Messprinzip Wärmetönung/Pellistor

An dieser Stelle führen wir Ihnen Grundlagen der verschiedenen Messprinzipe aus der Gaswarntechnik auf. Der Text wurde uns freundlicherweise von Herrn Hans Peter Maurischat als Vorabdruck der geplanten überarbeiteten Fassung seines Kompendiums zur Gasmesstechnik zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen zu der aktuellen Version des Buches finden Sie unter www.maurischat.eu.  

 

Messverfahren Wärmetönung

Das Messverfahren der Wärmetönung oder auch kalorimetrisches Messverfahren ist wohl das am weitesten verbreitete Messprinzip für brennbare Gase.

Einfach gesagt, wird das Gas an der Oberfläche eines heißen temperaturabhängigen Widerstandsdrahtes verbrannt und die dabei entstehende Wärmemenge über die elektrische Leitfähigkeitsänderung des Drahtes bestimmt.

Je mehr Gas vorhanden ist, desto mehr Wärme entsteht – vorausgesetzt ist eine ausreichend hohe Sauerstoffkonzentration. Die Angaben über die Mindestsauerstoffkonzentrationen sind unterschiedlich, 12 Vol. % gilt als der absolute untere Grenzwert für eine zuverlässige Funktion.

Die tatsächliche Temperaturerhöhung durch brennbare Gase am Sensor ist aber durch viele unterschiedliche Faktoren bestimmt. Zudem reagieren die Sensoren prinzipiell auf alle brennbaren Gase. Deshalb ist die Wärmeentwicklung nur dann ein zuverlässiges Maß für die tatsächlich vorhandene Gaskonzentration, wenn nur ein einziges und bekanntes brennbares Gas vorhanden ist; z. B. bei Methan im Bergbau.

Die Nachweisgrenze dieses Verfahrens in der Praxis liegt bei etwa 10 % der UEG.

 

Funktionsprinzip und Aufbau eines Wärmetönungssensors

Also kann ein brennbares Gas mit einem ausreichend heißen Widerstandsdraht quantitativ gemessen werden. Damit ein vernünftiger Widerstand auf engem Raum zustande kommt, sollte der Draht als Spule gewickelt und mittels elektrischer Energie auf eine Temperatur von etwa 900 °C aufgeheizt sein.

Abbildung 1 Prinzip der Wörmetönung

 

An dem heißen Draht verbrennt das Gas, hier als Beispiel Methan, zu Kohlendioxid und Wasser. Die dabei entstehende Wärme erhöht die Temperatur des Drahtes und damit seinen elektrischen Widerstand.

Diese Widerstandsänderung kann elektrisch gemessen werden.

Die absolute Temperaturerhöhung des Drahtes beim Verbrennen eines Gases ist sehr gering und beträgt nur einige wenige °C.

Grundsätzliches Problem beim Verbrennen von Stoffen: Die Sensorik muss sehr heiß sein, um oberhalb von Mindestzündenergie und Mindestzündtemperatur der zu messenden Gase zu liegen. Für Methan wären das z. B. mindestens 290 J bei Temperaturen über 600 °C. Damit würde der Draht eine Zündquelle darstellen, was natürlich den Forderungen zum Explosionsschutz widerspricht. Denn solche Energien und Temperaturen können bei höheren Konzentrationen an brennbaren Gasen in der Umgebungsluft zu einer Zündung führen.

 

Abbildung 3 Prinzip der Wärmetönung

Die Verwendung von Katalysatoren bietet eine Möglichkeit die Reaktion auch bei niedrigeren Temperaturen zu ermöglichen. Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion, einleitet oder beschleunigt. Damit kann die Temperatur auf „ungefährliche“ Werte verringert werden. Moderne Sensoren liegen bei einer Sensortemperatur von etwa 450° C. Sogenannte „Low Power Pellets“, die mit sehr niedrigen Energien arbeiten können mittlerweile in der elektrischen Zündschutzart Ia gefertigt werden.

Daher stammt die manchmal noch verwendete Bezeichnung „Cat-Ex-Sensor“

Abbildung 4 zeigt den schematischen Aufbau Abbildung 2 Aufbau eines Messwiderstandes aus PT100eines elektrischen Widerstandes zur Bestimmung brennbarer Gase mithilfe eines Katalysators. Der eigentliche Widerstand ist ein Draht, der sich durch den Stromfluss auf die Arbeitstemperatur erwärmt und dessen elektrische Leitfähigkeit sich mit der Temperatur ändert. Er ist als Spule gewickelt und von einer Vergussmasse umgeben, die die erzeugte Wärme auf die kugelförmige Oberfläche gleichmäßig verteilt. Darauf ist der eigentliche Katalysator aufgebracht, der diesen Widerstand zur sogenannten Detektorwendel ertüchtigt.

Abbildung 4 Aufbau eines Messwiderstandes aus Pt 100 Draht für Methan mit Katalysatorbeschichtung

Die gebräuchliche Bezeichnung für einen solchermaßen aufgebauten Messwiderstand ist Pellistor, gelegentlich auch Perle. Wegen der Ausführung des Drahtes als Wendel finden auch Begriffe wie Messwendel, Detektorwendel oder Katalysatorwendel Verwendung.

Abbildung Größenvergleich eines Pellistors mit einer Büroklammer

 

 

 

Einen Größenvergleich zwischen Büroklammer, etwas unscharf im Hintergrund, und Pellistor zeigt Abbildung 5.

 

 

 

Abbildung 5 Größenvergleich eines Pellistors mit einem Stecknadelkopf

Nun liegt die Temperaturveränderung bei Anwesenheit eines brennbaren Gases im Bereich von wenigen Grad Celsius – ein Bereich, in dem auch unter Betriebsbedingungen die Umgebungstemperatur schwanken kann. Für einen zuverlässigen Betrieb müssen deshalb diese SchwankungenAbbildung 4 Aufbau der Vergleichs- und Kompensationswendel eliminiert werden. Dazu befindet sich in jedem Sensor ein zweiter Pellistor, der die gleichen elektrischen Kenngrößen wie die Messwendel hat und damit gleichartig auf Änderungen der Umgebungsbedingungen reagiert – allerdings ohne Katalysator. Dieser Pellistor wird auch als Kompensations‑ oder Vergleichswendel bezeichnet. Er unterscheidet sich lediglich dadurch von der Messwendel, dass anstelle des Katalysators eine Oberflächenversiegelung auf der Oberfläche der Vergussmasse aufgebracht ist. Diese Vergleichswendel zeigt Abbildung 5. Die aufgebrachte „Verglasung“ der Vergussmasse dient zum Korrosionsschutz.              Abbildung 6 Aufbau der Vergleichs- oder Kompensationswendel 

                                                                                                                                                                                                     

Abbildung 5 Prinzipschaltbild der Wheatstone-BrückeDie sorgfältige Auswahl und Zusammenstellung von Mess‑ und Vergleichswendel im Hinblick auf ihre elektrischen Eigenschaften bei Änderungen der Umgebungsbedingungen ist von grundlegender Bedeutung für die Stabilität und Messgenauigkeit eines Sensors.

Die beiden Widerstände bilden im Sensor den oberen Messzweig einer in Abbildung 8 dargestellten Wheatstone-Brücke.

Vorausgesetzt, die elektrischen Widerstände der Wendeln sowie die Festwiderstände R1 und R2 sind jeweils gleich groß, verteilt sich der von der Spannungsquelle ausgehende Strom so auf beide Zweige, dass keine Spannungsdifferenz zwischen oberem Messzweig und unterem Vergleichszweig anliegt. Es fließt kein Strom über die Verbindungsleitung der beiden Zweige.

Zum Abgleich kleinerer Unterschiede zwischen oberem und unterem Zweig ist einer der Festwiderstände für die Festlegung des „Nullpunktes“ regelbar.

Erhöht sich die Umgebungstemperatur wie in Abbildung 8 angedeutet, z.B. durch Sonneneinstrahlung, verändern beide Pellistoren im oberen Zweig ihren Widerstand. Der Wert der Widerstandsänderung bezogen auf die Temperaturänderung muss bei beiden gleich sein.

Ist er es nicht, kommt es zu einem Verhalten, das umgangssprachlich als „Weglaufen des Nullpunktes“ bezeichnet wird. Deshalb auch oben der Hinweis auf die sorgfältige Paarung beider Pellistoren hinsichtlich ihres Temperaturganges.

Abbildung 7 Prinzipschaltbild der Wheatstone-Brücke

Abbildung 6 Temperatureinfluss Wheatstone-BrückePhysikalisch geschieht nichts anderes, als dass im oberen Zweig der Widerstand steigt und dadurch weniger Strom fließt. Der Strom verteilt sich asymmetrisch auf die beiden Zweige – ohne aber dass es zu einem Spannungsgefälle zwischen beiden kommt.

Bei Anwesenheit eines brennbaren Gases führt dessen Oxidation ausschließlich am katalytisch beschichteten Pellistor zu einer Temperaturerhöhung.

Die Wheatstone Brücke „kommt aus dem Gleichgewicht“. Die Kompensationswendel bleibt kälter, hat damit einen geringeren elektrischen Widerstand und lässt „mehr Strom“ durch als die nachfolgende Messwendel.

Dieser „Überstrom“ fließt über die Querverbindung beider Brückenzweige ab. Und zwar umso mehr, je höher die Differenz der Widerstände im oberen Zweig der Brücke ist. Der Stromfluss zwischen beiden Zweigen – oder die Spannungsdifferenz je nach technischer Ausführung – ist Grundlage für den vom Gerät ausgegebene Konzentrationswert.

Die Brücke kann spannungs- oder stromstabilisiert sein. Das bedeutet, bei einer Widerstandsänderung wird entweder der Stromfluss oder die angelegte Spannung verändert. Diese Ausführungen sind herstellerspezifisch.

Wichtig für die Messung mit einer Wheatstone-Brücke ist, dass:

- nur ein Zweig durch Umwelteinflüsse und die Messgröße beeinflusst wird,

- Änderungen der Umgebungsbedingungen, die die Messung nicht beeinflussen sollen, sich immer auf beide in diesem Zweig befindlichen Widerstände gleich auswirken, und

                                                    - nur ein Widerstand auf eine Änderung der Messgröße reagiert.

Abbildung 8 WS-Brücke Umgebungstemperatureinfluss 

Abbildung 7 Wheatstone-Brücke brennbares GasKIMESSA Pelistor BearbeitetProduktionsbedingt streuen die elektrischen Eigenschaften der Pellistoren. Deshalb muss der Temperaturgang, die elektrische Widerstandsänderung bei Änderung der Temperatur, für jeden einzelnen Pellistor nach der Produktion bestimmt werden. Es können nur solche Mess- und Vergleichswendeln im Sensor kombiniert werden, deren Temperaturgang möglichst übereinstimmt. Dieses Auswahlverfahren und die vom Sensorhersteller eingehaltenen Toleranzen haben großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Sensors.

Abbildung 8.1 WärmetönungssensorBei Sensoren älterer Bauart ist der Gaseinlass in das Sensorgehäuse meist mit einer Sintermetallscheibe verschlossen. Diese Scheibe dient zum einen als mechanischer Schutz der Pellistoren, zum anderen ist sie noch oft Bestandteil des elektrischen Explosionsschutzes (Sonderschutz Ex s). Moderne Sensoren mit niedrigerer Stromaufnahme benötigen diese Ausführungen für den Explosionsschutz nicht mehr. Trotzdem finden die Sintermetallscheiben im Allgemeinen weiterhin Verwendung. Der mechanische Aufbau der Metallscheibe bestimmt die Gasdurchlässigkeit zum eigentlichen Sensorelement – und damit auch ihre Reaktionszeit. Das Sensorgehäuse besteht zur besseren Wärmeableitung in der Regel aus Metall.

 

 Abbildung 10 Wärmetönungssensoren

Abbildung 9 WS-Brücke brennbares Gas

 

Verwendungshinweise und Besonderheiten

Früher häufig noch problematisch ist heute der elektrische Explosionsschutz, insbesondere die Explosionsgruppe und Temperaturklasse zur Messung der jeweiligen Gase aufgrund der modernen stromsparenden Sensoren kein Problem mehr.

Allerdings bringt die Tendenz zu immer geringeren Abmessungen der Kammer und niedrigeren Wendeltemperaturen nicht nur Vorteile.

Mechanische Belastungen, Stöße und Stürze, natürlich vor allem bei tragbaren Gaswarngeräten, verändern die Empfindlichkeit. Vermutlich, weil sich durch die Erschütterung die Lage der Pellistoren in der Kammer verändert und damit das Temperaturgefüge und der elektrische Widerstand. Nach solchen Belastungen ist eine Kontrolle des Anzeigeverhaltens mit Prüfgasen erforderlich.

Prinzipbedingt arbeitet der Sensor nur zuverlässig bis zu einem Wert, der der unteren Explosionsgrenze der zu messenden Gase entspricht. Der Grund liegt einmal im nachfolgend beschriebenen Diffusionsverhalten sowie im Umstand, dass alle brennbaren Gase und Dämpfe auch eine obere Explosionsgrenze haben. Bei Konzentrationen darüber versagt das Messprinzip wegen Sauerstoffarmut.

In dem Bereich zwischen unterer und oberer Explosionsgrenze gibt es jeweils eine Konzentration unterhalb und eine oberhalb des stöchiometrischen Gemisches, bei der an der Messwendel die gleiche Wärmemenge entsteht. Das Messsignal ist oberhalb der UEG ohne zusätzliche technische Maßnahmen zweideutig.

 

Diffusionsverhalten

In den modernen Geräten arbeiten alle mir bekannten Sensoren dieser Bauart für den Explosionsschutz im Diffusionsbetrieb. Der eigentliche Sensor, Abbildung 10 ganz rechts, steckt in einem Gehäuse Abbildung 10 Mitte, dessen Gaszugang mit einem Sintermetall verschlossen ist. Auch der linke Sensor in der gleichen Abbildung ist im Betrieb mit einem Sintermetall abgedeckt.

Das Sintermetall war früher auch wegen des konstruktiven Explosionsschutzes erforderlich. Da dieser Gesichtspunkt mittlerweile an Bedeutung verloren hat, können die Gaseintrittsöffnungen moderner Sensoren auch mit anderen Materialien verschlossen sein. Wichtig ist nur eine ausreichend dichte Diffusionsbarriere zwischen Umgebung und Pellistoren.

Das zu messende Gas diffundiert aufgrund des Konzentrationsunterschiedes zwischen Außenbereich und Innerem des Sensors durch die Diffusionsbarriere in den Sensor, wo es an der Messwendel verbrennt. Damit bleibt das Konzentrationsgefälle bestehen und es strömt immer die der Umgebungskonzentration entsprechende gleiche Gasmenge in den Sensor nach. Verändert sich die Umgebungskonzentration verändert sich in gleichem Maße die in den Sensor transportierte Stoffmenge und die Wärmeentwicklung am Sensor.

Das bedeutet für die Praxis, der Diffusionswiderstand beeinflusst direkt die Anzeige!

Warum? Beim Abgleich des Sensors auf eine vorgegebene Prüfgaskonzentration, dem sogenannten Justieren, geht eine von Bauart und Zustand des Diffusionswiderstands abhängige Gasmenge in den Sensor. Im Rahmen der Justierung wird nun die Signalverarbeitung so parametriert, dass in der Anzeige die richtige Prüfgaskonzentration erscheint. Verändert sich während des Betriebes der Diffusionswiderstand, z.B. durch Verschmutzung oder Kondensation, gelangt bei gleicher Umgebungskonzentration nun weniger Gas in den Sensor – mit der Konsequenz, der angezeigte Wert ist zu niedrig. Ein Grund, weshalb solche Sensoren der regelmäßigen Kontrolle und Justierung bedürfen.

Vorteil des Diffusionsbetriebes: Die Sensoren arbeiten in einem weiten Luftdruckbereich unabhängig vom Gaspartialdruck. Nachteil: die Sensoren reagieren umso langsamer, je höher die Konzentration und je größer die Gasmoleküle sind.

Abbildung 10

Bleibt der Transport von Brennstoff und Sauerstoff bei Abbildung 11niedrigen Methankonzentrationen genauso überschaubar wie die entstehende Menge von Reaktionsprodukten, Kohlendioxid und Wasser, sieht es bei „großen“ Molekülen anders aus.

Die aus dem Sensor herausdiffundierenden Verbrennungsprodukte verstopfen die Gaswege der Diffusionsbarriere und behindern den Gaszutritt aus der Umgebung. Der Sensor wird „träge“, die Anzeige im Extremfall instabil.

                                                           Abbildung 9 Messkammer mit direkt beströmten Pelistor

                                                            Abbildung 11 Messkammer mit direkt beströmten Pellistoren

Abbildung 11 zeigt einen Wärmetönungssensor dessen Pellistoren direkt von der Umgebungsluft angeströmt werden. Die Molekülgröße oder Konzentration hat hier kaum einen Einfluss. Allerdings verändert sich hier die Anzeige proportional zum Gaspartialdruck, weil hier keine „Regelung“ durch die Diffusionsbarriere wirkt.

Links in dem Bild zu sehen sind noch zwei Pellistoren, mit denen nach dem Prinzip der Wärmeleitung höhere Methankonzentrationen überwacht wurden. Sie dienten allerdings nicht der Bildung eines Messwertes, sondern überwachten eine Leitfähigkeitsschwelle, wie in Abbildung 17 gezeigt. Beim Überschreiten dieser Schwelle zeigte das Display, noch mit Zeigerinstrument, einen Vollausschlag.

 

Sensortemperatur

Abbildung 12 Unterschiede SignalgrössenWenn der Wärmetönungssensor auch auf alle brennbaren Gase reagiert, tut er dies aber häufig nicht bei jedem Gas mit der gleichen Intensität.

Wie in Abbildung 12 gezeigt beeinflusst die Arbeitstemperatur der Wendeln die Signalstärke bei unterschiedlichen Gasen erheblich. Je „kälter“ der Sensor, desto kleiner das Signal – eine Binsenweisheit wenn es um Verbrennung geht. Aber, der Trend hin zu immer kleineren Leistungen am Sensor ist nun mal nicht zuletzt durch die Reduktion der Arbeitstemperatur realisierbar. So optimierte Sensoren können bei verschiedenen Gasen sehr instabil sein, insbesondere wenn die Arbeitstemperatur in einem Bereich liegt, in dem geringe Änderungen der Sensortemperatur deutliche Auswirkung auf das Sensorsignal haben.

 

                                                                                           Abbildung 12 Unterschiedliche Signalgrößen in Abhängigkeit der Sensortemperatur - Sensors, Vol. 2, ed. W. Göpel, VCH, Weinheim 1991

Daher sind nicht alle Sensoren für unterschiedliche brennbare Gase und Dämpfe gleichermaßen geeignet. Es ist pauschal nicht möglich, eine allgemein gültige Aussage zu treffen, für welche Stoffe ein Wärmetönungssensor zur Messung besser oder weniger geeignet ist. Insbesondere bei Lösemitteln ist nicht sichergestellt, ob der Sensor alle Anforderungen an die Messaufgabe erfüllen kann. Empfehlenswert ist das Lesen der Betriebsanleitung, dort sollten sich entsprechende Hinweise finden. Im Zweifelsfall ist der Hersteller, Experten oder eine Prüfstelle zu befragen, ob die angebotenen Sensoren für die Messaufgabe verwendet werden können.

 

Anzeigeverhalten bei unterschiedlichen Gasen

Wie bereits geschildert, reagieren Wärmetönungssensoren auf alle brennbaren Gase und Dämpfe, vorausgesetzt, sie schaffen es durch die Diffusionsbarriere. Doch allein schon aufgrund der unterschiedlichen Durchsatzmenge in Abhängigkeit von der Molekülgröße wird klar, dass diese Reaktion je nach Gas quantitativ unterschiedlich ausfallen muss.

Hinzu kommen Sensoraufbau und Sensortemperatur als gerätespezifische Eigenschaften und die stoffspezifische Eigenschaft des Gases Wärmemenge bei der Verbrennung.

Abbildung 11 Anzeigenverhalten WT bei unterschiedlichen GasenDeshalb ist nur das Gas quantitativ zu messen, auf das ein Wärmetönungssensor kalibriert ist, und auch nur dann, wenn keine anderen brennbaren Gase in der Umgebungsatmosphäre enthalten sind. Bei Gemischen aus mehreren brennbaren Gasen ist eine Konzentrationsmessung der Einzelkomponenten nicht möglich.

Die nicht ganz seriöse Darstellung in Abbildung 11 verdeutlicht das. Die Werte stammen aus einer mit einem Sensor ausgelieferten Querempfindlichkeitstabelle. Ein Sensor, dessen Anzeige mit einem Prüfgas von 1,76 % Methan eingestellt wurde, zeigt bei anderen Gasen in gleicher Konzentration, 1,76 %, sehr viel niedrigere Werte an. Bei Benzin z. B. nur ein Drittel der tatsächlichen Konzentration.

Die Nonan‑ und die Benzinkurve liegen übereinander – was zu erwarten ist, da sich weder die Molekülgröße noch die Brennwerte sehr voneinander unterscheiden. Es wird deutlich: Je größer das Kohlenwasserstoffmolekül, das heißt je höher sein Molgewicht, desto niedriger ist die Anzeige bei gleicher Ausgangskonzentration.

Abbildung 13 Anzeigeverhalten WT bei unterschiedlichen Gasen

Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass Methan‑ und Wasserstofflinie bei gleicher absoluter Konzentration übereinander liegen, obwohl der Brennwert von Methan etwa dreimal höher ist als der von Wasserstoff. Der „kleine“ Wasserstoff arbeitet sich einfach schneller durch die Diffusionssperre hindurch und erzeugt beim Verbrennen kein Kohlendioxid als Abgas, das den Gasaustausch im Sensor hemmen könnte.

 

Messen der unteren Explosionsgrenze

Die Anzeige in Volumenprozent wie in Abbildung 13 gezeigt, macht in der Sicherheitstechnik wenig Sinn, wenn ich mit unbekannten und/oder unterschiedlichen brennbaren Gasen rechnen muss. Für jedes potentiell vorhandene Gas wäre ein quantitativer Grenzwert festzulegen.

Außer im Steinkohlenbergbau ist mir bisher kein Industriezweig bekannt, der bei Gaswarngeräten eine Anzeige in Volumenprozent grundsätzlich favorisiert; Ausnahmen bestätigen selbstverständlich auch hier wie überall die Regel und ich war ja noch nicht überall.

Abbildung 12 Anzeigeverhalten WT MethankalibrierungÜbliche Praxis ist eine Anzeige in Prozent der unteren Explosionsgrenze. Auf Basis des Gases, dessen untere Explosionsgrenze von allen zu erwartenden Gasen am niedrigsten ist. Bei Gasgemischen unterschiedlicher Zusammensetzung bedarf die Auswahl dieses „Basisgases“ besonderer Sorgfalt und kann nicht so einfach entschieden werden, jeder Einzelfall ist besonders zu betrachten.

Hier hat der Wärmetönungssensor gegenüber allen anderen Prinzipien unschätzbare Vorteile. Da er auf alle Gase reagiert und die Explosionsgrenzen der Kohlenwasserstoffe mit zunehmendem Molgewicht sinken, muss ich ihn einfach nur auf das Gas einstellen, dessen untere Explosionsgrenze am niedrigsten ist. Das Verhalten, auf große Moleküle mit niedrigerem Signal zu reagieren, geht dabei in Richtung höherer Sicherheit, wie nachfolgende Abbildungen verdeutlichen sollen.

 

Abbildung 14 Anzeigeverhalten WT Methankalibrierung in % UEG

Abbildung 13 Anzeigeverhalten WT PropankalibrierungDiese Darstellungen sind nur beispielhaft und quantitativ nicht verwertbar! Jede Sensorbauart kann andere Werte für die relative Empfindlichkeit besitzen. Die tatsächlichen Werte sind dem jeweiligen Sensordatenblatt zu entnehmen oder vom Hersteller des Sensors zu erfragen!

Abbildung 14 unterscheidet sich von Abbildung 13 lediglich darin, dass anstatt der Anzeige „Vol. %“ nun „% UEG“ angegeben ist. Nur ist nun deutlich zu sehen, dass z. B. Propan in einer Konzentration, die 40 % der unteren Explosionsgrenzen entspricht, lediglich eine Anzeige von 28 % der UEG erzeugt.

Für die Propanüberwachung sollte der Sensor also möglichst auch mit Propan kalibriert sein. Wie dann die relativen Empfindlichkeiten aussehen, zeigt Abbildung 13.

 

Abbildung 15 Anzeigeverhalten WT Propankalibrierung in % UEG

Abbildung 14 Anzeigeverhalten WT NonankalibrierungNun ist die Anzeige in Prozent der unteren Explosionsgrenze für Propan korrekt. Allerdings, die Anzeige für Methan ist zu hoch. Ist nur Methan vorhanden, wird bereits bei geringeren Konzentrationen als tatsächlich vorhanden gegebenenfalls eine Alarmierung ausgelöst.

Sollen unbekannte brennbare Gase möglichst frühzeitig eine hohe Anzeige auslösen, wird das Gerät meist auf Nonan kalibriert. Insbesondere Feuerwehren versprechen sich davon eine schnelle Warnung bei Gasgefahren, weil die untere Explosionsgrenze von Nonan bereits bei 0,7 Vol. % liegt. Somit ergeben bereits geringe Konzentrationen an Nonan eine hohe Prozentangabe für die UEG. Die meisten anderen brennbaren Gase erzeugen dann, weil ihre untere Explosionsgrenze höher liegt, auch ein höheres Signal bei der UEG-Messung als es ihrer tatsächlichen Konzentration entsprechen würde. Das zeigt Abbildung 16.

Es empfiehlt sich jedoch nicht, die Empfindlichkeit solcher Sensoren bis zum möglichen einstellbaren Maximum zu steigern, denn damit verstärkt sich auch das Signalrauschen. Bei solch empfindlich eingestellten Sensoren kann dann schon eine Lageänderung aufgrund der Wärmekonvektion im Innern der Messkammer zu einer Anzeigeänderung führen.                                                                              Abbildung 16 Anzeigeverhalten WT Nonankalibrierung in % UEG

 

Referenz- oder Ersatzgaskalibrierung bei WT-Sensoren

Die Nonankalibrierung ist sehr aufwändig und erfordert besondere Ausrüstung, weshalb viele Hersteller Referenzgase oder Ersatzprüfgase angeben, mit denen eine Justierung auf Nonan simuliert wird. Z. B. könnte dies im zuletzt gezeigten Beispiel lauten: Bei einer Propankonzentration, die 15 % der UEG von Propan beträgt, ist die Anzeige des Sensors auf 33 % der UEG von Nonan einzustellen.

Gleiches gilt für schlecht handhabbare oder gar giftige Prüfgase, mit denen eine Kalibrierung des Sensors technisch nur sehr schwierig oder gar überhaupt nicht zu realisieren ist. Dabei ist zu beachten, dass diese Referenzwerte ebenfalls sensorspezifisch sind und sich je nach Bauart unterscheiden.

Das Problem bei der Verwendung von Ersatzgasen: Sie haben unter Umständen andere physikalische Eigenschaften. Das Diffusionsverhalten, insbesondere bei alters- oder umgebungsbedingten Veränderungen der Diffusionsbarriere, kann sich anders einstellen als beim eigentlichen Zielgas. Das Gleiche gilt für alterungsbedingte Veränderungen des aktiven Pellistors.

Bei der Verwendung von Ersatzprüfgasen müssen deshalb geeignete Verfahren oder Maßnahmen festgelegt werden, mit denen in regelmäßigen Abständen zuverlässig geprüft werden kann, ob der Sensor noch ausreichend stark auf das Zielgas reagiert.

 

Umwelteinflüsse und Querempfindlichkeiten

 

„Verkokung“

Abbildung VerkokungVerbrennungsrückstände, insbesondere bei Lösemitteln oder großen Molekülen, führen zu Rückstandsbildungen auf der Katalysatorschicht. Das Signal geht deshalb während der Verwendung des Sensors langsam zurück.

Diese Veränderung läuft, wenn überhaupt Stoffe da sind, die Rückstände bilden, nur sehr langsam ab. Die Signalveränderung wird bei der regelmäßigen Justierung nachgeführt.

Dieser Alterungseffekt wäre kein Problem, bliebe die Signalveränderung bei allen Einsatzbedingungen stabil. Wird der Pellistor aber durch Aufgabe von Gasen mit einer Konzentration oberhalb von 100% der UEG sehr heiß, können sich diese Ablagerungen wieder von der Oberfläche trennen, was sowohl zu einer Erhöhung, als auch zu einer Verringerung der Anzeige führen kann. Diese Änderung kann bleibend aber auch reversibel sein. Nach einer solchen Einwirkung muss der Sensor kalibriert, ggf. justiert und in Folge in kürzeren Abständen kontrolliert werden, ob das Signal stabil bleibt.

Ein solcher Effekt kann im Einsatzfall durchaus dann auftreten, wenn unbeabsichtigt eine sehr hohe Gaskonzentration, mehr als 100% der UEG, auf den Sensor aufgegeben wurde. Es soll auch Zeitgenossen geben, die ihre Wärmetönungssensoren mit Flüssiggasdämpfen aus einem Feuerzeug malträtieren. Abgesehen davon, dass die entstehende große Wärmemenge den Sensor mechanisch zerstören kann, ist er danach für die Messung unbrauchbar und muss erst wieder neu justiert und dann in kürzeren Abständen als normal kalibriert werden.Abbildung Katalysatorengift

 

Katalysatorgifte

Es gibt aggressive Gase und Dämpfe, die die Katalysatorschicht zerstören. Dazu gehören insbesondere Chlor- und Schwefelverbindungen, chlorierte und florierte Kohlenwasserstoffe.

Diese Veränderung läuft, je nach Konzentration der aggressiven Stoffe, langsamer oder schneller ab. Langsame Veränderungen werden bei der regelmäßigen Justierung nachgeführt.

Die besondere Gefahr bei Anwesenheit solcher Stoffe, höhere Konzentrationen davon zerstören den Katalysator sehr schnell und es gibt, außer der Aufgabe von Prüfgasen, keine Möglichkeit solche Schädigungen zu erkennen. Ein so zerstörter Sensor zeigt auch bei Anwesenheit brennbarer Gase und Dämpfe stabil „Null“ an.

 

Silikone

Silikonmoleküle bestehen aus Silicium-Atom(en), Abbildung Silikoneverbunden mit Kohlenwasserstoffen, CH3-Gruppen, und, je nach beabsichtigter Eigenschaft, noch mit anderen Stoffen, z.B. Wasserstoff aber manchmal auch Fluor auch Chlor.
Die brennbaren Bestandteile verbrennen an dem aktiven Pellistor und zurück bleiben, Siliziumoxide – Glas! Der katalytische Sensor wird also, wie der Vergleichssensor, mit einer Schutzschicht überzeugen und damit unwirksam.
Sind Chlorverbindungen vorhanden wird dieser Effekt noch durch deren zerstörende Wirkung verstärkt.
Wie auch bei den Katalysatorgiften besteht die besondere Gefahr, dass hohe Konzentrationen den Katalysator sehr schnell zerstören.

Ansaugleitungen für Wärmetönungsmessgeräte sollten auf keinen Fall aus Silikon oder silikonhaltigen Materialien bestehen. Denn alleine das aus dem Material ausgelöste Silikon kann die Funktionsfähigkeit der Messwendel beeinträchtigen.

Eine Schädigung des Katalysators wird sich zunächst bei der Messung von Methan auswirken. Aufgrund der relativ hohen Energie, die für die Verbrennung von Methan benötigt wird, wirken sich Schäden am Katalysator bei diesem Gas am ehesten aus. Es kann sinnvoll sein, den Sensor in regelmäßigen Abständen auf seine relative Empfindlichkeit gegenüber Methan zu prüfen. Weitere Hinweise dazu befinden sich im Kapitel 7.2.1 Besonderheiten bei Wärmetönungsmessgeräten.

 

Sauerstoffmangel

Bedingung für die ordnungsgemäße Funktion ist ein Sauerstoffgehalt von mindestens 10 Vol. % in der Messumgebung, da sonst keine vollständige Verbrennung sichergestellt ist und es zu Minderanzeigen kommen kann. Das heißt, bei hohen Konzentrationen brennbarer Gase und Dämpfe verbrennt nur ein Teil der Gase und es wird fälschlich eine ungefährliche Konzentration angezeigt. Deshalb ist durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen, dass auch bei Sauerstoffmangel eine "eindeutige" Messung gewährleistet ist und Konzentrationen oberhalb des Messbereiches keine falsche Messwertanzeige liefern. Dies kann messtechnisch durch die Kombination mit einer Sauerstoffmessung oder, wenn der Sauerstoffmangel durch eine zu hohe Konzentration brennbarer Gase verursacht ist, mit einer Kontrollmessung über die Wärmeleitfähigkeit erreicht werden.

Die Kombination mit der Wärmeleitfähigkeit ist aber nur dann zuverlässig, wenn keine brennbaren Gase mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit als Methan in der Probe vorhanden sind, wie z.B. höhere Kohlenwasserstoffe. wie Propan und insbesondere Butan.

 

Wärmetönungsmessung Vor‑ und Nachteile

Vorteile:

-     einfacher technischer Aufbau,

-     Messbereichsanfang bei ca. 1000 ppm bzw. 0,1 %,

-     Messung fast aller brennbaren Gase und

-     Einflüsse von Umgebungsdruck, Temperatur und Feuchtigkeit sind im spezifizierten Messbereich vernachlässigbar.

Nachteile:

  • zur Zeit gebräuchliche Sensoren haben noch immer einen verhältnismäßig hohen Energieverbrauch,

-     keine selektive Messung brennbarer Gase möglich,

-     die Sauerstoffkonzentration muss mindestens 10 % betragen,

-     nicht für Messungen oberhalb der unteren Explosionsgrenze geeignet,

-     je nach Diffusionsfilter kann kondensierende Feuchtigkeit den Gaszutritt behindern,

  • es gibt Stoffe, die den Katalysator vergiften und so die Anzeige hin zu niedrigeren Werten beeinflussen. Dazu gehören z.B.:
  • halogenisierte Stoffe z.B. halogenisierte Kohlenwasserstoffe,
  • Bleiverbindungen z.B. im verbleiten Benzin (Flugbenzin),
  • Silikone,
  • Schwefel‑ und Chlorverbindungen,
  • Phosphatester z.B. in Hydraulikflüssigkeiten und
  • organische Phosphorverbindungen z.B. in Insektenmitteln,
  • je nach Bauart luftdruckabhängiges Messsignal

 

Quelle

Der Text wurde uns freundlicherweise von Herrn Hans Peter Maurischat als Vorabdruck der geplanten überarbeiteten Fassung seines Kompendiums zur Gasmesstechnik zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen zu der aktuellen Version des Buches finden Sie unter www.maurischat.eu.   

 

Das Urheberrecht für Text und selbst erstellte Abbildungen und Objekte liegt alleine beim Autor Hans Peter Maurischat. Eine Vervielfältigung oder Verwendung des Textes oder der Grafiken und Abbildungen in anderen elektronischen oder gedruckten Publikationen ist ohne ausdrückliche schriftliche Zustimmung des Autors nicht gestattet.

Stand 2015