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WAHL DES RICHTIGEN MESSPRINZIPS - SENSORTYPEN

Entscheidend für die Erkennung von Gasgefahren ist die Wahl des richtigen Messprinzips. Jedes Messprinzip hat seine Stärken und Grenzen und ist für bestimmte Gasgruppen (brennbare/toxische Gase und Sauerstoff) optimiert. Eine wichtige Frage ist daher, welche Gase/Dämpfe an den Arbeitsplätzen auftreten. Generell kann man folgende Gasgefahren unterscheiden:

Explosionsrisiko (Ex-Gefahr) – Überall da, wo brennbare Gase oder Dämpfe vorkommen, herrscht ein erhöhtes Explosionsrisiko. Typische Bereiche hierfür sind: Bergbau, Raffinerien, chemische Industrie und viele mehr. Infrarot- und Warmetönungssensoren kommen hier zum Einsatz. Typischerweise erfassen diese Sensoren Gaskonzentration im Bereich der UEG, sind aber auch teilweise für den 100-Vol.-% Bereich einsetzbar.

Sauerstoffmangel/Sauerstoffüberschuss – Sauerstoffmangel ist lebensbedrohlich. Sauerstoffüberschuss hat Einfluss auf die Entflammbarkeit von Materialien bis hin zur Selbstentzündung. Für die Messung von Sauerstoff werden elektrochemische Sensoren eingesetzt. Die Messbereiche liegen zwischen 0 – 25 Vol.-% bis hin zu 100 Vol.-%.

Toxizität (Tox-Gefahr) – Giftige Stoffe können überall vorkommen. Bei industriellen Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen, beim Transport (Schiene, Straße, Schiff), bei unvollständiger Verbrennung (CO), aber auch bei ganz natürlichen Prozessen wie Fäulnis- und Zersetzungsprozessen beim Abbau von Biomasse. Für die Detektion giftiger Gase werden elektrochemische oder PID Sensoren eingesetzt.

Die Entscheidung, welcher Sensortyp der richtige für eine bestimmte Anwendung ist, hängt von weiteren Faktoren ab, zum Beispiel: – Welche anderen Gefahrstoffe liegen ebenfalls vor (Querempfindlichkeit) – Ist es notwendig, die Gefahrstoffe selektiv zu messen oder ist die Messung eines Summenparameters sinnvoller?

Elektrochemische Sensoren

Viele toxische Gase sind auch sehr reaktiv und lassen sich unter geeigneten Bedingungen chemisch umsetzen. Der elektrochemische Sensor ist ein Mikro-Reaktor, der bei Anwesenheit solcher Gase einen sehr geringen, aber messbaren Strom erzeugt. Wie bei einer Batterie ist hier Elektrochemie im Spiel, denn die chemische Umsetzung produziert Elektronen.

Das Grundprinzip eines elektrochemischen Sensors besteht aus mindestens zwei Elektroden (Mess- und Gegen-Elektrode), die auf zweierlei Weise miteinander Kontakt haben: einerseits über ein elektrisch leitendes Medium (Elektrolyt, d.h. Flüssigkeit als Ionen leiter), andererseits über einen äußeren elektrischen Stromkreis (Elektronenleiter). Die Elektroden sind aus speziellem Material und wirken katalytisch, so dass bestimmte chemische Reaktionen an der sog. 3-Phasen-Grenze, wo Gas, Katalysator und Elektrolyt vorhanden sind, stattfinden. Ein Zwei-Elektroden-Sensor (Mess- und Gegen-Elektrode) hat allerdings viele Nachteile. Treten zum Beispiel höhere Gaskonzentrationen auf, führt das zu höheren Strömen im Sensor und zu einem Spannungsabfall. Der Spannungsabfall wiederum verändert die voreingestellte Sensorspannung. Das wiederum kann dazu führen, dass unbrauchbare Messsignale geliefert werden oder im schlimmsten Fall die chemische Reaktion im Sensor zum Erliegen während des Messbetriebes kommt. Deshalb enthalten die Dräger XS- und XXS-Sensoren eine dritte Elektrode, die sogenannte Referenzelektrode, die nicht stromdurchflossen ist und deren Potenzial daher konstant bleibt. Durch sie wird die Sensorspannung an der Messelektrode kontinuierlich gemessen und kann durch die Regelverstärkung des Sensors korrigiert werden. Dieses führt zu einer wesentlich besseren Messqualität (z.B. in Hinblick auf Linearitätsverhalten und Selektivität) und zu einer längeren Lebensdauer.

Infrarot Sensoren

Alle Gase absorbieren Strahlung auf charakteristische Weise, einige sogar im sichtbaren Bereich (Wellenlänge 0,4 bis 0,8 Mikro meter), daher ist Chlor gelbgrün, Brom und Stickstoff dioxid braun, Joddampf violett usw., sichtbar aber leider nur in hohen (tödlichen) Konzen trationen.

Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffdioxid hingegen absorbieren Strahlung in einem ganz bestimmten Wellenlängenbereich (Kohlenwasserstoffe 3,3 bis 3,5 μm; CO2 ca. 4 μm) – und das lässt sich messtechnisch nutzen, denn Luft, d. h. Sauer stoff, Stickstoff und Argon absorbieren in diesem Bereich nicht. In einem Behältnis, das gasförmigen Kohlenwasserstoff wie z. B. Methan oder Propan bzw. Kohlenstoffdioxid enthält, wird die Intensität von eingestrahltem Infrarot Licht geschwächt, und diese Schwächung ist von der Gaskonzentration abhängig. Mit dem Drä- gerSensor Dual IR Ex / CO2 ist eine Simultanmessung möglich.

Luft: Infrarot geht ungeschwächt hindurch – Intensität bleibt gleich

Gas (z. B. Methan): Infrarot geht geschwächt hindurch – Intensität verringert sich entsprechend der Konzentration an Methan. Dieses ist das Prinzip eines Infrarot-Messgerätes, das sich die IR Sensoren von Dräger zunutze machen. Brennbare Gase und Dämpfe sind meist Kohlenwasserstoffe, und Kohlenwasserstoffe sind fast immer über ihre typische IR-Absorption detektierbar.

Funktionsprinzip: Die zu überwachende Umgebungsluft gelangt durch Diffusion oder Pumpe in die Messküvette. Vom Strahler gelangt breitbandige Strahlung durch ein Fenster in die Kü- vette, wird an den verspiegelten Wänden reflektiert und fällt nach Durchtritt durch ein Fenster auf den Doppeldetektor. Dieser besteht aus einem Mess- und Referenzdetektor. Enthält das Gasgemisch einen Anteil an z.B. Kohlenwasserstoffen, so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und der Messdetektor liefert ein verringertes elektrisches Signal. Das Signal des Referenzdetektors bleibt dabei unverändert. Schwankungen der Leistung des Strahlers, Verschmutzung des Spiegels und der Fenster sowie Störungen durch Staub- oder Aerosolbelastung der Luft wirken auf beide Detektoren in gleichem Maße und werden vollständig kompensiert.

CatEX Sensoren (katalytischer Sensor)

Unter gewissen Umständen kann man brennbare Gase und Dämpfe unter Freisetzung von Reaktionswärme mit Luft sauerstoff oxidieren. Hierzu verwendet man geeignetes temperiertes Katalysatormaterial, das sich durch diese Reaktions wärme zusätzlich messbar erwärmt. Diese geringe Temperatur erhöhung ist ein Maß für die Gas konzentration.

In eine poröse Keramikkugeln mit einem Durchmesser unter 1 mm ist eine Platinspirale eingebettet. Die Platinspirale wird von einem Strom durchflossen, der den Pellistor auf einige hundert Grad aufheizt. Enthält der Pellistor geeignetes Katalysatormaterial, so wird sich seine Temperatur bei Anwesenheit von brennbaren Gasen erhöhen, da dort die brennbaren Gase und Dämpfe katalytisch verbrannt werden, was sich wiederum in einer Widerstands erhöhung der Platinspirale auswirkt. Die Widerstandsänderung kann nun elektronisch ausgewertet werden. Der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen. Der Sensor arbeitet nach dem Wärmetönungsprinzip.

Um Veränderungen der Umgebungstemperatur zu eliminieren, verwendet man einen zweiten Pellistor, der nahezu gleichartig aufgebaut ist, auf Gas jedoch nicht reagiert (z.B. dadurch, dass dieser Pellistor kein Katalysatormaterial enthält). In einer Wheatstoneschen Brückenschaltung entsteht auf diese Weise ein Sensorkreis, der weitgehend unabhängig von der Umgebungstemperatur die Anwe senheit brennbarer Gase und Dämpfe in Luft detektieren kann. Da der Wärmetönungssensor heiße Pellistoren enthält, kann er – bei Überschreitung der UEG – selbst zur Zündquelle werden. Durch den Einsatz der Flammensperre wird das verhindert. Kommt es im Innern des Wärmetönungssensors zur Zündung, so hält der Sensor dem Explosionsdruck stand und die Flamme wird durch die Flammensperre unter die Zündtemperatur des Gases abgekühlt. So ist sichergestellt, dass die Flamme nicht in den Außenraum durchschlägt. Aus dem Wärmeleitungssignal des Sensors wird bei entsprechender Geräte-einstellung und Kalibrierung auch die Gaskonzentration für den Messbereich 0 - 100 Vol.-% für Methan ermittelt.

PID Sensoren

Viele brennbaren Gase und Dämpfe wirken auf den Menschen toxisch, lange bevor sie die untere Explosionsgrenze (UEG) erreichen. Daher ist eine zusätzliche Messung von flüchtigen organischen Substanzen im ppm-Bereich mit einem PID-Sensor eine ideale Ergänzung zum Personenschutz am Arbeitsplatz.

Über den Gaseinlass wird Luft angesaugt und der Messkammer zugeführt. Dort erzeugt eine UV-Lampe Photonen, die bestimmte Moleküle des Gasstroms ionisieren. Für die Ionisierung der permanenten Gase in der Luft, wie Edelgase, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, ist eine verhältnismäßig hohe Energie notwendig, daher stören diese Gase die Messung der Schadstoffe nicht. Die meisten als Schadstoffe bekannten organischen Substanzen (z.B. Kohlenwasserstoffe) werden ionisiert und dem zwischen den Elektroden der Messkammer herrschenden elektrischen Feld ausgesetzt. Die Stärke des entstehenden Stromes ist der Konzentration ionisierter Moleküle in der Detektorkammer direkt proportional. So ist eine Aussage über die Konzentration des Schadstoffes in der Luft möglich.

Ionisationsenergie und UV-Lampen: Die Ionisationsenergie wird in Elektronenvolt (eV) angegeben und sagt aus, wie viel Energie erforderlich ist, um ein Molekül in den ionisierten (geladenen) Zustand zu überführen. Diese Ionisationsenergien sind stoffspezifische Daten wie Siedepunkt oder Dampfdruck. Um eine Substanz zu ionisieren, muss die Ionisationsenergie der zu messenden Substanz kleiner sein als die Photonenenergie der im PID verwendeten Lampe. Gängig ist der Lampentyp 10,6-eVLampe. Ein PID eignet sich damit für die Detektion ganzer Schadstoffgruppen, kann bei entsprechender Justierung aber auch für die Messung einer Einzelsubstanz eingesetzt werden.

Justierung und Responsefaktoren: Für die Justierung eines PIDs wird, sofern nicht mit der zu messenden Substanz kalibriert werden soll, i-Buten eingesetzt. Die relative Empfindlichkeit anderer Stoffe wird dann über sogenannte Responsefaktoren ausgedrückt. Werden Substanzen empfindlicher detektiert als i-Buten, liegt ihr Responsefaktor unterhalb von 1. Bei Substanzen, die unempfindlicher detektiert werden als i-Buten, ist der Responsefaktor größer als 1.

 

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