Systemübersicht CarboSen HydroSen. Sensoren und Systeme für die Feuerungstechnik.

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1 Systemübersicht CarboSen HydroSen Sensoren und Systeme für die Feuerungstechnik

2 LAMTEC CarboSen HydroSen CarboSen/HydroSen Vom All in den Alltag. Miniaturisierte Gassensoren aus der Raumfahrt für die Feuerungstechnik, Prozessüberwachung und industrielle Leckdetektion. Beim CarboSen/HydroSen handelt es sich um einen keramischen Festkörperelektrolytsensor auf ZrO 2 -Basis. Die dabei eingesetzte Technologie ist durch die Lambda Sonde allgemein bekannt und weit verbreitet. Im Gegensatz zur Lambda Sonde, die nach dem Nernstschen Prinzip den Sauerstoff misst, arbeitet der CarboSen/ HydroSen nach dem Nicht-Nernstschen Prinzip. Durch Variation von Geometrie, Material der Elektroden und elektrischer Verschaltung detektiert dieser Mischpotential-Sensor oxidierende, brennbare Gasbestandteile CO e wie z.b. CO, HC aber vor allem auch H 2. Bereits als FIPEX- Weltraumexperiment auf der Internationalen Raumstation ISS wurde das Prinzip zur Messung oxidierender Gase unter schwierigsten Bedingungen eingesetzt und qualifiziert. Als CarboSen wird der Sensor heute in der Feuerungstechnik eingesetzt, z.b. zur Verbrennungsüberwachung oder zur bewährten LAMTEC CO e -Verbrennungsoptimierung. Als HydroSen wird der Sensor rund um die Wasserstofftechnik eingesetzt, z.b. zur Sicherheitsüberwachung oder zur industriellen Leckdetektion. Sensor Seite Elektroden ZrO 2 -Keramik Heizer Heizer Seite Die Sensorelemente: Die planaren Sensorelemente CarboSen/HydroSen sind mehrschichtig aufgebaut und werden mittels innovativer Dünn- und Dickschichtverfahren auf Trägersubstraten unter Reinraumbedingungen bei LAMTEC gefertigt. Die etwa 100 Mikro-Sensorelemente pro Substrat werden dann mittels Laserschneiden vereinzelt. Die Produktionsverfahren sind serienerprobt und ermöglichen die wirtschaftliche Fertigung großer Stückzahlen mit höchster Qualität. Damit wird der CarboSen/HydroSen auch für breite Anwendung erschwinglich, z.b. zur Überwachung und Optimierung von kleinen und mittleren Feuerungsanlagen im häuslichen Bereich. Der Sensor: Die vereinzelten CarboSen/HydroSen Sensorelemente werden in anwendungsspezifische Gehäuse integriert und sind damit für den Einsatz in unterschiedlichen Mess umgebungen bereit. Die Sensoren werden über eine Heizerstruktur, die auf dem Sensorelement selbst rückseitig aufgebracht ist, auf etwa 600 C Betriebstemperatur beheizt. Die Kennlinie des Sensors ist temperaturabhängig. Über die Sensortemperatur können der Messbereich, die Sensitivität und das Ansprechverhalten des Sensors an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Einmal eingestellt, muss die Betriebstempe ratur des Sensors konstant geregelt werden. Dies geschieht durch die Sensorelektronik, den CarboSen-Transmitter CT1. Das Sensorsystem: Mit dem CarboSen-Transmitter CT1 wird aus dem CarboSen/HydroSen Sensor ein Sensorsystem zur Lösung Ihrer messtechnischen Herausforderungen. Der CarboSen-Transmitter CT1 ermöglicht einen temperaturkompensierten Betrieb und eine flexible Ansteuerung der CarboSen/HydroSen Sensoren sowie die Erfassung und Ausgabe relevanter Sensorgrößen. Interne Plausibilitätschecks überprüfen kontinuierlich die nominelle Funktion des Sensors und gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb. Der Sensor wird über ein 2 m langes Sensorkabel mit dem CT1 verbunden. In der ST-Ausführung bilden Sensor und Sensorelektronik eine Einheit; hier ist der CT1 im Sensorkopf integriert. Trägersubstrat 23 mm Kontaktpads Planares Sensorelement CarboSen/HydroSen. 2

3 CarboSen Der CO e -Sensor. Zur Detektion oxidierbarer Gasbestandteile in Prozessen sowie zur Überwachung, Regelung und Optimierung der Verbrennung. Der CarboSen ist in Verbindung mit dem CarboSen- Transmitter CT1 ein universell einsetzbares Messgerät auf Mikroprozessorbasis. Dieser Messumformer wurde speziell zur schnellen und zuverlässigen Detektion von CO e in Abgasen von Feuerungsanlagen im überstöchiometrischen Bereich (λ > 1) entwickelt. Das CO e -Signal stellt dabei ein Summensignal aller oxidierbarer Abgasbestandteile wie CO, H 2, etc. dar, wie sie bei einer unvollständigen, schlechten Verbrennung aufgrund von Luftmangel entstehen. Damit kann die Verbrennung kontinuierlich überwacht, geregelt und z.b. mittels der bewährten, selbstadaptiven CO e -Regelungsstrategie von LAMTEC optimiert werden. Dies steigert die Effizienz, mindert die Emissionen und minimiert den Brennstoffverbrauch im Sinne von Mensch, Umwelt und Maschine. Der CarboSen-Sensor wird dabei direkt, in situ in den Abgaskanal einer Feuerungsanlage eingebracht. Die relevanten Sensorsignale werden im CarboSen-Transmitter CT1 verstärkt und am Analogausgang bzw. über den LAMTEC SYSTEM BUS zur Verfügung gestellt. Bei bekanntem Brennstoff mit konstanter Brennstoffqualität kann mit einer Genauigkeit von ± 25 % des Messwerts auf die CO-Konzentration geschlossen werden. Vorteile: Detektion oxidierbarer, brennbarer Bestandteile (CO e ) Hohe Lebensdauer (> 3 Jahre bei Blaubrenner Öl/Gas) Großer Detektionsbereich (bis ppm) Schnelles Ansprechverhalten (t 60 < 1 s) Hohe Auflösung (ab 1 ppm) Robust (bis 400 C) Driftfreier Nullpunkt Kompakt Am Display der optionalen Programmiereinheit wird die CO e -Konzentration in ppm angezeigt. Weiteres Zubehör wie z.b. Analoge und Digitale I/O Module sind auf Anfrage erhältlich. CarboSen Transmitter CT1 Die Sensorelektronik für CarboSen/HydroSen. Die mikroprozessorgesteuerte Sensorelektronik CT1 übernimmt im System folgende Aufgaben: Beheizung des Sensors und Regelung auf konstanter Temperatur Erfassung der Sensorspannungen in mv Wandlung der gemessenen Sensorspannungen und Ausgabe auf den Analogausgang (0/ ma) Ausgabe aller relevanten Messwerte auf LAMTEC SYSTEM BUS (LSB) Überwachung der beiden Sensorspannungen und andere Plausibilitätschecks Die Spannungsversorgung der Elektronik erfolgt mit VDC, ideal mit 24 VDC/2 A. Der CarboSen Transmitter CT1 übernimmt mit angepassten Parametern ebenfalls die Ansteuerung des HydroSen. Sensorsignal U COe [mv] CarboSen typische COe-Kennlinie eines Gasbrenners US [mv] CO [ppm] Restsauerstoffgehalt im Feuerungsabgas O 2 [Vol.%] CO-Konzentration im Feuerungsabgas CO [ppm] 3

4 LAMTEC CarboSen HydroSen HydroSen Der H 2 -Sensor. Zur Messung von Wasserstoff in Prozessen sowie zur Sicherheitsüberwachung und zur industriellen Lecksuche bzw. Dichtheitsprüfung. Der HydroSen ist in Verbindung mit dem CarboSen-Transmitter CT1 ein universell einsetzbares Messgerät auf Mikroprozessorbasis. Das Messsystem ist zur schnellen und zuverlässigen Messung von H 2 in Luft geeignet. Ausgehend von einem physikalisch determinierten Nullsignal steigt die Sensorsignalspannung mit steigendem H 2 logarithmisch bis auf ca. 750 mv an. Der Nullpunkt ist stabil und driftfrei. Eine Nullpunkt-Kalibrierung ist nicht erforderlich. Der Sensor ist sehr schnell und spricht bereits ab 1 ppm H 2 an. Durch den steilen logarithmischen Signalanstieg wird eine H 2 -Entwicklung und Akkumulation früh und zuverlässig erkannt. Selbst bei Beaufschlagung mit hohen H 2 -Konzentrationen (> 4 Vol. %) zeigt der Sensor keine Vergiftungserscheinungen und ist danach sofort wieder messbereit. Dadurch ist eine robuste Prozessführung bzw. kontinuierliche Prozessüberwachung möglich. Dies steigert die Sicherheit und Zuverlässigkeit für Mensch, Umwelt und Maschine. Der HydroSen Sensor wird direkt in situ in den Prozesskanal bzw. in die Messkammer eingebracht. Hierfür stehen unterschiedliche Gehäusevarianten zur Verfügung. Alternativ dazu sitzt der Sensor in einem Bypass, der von einem repräsentativen Teilstrom des Messgases durchströmt wird. Die relevanten Sensorsignale werden im CarboSen-Transmitter CT1 verstärkt und am Analogausgang bzw. über den LAMTEC SYSTEM BUS zur Verfügung gestellt. Bei konstantem Sauerstoffgehalt von 21 Vol. % in Luft kann mit einer Genauigkeit von ± 10 % des Messwerts auf die H 2 -Konzentration geschlossen werden. Am Display der optionalen Programmiereinheit wird die H 2 -Konzentration in ppm angezeigt. Weiteres Zubehör wie z.b. Bypass-Messkammer, HC-Inline-Filter, analoge und digitale I/O-Module sind auf Anfrage erhältlich. Schnüffel-Roboter auf der Fahrspur entlang des Prüfling. Industrielle Leckdetektion mit H 2 -Tracergas eine Alternative zu He Bei vielen Automobilherstellern ist Helium als Prüfgas bekannt und etabliert zum Beispiel bei der Prüfung von Kraftstoff-Systemen. Dies liegt u. a. an der Sicherheitsrelevanz, dem begrenzten Prüfdruck mit Gas und der schlechten Reproduzierbarkeit bei Luftprüfungen. Heliumquellen, die natürlich nutzbar sind, sind aber rar. Das macht Helium in der Beschaffung sehr teuer. Alternativen können neuentwickelte Gassensoren für verschiedene Gase bieten. Besondere Beachtung verdient dabei Wasserstoff, das ebenfalls im Automobilbereich als Prüfgas bekannt ist, z.b. zur Lecksuche in Reparaturbereichen oder zur Dichtheitsprüfung von Werkstücken. ma Zeit Sensorsignalverlauf entlang der Fahrspur eines Prüflings mit 2 undichten Stellen. 4

5 Wer Helium als Prüfgas im Einsatz hat weiß, wie kostspielig das Prüfen ist. Neben den hohen Beschaffungsund Betriebskosten für Helium ist auch eine teure Geräteausstattung von nöten. Zusätzlich kommt noch der Faktor Zeit dazu. Eine Prüfung mit Helium ist sehr langwierig, da die Sensorik träge reagiert und die Sensoren bei langer und intensiver He-Beaufschlagung vergiften. Wasserstoff hingegen ist das leichteste Gas. Daher bewegen sich seine Moleküle schneller als andere und entweichen selbst kleinsten Lecks schneller als andere Gase. Als Prüfgas wird das überall verfügbare und kostengünstige Schweißgas (5 % H 2, 95 % N 2 ) verwendet. Es ist zudem nicht brennbar, ungiftig und nicht korrosiv. LAMTEC hat mit HydroSen einen robusten und sensitiven H 2 -Sensor entwickelt, mit dem es möglich ist, sowohl kostengünstig als auch in kurzen Intervallen Leckprüfungen durchzuführen. Die Einzelkomponenten oder das komplette Sensorsystem HydroSen können vorteilhaft zur Dichtheitsprüfung und Lecksuche in unterschiedlichen Geräten verbaut und für unterschiedliche Prüfverfahren eingesetzt werden, z. B. in mobilen Handgeräten, in stationären (Tisch-) Messgeräten, in Prüfplätzen oder in automatisierten Prüfständen beispielsweise auch auf einem Roboter. Sensorsignal U H2 [mv] HydroSen typische H 2 -Kennlinie an Luft grobes Leck wasserdicht gasdicht 60 0,6 0,006 0,00006 cm 3 /min kein Leck H 2 Sensistor Wasserstoffkonzentration H 2 in ppm LAMTEC H 2 Technologie Helium-In-Air Verbesserte Helium-in-Luft Technologie Helium-Massenspektroskopie grobes Leck mbar l/s kein Leck Lecksuch-Technologien vs. Leckgröße. Vorteile: H 2 -Tracergas-Verfahren H 2 als kleinstes Molekül mit größter Geschwindigkeit entweicht selbst kleinsten Lecks H 2 ist verfügbar, kostengünstig, umweltfreundlich, nicht brennbar/korrosiv (Formiergas: 5 % H 2 in N 2 ) Geringe Anschaffungs- und Betriebskosten (keine aufwändige Messausrüstung notwendig) Schnelle Taktfrequenz bei Leckageprüfung (durch schnellen H 2 -Sensor) H 2 -Sensorsystem Hohe Lebensdauer (> 3 Jahre bei Betrieb in sauberer Umgebung) Hohe Messauflösung bei kleinen Konzentrationen (logarithmische Kennlinie) Großer Messbereich (bis ppm) Schnelles Ansprechverhalten (t 60 < 1 s) Wartunsarm (driftfreier Nullpunkt ) Hohe Verfügbarkeit (keine Vergiftung durch Überlast/große Konzentrationen) Robust Kompakt Flexibel 5

6 LAMTEC CarboSen HydroSen Funktionsübersicht CarboSen. CarboSen Smart-Transmitter CS-ST LAMTEC SYSTEM BUS Handbedieneinheit Übergabemodul Handbedieneinheit LSB-Module Funktionsübersicht CarboSen ST mit integrierter Sensorelektronik. Funktionsübersicht HydroSen. HydroSen SET HS-K SET LAMTEC SYSTEM BUS CarboSen Transmitter CT1 LSB-Module Handbedieneinheit Handbedieneinheit Funktionsübersicht HydroSen SET - HydroSen HS-K integriert in Messkammer. 6

7 Basisgerät. CarboSen ST mit integrierter Elektronik. CarboSen FT. CarboSen/HydroSen mit externer Sensorelektronik. 7

8 LAMTEC CarboSen HydroSen Optionale Komponenten. Handbedieneinheit Die Handbedieneinheit beinhaltet die Bedienerführungssoftware zur Konfiguration des Sensorsystems CarboSen/HydroSen und der anderen über LAMTEC- SYSTEM-BUS (LSB) angeschlossenen Komponenten. Sie führt sowohl durch die Erstinbetriebnahme als auch durch die Abschnitte der Konfigurationsmöglichkeiten. So können z.b die Sensorbetriebsparameter verändert und das Sensorsignalverhalten an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Am Display der Handbedieneinheit wird der CO e bzw. H 2 Messwert gemäß der hinterlegten Kennline angezeigt. Die Handbedieneinheit wird über das Anschlusskabel mit dem Sensorsystem CarboSen/HydroSen an der hierfür vorgesehenen 9-poligen Buchse am CT1 verbunden. Zum direkten Anschluss an das Sensor system CarboSen ST liegt das Adapterkabel mit bei. Tafeleinbaurahmen für Handbedieneinheit Der Tafeleinbaurahmen ermöglicht den Einbau der Hand bedieneinheit in ein Blechgehäuse, es erfüllt Schutzart IP54. Er wird zusammen mit dem Übergabemodul ausgeliefert. Übergabemodul Das Übergabemodul mit TS 35 Hutschienenclip ermöglicht die interne Verkabelung der mittels Tafeleinbau rahmen in einem Blechgehäuse integrierten Hand bedieneinheit mit anderen LSB-Modulen. LAMTEC SYSTEM BUS (LSB) Jedes CarboSen/HydroSen System hat eine LAMTEC SYSTEM BUS Schnittstelle welche es ermöglicht unterschiedliche LAMTEC Geräte untereinander zu vernetzen einfach, schnell und ohne viel Verdrahtungsaufwand. Es bietet auch die Möglichkeit Feldbusmodule in Hutschienenmontage über eine einstellbare Adresse anzusteuern, z.b. Digitale und Analoge I/O-Module. Digitales Eingangsmodul Digitales Eingangsmodul (Moduladresse 11) mit 4 galvanisch getrennten digitalen Eingängen 24 VDC. Zum RESET von Grenzwerten, Störung/Wartung bzw. zum Start von Sensortests. Digitales Ausgangsmodul Digitales Ausgangsmodul (Moduladresse 03) mit 4 potentialfreien Relaisausgängen 250 V, 6 A. Für dezentrale Schaltaufgaben, z.b. nach Grenzwertüberschreitung. Digitales Eingangsmodul. Digitales Ausgangsmodul. 8

9 Analoges Spannungs-Ausgangsmodul Analoges Ausgangsmodul (Moduladresse 19) mit 4 nicht potentialfreien Spannungsausgängen 0 10 V. Zur Ausgabe von bis zu 4 unterschiedlichen Systemparametern oder Sensorsignalen. Analoges Strom-Ausgangsmodul Analoges Ausgangsmodul (Moduladresse 19) mit 4 nicht potentialfreien Stromausgängen 0/4 20 ma. Zur Ausgabe von bis zu 4 unterschiedlichen Systemparametern oder Sensorsignalen. Messkammer für HydroSen K In der hutschienenmontierbaren Messkammer wird ein repräsentativer Teilstrom des Messgases definiert am eingebauten HydroSen K vorbeigeführt. Die Messkammer ist in der Variante ohne bzw. mit unterschiedlichen pneumatischen Schlauchanschlüssen erhältlich. Auf Lager verfügbar sind: Schlauchanschluss gerade G1/8 6mm Schlauchanschluss abgewinkelt G1/8 6mm Andere Adapter sind auf Anfrage erhältlich. Analoges Spannungs-Ausgangsmodul. Analoges Strom-Ausgangsmodul. Netzteil Hutschienenmontierbares Netzteil (230V AC 24 VDC/ 1,5 A/30 Watt) zur zuverlässigen Spannungsversorgung des CarboSen/HydroSen Sensorsystems und anderer LSB-Module. HC-Inline-Filter Der In-Line-Filter mit 2 Stück M5 Einschraubgewinden wird stromaufwärts vor der Messkammer in die Schlauch zuführung eingebracht. Er schützt den H 2 -Sensor HydroSen K vor schädlichen Gaskomponenten und reduziert die Querempfindlichkeit. Der Inline-Filter ist in der Variante ohne bzw. mit unterschiedlichen pneumatischen Schlauchanschlüssen erhältlich. Auf Lager verfügbar sind: Schlauchanschluss gerade M5 4mm Schlauchanschluss abgewinkelt M5 4mm Schlauchanschluss gerade M5 6mm Montageadapter CarboSen/HydroSen HT und ST Mit den Montageadaptern werden die Tauchrohre der HT und ST Systeme einfach und zuverlässig in den Prozess eingebracht und fixiert. Auf Lager verfügbar sind: Einschweiss-Adapter Stahl Einschraub-Adapter Edelstahl G1/2 Einschraub-Adapter Stahl M18 x 1,5 Andere Adapter sind auf Anfrage erhältlich. 9

10 LAMTEC CarboSen HydroSen Anschlusskabel A1 CarboSen ST Anschlusskabel 2m mit 4-poligem Rundstecker A1 für 24 V DC-Versorgung und Analogausgang für Sensorsignal (0/4 20 ma). Andere Längen auf Anfrage. Anschlusskabel A2 CarboSen ST Anschlusskabel 2m mit 5-poligem Rundstecker A2 für LSB-Bus und 24 V DC-Versorgung der Handbedieneinheit. Andere Längen auf Anfrage. Verbindungskabel CarboSen/HydroSen Anschlusskabel 2m zwischen Sensorsystem CarboSen/ HydroSen und Handbedieneinheit. Adapterkabel CarboSen ST Adapterkabel 2m zwischen Sensorsystem CarboSen/ HydroSen ST und Handbedieneinheit. 10

11 Notizen. 11

12 LAMTEC CarboSen HydroSen LAMTEC Meß- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG Wiesenstraße 6 D Walldorf Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) info@lamtec.de Druckschrift-Nr. DLT aDE-014 Printed in Germany I Copyright 2019 LAMTEC