt.

Infrarot
Infrarotsensoren basieren auf der Messung einer frequenzabhängigen Absorption infraroter Strahlung durch das zu messende Gas. Viele Gasmoleküle besitzen sogenannte Schwingungs- und Rotationsfrequenzen im infraroten Spektralbereich. Die gasspezifische Absorption kann zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung benutzt werden. Das gängige Verfahren in der Gasmesstechnik ist die NDIR-Technologie. Dabei wird ein optischer Filter mit schmalbandiger Transmission eingesetzt, um die Strahlung einer spektral breitbandigen Lichtquelle so zu selektieren, dass sie mit der Absorption des zu messenden Gases übereinstimmt.

Die Intensität der infraroten Strahlung wird dann mit pyroelektrischen Detektoren oder Thermosäulen erfasst. Zur Kompensation alterungsbedingter Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle oder einer Verschmutzung des optischen Systems erfolgt bei einigen Sensoren die Messung bei einer weiteren Wellenlänge. Die Referenzwellenlänge ist dabei auf einen Spektralbereich abgestimmt, bei dem keine Absorption durch das Messgas erfolgt.

Aus der Verwendung des Kompensationsdetektors kann aber auch ein Risiko entstehen. Eine ungleichmäßige Schwächung der Strahlungsintensität kann zu einem Signalverlust des Kompensationsdetektors führen. Das Meßsystem würde daraus resultierend einen zu niedrige Gaskonzentration anzeigen. Selbst bei Systemen mit Strahlteiler, die diesem Effekt vorbeugen sollen, zeigt ein Laborversuch, dass diese Störungen auftreten können. Wird hingegen nur bei der Absorptionswellenlänge gemessen, so kann eine Verschmutzung nur zur Anzeige einer überhöhten Gaskonzentration führen. Dies erscheint jedenfalls mit Blick auf das Sicherheitsbedürfnis unbedenklich.

Zur Detektion explosiver Gase wird die Absorption bei einer Wellenlänge von rund 3,3 µm gemessen. Dieser Wellenlänge ist geeignet zur Messung der meisten Kohlenwasserstoffe wie Methan, Butan, Propan und Ethan. Die verschiedenen Kohlenwasserstoffe zeigen dabei stark unterschiedliche Absorptionskoeffizienten. Die Kalibrierung kann daher immer nur für ein bestimmtes Gas vorgenommen werden. Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Dual-Wellenlängenmesssystemes zur Messung von CH₄(Methan).

Aufgrund der gasspezifischen Absorptionen sind Infrarotmesszellen nicht in der Lage, alle explosiven Gase mit einem Sensor zu detektieren. Schon die Messung aller Kohlenwasserstoffe mit einem Sensor respektive bei einer Wellenlänge ist problematisch. So absorbiert etwa C2H2(Acetylen) bei 3 µm, CH3OH (Methylalkohol) bei 3,5 µm. Die Verwendung eines entsprechen breitbandigen optischen Filters, das beide Wellenlängen transmittiert, würde eine extreme Verschlechterung der Messgenauigkeit zur Folge haben. Brennbare Gase die keine Kohlenwasserstoffe sind, wie NH3(Ammoniak) und CO (Kohlenmonoxid) absorbieren überwiegend in anderen Wellenlängenbereichen. Gleichatomige Gase wie H2(Wasserstoff) können mit IR-Sensoren nicht detektiert werden. Sie zeigen im infraroten Wellenlängenbereich keine Absorption.

Chemosorption
Chemosorptionssensoren sind Halbleiter- oder auch Metalloxidsensoren. Sie nutzen den Effekt, dass bei Oxidhalbleitern die elektrische Leitfähigkeit durch Einwirkung von Gasen auf die Oberfläche beeinflusst wird. Das Metalloxid setzt sich bei Temperaturen zwischen 200 und 500 °C mit dem Sauerstoff der Luft ins Gleichgewicht (Adsorption) und hat in diesem Zustand eine bestimmte Grundleitfähigkeit. Reduzierende Gase können mit dem in der Halbleiteroberfläche nur lose gebundenen Sauerstoff reagieren (Desorption) und damit die Leitfähigkeit des Oxids verändern. Diese Leitfähigkeitsänderung kann zur Detektion des reduzierenden Gases herangezogen werden. Die Reaktion zwischen Gasen und der Halbleiteroberfläche ist ein sehr komplexer Prozess, der von vielen Parametern beeinflusst wird. Halbleitersensoren können bereits extrem niedrige Konzentrationen explosiver Gase detektieren. Die exakte quantitative und selektive Messung dieser Gase ist aber mit dem Verfahren nicht möglich. Alle Halbleitersensoren besitzen erhebliche Querempfindlichkeiten zu einer Vielzahl von nicht explosionsgefährlichen Komponenten. Diese Sensitivität kann bei dem Anwender leicht zu Fehlalarmen führen.

Von den meisten Gaswarngeräteherstellern werden Halbleitersensoren daher nicht zur Überwachung von brennbaren Gasen und Dämpfen eingesetzt. Die sehr hohe Empfindlichkeit kann aber hervorragend in tragbaren Gasspürgeräten zum Aufspüren selbst kleinster Leckstellen an Leitungen und Tanks genutzt werden. Sie ermöglichen eine schnelle und punktgenaue Ortung von Gasaustrittstellen.

Wärmetönung
Wärmetönungssensoren arbeiten nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung. Ein speziell beschichteter und elektrisch aufgeheizter Draht dient dabei als aktives Sensorelement. Das in einer Gasprobe enthaltene brennbare Gas wird in der Messkammer an diesem Draht verbrannt und führt zu einer zusätzlichen Aufheizung des Sensors. Die temperaturabhängige Widerstandsänderung des Drahtes wird als Maß für die Gaskonzentration genutzt. Umwelteinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchte werden mit einem im Sensor integrierten Vergleichselement kompensiert. Sogenannte Sensorgifte können den Katalysator schädigen und damit eine Verringerung der Sensorempfindlichkeit herbeiführen. Sensorgifte sind Silikone und Silikonverbindungen. Bei Anwesenheit solcher Substanzen sind dann gegebenenfalls die Kalibrierintervalle der Gaswarnanlage zu verkürzen.

Besonders geeignet sind Wärmetönungssensoren zur Detektion brennbarer Gase im Bereich bis zur unteren Explosionsgrenze (UEG). Die Empfindlichkeit ist dabei abhängig von der Verbrennungstemperatur des zu messenden Gases. Auch bei einer gegenüber der Erdatmosphäre stark reduzierten Sauerstoffkonzentration kann der Wärmetönungssensor eingesetzt werden. Ist eine Reduzierung auf unter 10 Vol.% O₂zu erwarten, müssen Einschränkungen der Einsetzbarkeit berücksichtigt werden. Bei einer Gaswarnanlage zur Überwachung von Explosionsgefahren ist eine Messung der gefährdenden Gaskonzentration in % UEG üblich. Der Voralarm erfolgt in der Regel bei 20% UEG. Das Anzeigeverhalten eines auf C9H20(Nonan) kalibrierten Wärmetönungssensors bei Begasung mit verschiedenen brennbaren Gasen ist nebenstehend dargestellt. Im Gegensatz zum Infrarotmessprinzip handelt es sich bei der katalytischen Verbrennung um kein selektives Messverfahren. Die Kalibrierung auf n-Nonan wird dabei häufig als so genannte Sicherheitskalibrierung genutzt, um bei Anwesenheit mehrerer brennbarer Komponenten eine sichere Überwachung der Atmosphäre zu gewährleisten.

Zusammenfassung
Für zahlreiche brennbare Gase stehen prinzipiell unterschiedliche Verfahren der Detektion zur Verfügung. Jedes Verfahren hat dabei eine Reihe spezifischer Vor- und Nachteile. Die Eignung sollte daher jeweils im Einzelfall vom Anwender mit Rücksicht auf die Messaufgabe entschieden werden. Dies ist insbesondere verhältnismäßig einfach, wenn die möglichen auftretenden Gase bekannt sind.

Kann diese Eingrenzung nicht mit absoluter Sicherheit erfolgen, erscheint zur Warnung vor Explosionsgefahr insbesondere das Verfahren der Wärmetönungssensoren geeignet. Die katalytische Verbrennung ist das einzige Messverfahren bei dem tatsächlich die Brennbarkeit eines Gases detektiert wird. Bei entsprechender Kalibrierung kann damit zuverlässiger Schutz gewährleistet werden.

Download:
Presse-Information (PDF-Datei, 30 kB)

Presse-Mitteilung in der Fachzeitschrift "S&I Kompendium 2009", Referenzbuch für Sicherheit & Industrie  (PDF-Datei, 968 kB)

Bericht auf der Internetseite Referenzbuch für Sicherheit & Industrie

Download Bildmaterial:
Grafik: Aufbau eines Dual-Wellenlängen Mess-Systems zur Messung von Methan (jpg-Datei, 135 kB)
Grafik: Anzeigeverhalten eines auf Nonan kalibrierten Wärmetönungssensors (jpg-Datei, 310 kB)
Illustration: Gaswarnanlage mit Messung und Auswertung (jpg-Datei, 220 kB)