AMS Serie 3100 Sauerstoffanalysatoren für den ppm- und Vol-%- Bereich

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1 Analysen-, Mess- und Systemtechnik GmbH Industriestrasse 9 D Dielheim Tel Fax info@ams-dielheim.com AMS Serie 3100 Sauerstoffanalysatoren für den ppm- und Vol-%- Bereich Die Messung von Sauerstoff sowohl im ppmals auch im Vol-%-Bereich mittels elektrochemischer Sensoren (Micro-Fuel-Cells) wurde in den letzten zwei Jahrzehnten zu einer zuverlässigen Analysenmethode weiterentwickelt. Neben den Standardapplikationen sind heute eine Vielzahl von Analysen sehr komplexer oder auch aggressiver Gase möglich. Für diese Anwendungen muß die geeignete Messzelle im Hinblick auf den Elektrolyten und das Elektrodenmaterial speziell ausgewählt werden. Wie in allen Bereichen der Betriebsanalyse ist es auch bei den Messungen mit dem elektrochemischen Sensor wesentlich, die Einsatzbedingungen des zu messenden Gases zu kennen. Dessen Temperatur, Druck, Zusammensetzung, Staub- und Feuchtegehalt bestimmen den Aufbau des Analysators. Industriebereich Hersteller technischer Gase: Anlagen zur Luftzerlegung: Hersteller technischer Gase, in Anlagen zur Oberflächenbehandlung in der Metallurgie: Hersteller technischer Gase, Spezialfirmen für Schweißen: Chemische Industrie: Brauereien, Lebensmittelindustrie, Chemische Industrie: Hersteller technischer Gase, Chemische Industrie, Metallurgie: Anwendungen Messungen in Stickstoff und in Edelgasen, Messungen in Kohlendioxid oder Wasserstoff Messungen in Stickstoff, in Wasserstoff und in Kohlenmonoxid Messungen in Schutzgasen beim Schweißen von hochlegierten Stählen, Titan u.a. Messungen in Äthylen, in Wasserstoff oder in komplexen Gasgemischen Messungen in Kohlendioxid Messungen in Ammoniak 1

2 Die Geräte der Baureihe AMS 3100 Systemeigenschaften Fünf verschiedene Sauerstoff- Messsysteme zur Anpassung an die spezielle Meßaufgabe und an die örtlichen Verhältnisse Drei Montagearten: Wand- oder Tischgehäuse oder 19 -Einschub, für online- Messungen oder den flexiblen Einsatz Im EEx-Bereich: Tragbares Messgerät für Zone 1 und eigensicherer 2-Leiter-Transmitter Standarddetektor: Langlebige, wartungsfreie Micro-Fuel-Cell in allen Geräten, Garantie: Mindestens 6 Monate Lebensdauer für die Messzelle. Meßbereiche: 4, AMS 3185: 5 Größter Messbereich: Vol-% Kleinster Messbereich: ppm Spezielle Sensoren zur Messung von Sauerstoff in nahezu 100% Wasserstoff oder in sauren Gasen, wie Kohlendioxid, und in Äthylen Angepasste Detektorausführungen bei schwierigen Bedingungen für Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung, Staub oder Feuchte Integrierbare Komponenten (optional): zur geräteinternen Kalibrierung, zum Thermostatisieren der Messzellen, zum Befeuchten des Messgases Integrierte Absperrventile und Durchflussmesser in allen Geräten für sichere Funktion und einfachen Betrieb Integrierbare, zusätzliche Automatisierungskomponenten zur Anpassung an die Prozessbedingungen: Sensor-Bypass, Spülventil, Messgaspumpe, Durchflussüberwachung Automatische und/oder manuelle Kalibrierung Diagnosefunktionen und Alarme Serielle Schnittstelle 2-Kanal-Geräte zur parallelen Messung von Sauerstoff und (z.b.) von Wasserstoff AMS 3110 AMS 3110 ist ein tragbarer, leicht zu handhabender Analysator. Typische Einsatzbereiche sind z.b. die Überprüfung von Schutzgasen, aber auch von brennbaren Gasen. Als Spannungsquellen stehen drei Varianten zur Verfügung: 230 VAC, 230 VAC und Batterie, oder nur Batteriebetrieb. Für Messungen in explosionsgefährdeten Räumen ist eine eigensichere Ausführung mit einer Blei-Batterie als Stromquelle lieferbar. Zusätzliche Baugruppen: Sensor-Bypass und Spülventil. Für die Nicht-EEx-Version sind verfügbar: die elektronische Überwachung des Durchflusses und eine Messgaspumpe. 2 2

3 AMS 3120 Der Analysator AMS 3120 ist geeignet für schnelle und präzise Sauerstoffmessungen sowohl im Spuren- als auch im Vol-%-Bereich. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Überwachung größerer Konzentrationsbereiche, wie sie z.b. bei der Oberflächenbehandlung und in der Schweisstechnik auftreten. Auch für Sauerstoffmessungen in Anlagen, wo höchste Gasreinheit gefordert ist, genügt dieses System aufgrund seiner speziellen Bauweise den Anforderungen. Hierzu verfügt der AMS 3120 über zwei miteinander verbundene Sensoren: einen für den Spurenbereich und einen weiteren für Vol-%- Messungen. Je nach Konzentrationsbereich ist die entsprechende Messzelle aktiviert. Für Messungen im Vol-%-Bereich, aber auch bei kurzzeitigen Lufteinbrüchen, wird die ppm-messzelle vor den Einflüssen hoher Sauerstoffkonzentrationen geschützt; Messungen unterhalb von 25 ppm Sauerstoff sind sofort wieder möglich, es gibt keine langen Spülzeiten. Der AMS 3120 ist in zwei Ausführungen lieferbar, als Tischgehäuse für den mobilen Einsatz oder als 19 -Rack für den stationären Betrieb. Ein Mikroprozessor steuert die Messelektronik und die Anzeige auf dem Display, die Bedienung für Kalibrierung und Wartung erfolgt menügeführt. Integrierbare Automatisierungskomponenten (vergl. Technische Daten/Optionen) für Ventile, Pumpen und Fernüberwachung ermöglichen die automatische Sauerstoffüberwachung im Prozeßssgas von der Leitwarte aus. Für den Betreiber von besonderem Vorteil ist die Option für die geräteinterne Kalibrierung der Meaazelle. Die Überprüfung mit externen Testgasen braucht dann nur noch in größeren Zeitabständen ausgeführt zu werden. Für kleinste Messbereiche (1 ppm) kann das Messgerät mit einem Thermostaten für den Sensor ausgerüstet werden. Temperatureinflüsse auf die Messung im Spurenbereich werden mit dieser Option weitestgehend ausgeschlossen. Eine Besonderheit dieses Analysators, aber auch der AMS 3160 und AMS 3185, ist die Option des externen Detektors. Innerhalb der gegebenen Druck- und Temperaturgrenzen ist dann die Sauerstoffmessung direkt in der Prozessleitung oder in einem Bypass möglich. AMS 3160 Die Einsatzgebiete des AMS 3160 sind sehr vielfältig. Luftzerlegungs- und Gasreinigungsanlagen, aber auch Ofenatmosphären sind typische Anwendungsbereiche. Für die gleichzeitige Messung von Sauerstoff und Wasserstoff wird ein Zwei-Kanal-Messsystem angeboten (s. Abbildung). Vier Gehäusevarianten stehen zur Verfügung: Tisch- und tragbares Gehäuse, ½ Einschub (je nach eingebauten Optionen) und ein Wandgehäuse. Integrierbare Optionen: Spülventil und Messgaspumpe, ein Bypassventil und die elektronische Überwachung des Messgasdurchflusses. Auch für dieses Systems ist die Option des externen Detektors lieferbar, so daß Messungen bei schwierigen örtlichen Gegebenheiten ausgeführt werden können. 3 3

4 AMS 3175 Der Analysator AMS 3175 dient zur Messung brennbarer und nichtbrennbarer Gase in explosionsgefährdeten Bereichen, z.b. in der chemischen Industrie. Das System ist zertifiziert als 2-Leiter-Transmitter für die Zone 1. Der Transmitter ist, wenn er über ein Speisegerät mit eigensicherem Stromkreis gespeist wird, eigensicher gemäß ATEX II 2 G, Schutzart EEx ia IIC T6. Die Elektronik und die Gasanalytik sind in zwei voneinander gasdicht getrennten Wandgehäusen aus Aluminiumdruckguss untergebracht. Für das Wandgehäuse liegt eine eigene EEx-Zulassung (EEx e II) vor. AMS 3185 Der AMS 3185 ist ein Gerät, das sehr empfindliche Sauerstoffmessungen ermöglicht. Der kleinste Messbereich ist ppm (mit Thermostatierung des Sensors). Es können Konzentrationsänderungen von < Sauerstoff bei einer Auflösung von nachgewiesen werden. Der AMS 3185 ist sehr vielseitig einsetzbar: mobil im Tisch- oder tragbaren Gehäuse, stationär im 19 -Rack bzw. im Wandgehäuse. AMS 3185 ist das System für die automatische Prozesskontrolle. Ein Mikroprozessor steuert die Messelektronik und die Anzeige auf dem Display, die Bedienung für Kalibrierung und Wartung erfolgt menügeführt. Integrierbare Automatisierungskomponenten (vergl. Technische Daten/Optionen) für Ventile, Pumpen und Fernüberwachung ermöglichen die automatische Sauerstoffüberwachung im Prozessgas von der Leitwarte aus. Für den Betreiber von besonderem Vorteil ist die Option für die geräteinterne Kalibrierung der Messzelle. Die Überprüfung mit externen Testgasen braucht dann nur noch in größeren Zeitabständen ausgeführt zu werden. Für kleinste Messbereiche (1 ppm) kann das Messgerät mit einem Thermostaten für den Sensor ausgerüstet werden. Temperatureinflüsse auf die Messung im Spurenbereich werden mit dieser Option weitestgehend ausgeschlossen. Für den AMS 3185 gibt es ebenfalls die Option des externen Detektors, so daß auch hier Messungen bei schwierigen örtlichen Gegebenheiten ausgeführt werden können. 4 4

5 Der elektrochemische Detektor Micro-Fuel-Sensoren zur Sauerstoffanalyse bestehen im Wesentlichen aus fünf Komponenten: Sauerstoffsensitive Kathode Anode Elektrolyt Diffusionsmembran Gehäuse mit elektrischen Anschlüssen Das sauerstoffbeladene Messgas diffundiert durch die Membrane hindurch in eine dünne Elektrolytschicht. An der sauerstoffsensitiven Kathode erfolgt die Reduktion des Sauerstoffs und gleichzeitig die Oxidation der Anode (z.b. Blei): Kathodenreaktion: + 2 H 2 O + 4e _ 4 OH _ Anodenreaktion: 2 Pb + 4 OH _ 2 PbO + 2 H 2 O + 4e _ Redoxreaktion: + 2 Pb 2 PbO Der Elektronenstrom von der Anode zur Messkammer Kathode ist direkt proportional der Konzentration des Sauerstoffs im Messgas. Der Elektrolyt, der je nach Applikation sauer oder basisch sein kann, dient als Ionenleiter für die entstandenen OH - - Gruppen. Begrenzt wird die Menge des an die Kathode gelangenden Sauerstoffs durch die Diffusionsmembran. Diese besteht i.a. aus einer Kunststoff-Membran, die über die sauerstoffempfindliche Kathode gespannt wird. Messkammeraufbau Die Zelle ist einschließlich der Meßsskammer als Monoblock vergossen, um eine hohe Gasdichtheit nach außen zu erreichen. Darüber hinaus ist das Messsystem einfach austauschbar, das Erneuern des Elektrolyten entfällt. Die Messkammer ist nur wenige mm³ groß, sie gewährleistet eine schnelle Ansprechzeit und kurze Spülzeiten. Sie ist direkt mit der Messzelle verbunden, so daß nur die Diffusionsstrecke bzw. die Membran mit dem Messgas in Berührung kommt. Probenahme Schwankungen des Messgasflusses beeinträchtigen die Messung nicht, die einfachste Art eines Probenahmesystems ist ausreichend. Empfindlichkeit Sie wird bestimmt durch die Dicke und das Material der Diffusionsmembran, durch das Material und die Größe der Oberfläche der Kathode sowie durch den eingesetzten Elektrolyten. Temperatureinfluss Die Diffusion und die elektrochemische Reaktion sind temperaturabhängig. Für alle Spezifikationen gilt daher die Referenztemperatur von 25 C; die AMS-Sensoren werden hierfür serienmäßig mit einer NTC Schaltung Membrane (Diffusionsbarriere) Dünne Elektrolytschicht Poröse Kathode mit Katalysator Elektrolyt Anode Elektrochemischer Detektor (micro-fuel-cell) temperaturkompensiert. Für Anwendungen über 100 ppm spielen die dann verbleibenden Effekte sicher keine Rolle; für kleinste Messbereiche kann das Messgerät mit einem thermostatierten Sensor ausgerüstet werden. Druckabhängigkeit Die Menge Gas, die in einen Sensor hinein diffundiert, ist direkt proportional dem Druck des Gases. Daher wird sich auch bei völlig konstanter Sauerstoffkonzentration das Messsignal mit dem Druck verändern. Eine Gegenmaßnahme ist, das Messgas gegen den Umgebungsluftdruck abströmen zu lassen, wobei gleichzeitig der Sensor vor Druckstößen geschützt wird. Für hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit kann die Schwankung des Umgebungsluftdruckes gemessen und eine entsprechende Korrektur der Messwerte durchgeführt werden (Barokorrektur). In speziellen Fällen ist es sinnvoll, den Messgasdruck mit weiterem technischen Aufwand sogar innerhalb weniger Millibar konstant zu halten. Grundsätzlich ist darauf zu achten, daß die Kalibriergase unter dem gleichen Druck wie das Messgas auf den Sensor gegeben werden. Trägergaseinfluss Die Diffusion eines Gases durch die Membran hängt auch ab von seinem Molekulargewicht (und bei komplexen Verbindungen auch von der Molekülgröße). Bei konstanter Konzentration an Sauerstoff wird das Messsignal daher auch noch von der Zusammensetzung des Messgases abhängen. In ähnlicher Weise ist auch eine Änderung der Ansprechzeit des Sensors zu beobachten. Alle Daten für Empfindlichkeit, Ansprechzeit etc. werden daher mit Stickstoff als Referenzträgergas angegeben. Kalibration Die Kalibration erfolgt mit Hilfe von Prüfgasen, bei höheren Messbereichen genügt ein Kalibrierpunkt. Die Kalibrierung mit Umgebungsluft sollte vermieden werden, da dies die Lebensdauer der Messzelle erheblich reduziert und eine stabile Messung im Bereich von 10 ppm erst nach geraumer Zeit wieder möglich wird. Lebensdauer Die Messfühler haben eine Lebensdauer von mindestens 6 Monaten, bei kontinuierlicher Messung in Luft (20,9% ) etwa 9 Monate. Die zu erwartende Lebensdauer verlängert sich beträchtlich (3 Jahre und mehr), wenn das Gerät nicht ununterbrochen betrieben wird bzw. nur in niedrigen Konzentrationsbereichen Anwendung findet. Die Lebensdauer der Meßzelle wird durch kontinuierliches Bespülen mit extrem trockenen Gasen sehr beeinträchtigt. Wenn möglich, sollte das Meßgas auf einer Feuchte von % r.f. gehalten werden. Messgas Zum Verstärker 5 5

6 6 PAT 31XX Betriebsart Tragbares Gerät netzunabhängig mit wiederaufladbarer Batterie auch als EEx-Version lieferbar Für mobilen und stationären Betrieb Zwei Messzellen: eine für den ppm-bereich eine für den Vol-%-Bereich Für mobilen und stationären Betrieb Eigensicherer 2-Leiter- Transmitter zur Messung auch brennbarer Gase in EEX-Bereichen für Zone 1 Vielseitig einsetzbares Gerät für stationären oder mobilen Einsatz Mikroprozessor gesteuerte Elektronik mit Display und Bedienerführung Messbereiche kleinster/größter ppm ppm ppm Vol-% ppm ppm ppm ppm ppm ppm Reproduzierbarkeit Messgrenze -Konzentration -Konzentration: im ppm-bereich, um> 0,01 Vol-% im Vol-%-Bereich -Konzentration -Konzentration -Konzentration Auflösung T 90 -Zeit 40 s 40 s 40 s 40 s 40 s Anzeige 4 1 /2 stellige Digitalanzeige 2*20 stellige alphanumerische LCD-Anzeige 3 1 /2 stellige Digitalanzeige 4 1 /2 stellige Digitalanzeige 2*20 stellige alphanumerische LCD-Anzeige Signalausgang 0-1 V je Messbereich Option: 0/4-20 ma, nur bei Netzbetrieb (230 VAC) und nicht für Ex-Version 2 Ausgänge, 0/ ma, für ppm (mit Messbereichskennung) und für Vol- %- (fest Vol-% ) 0/ ma ma über eigensicheres Speisgerät 0/ ma mit Messbereichskennung Alarme 6

7 7 PAT 31XX Serielle Schnittstelle RS 232 (Option) RS 232 (Option) Probendurchfluss Nl/h Nl/h Nl/h Nl/h Nl/h Probendruck/ Geräteeingang min. 1,01 bar abs. max. 2 bar abs. min. 1,1 bar abs. max. 10 bar abs. min. 1,01 bar abs. max. 2 bar abs. min. 1,01 bar abs. max. 2 bar abs. min. 1,01 bar abs. max. 2 bar abs. Probendruck/ Messzelle max. 200 mbar Überdruck max. 200 mbar Überdruck max. 200 mbar Überdruck max. 200 mbar Überdruck max. 200 mbar Überdruck Probentemperatur C C C C C Probennahme sowie ein Durchflussmesser integrierter Druckregler zwei Durchflussmesser sowie ein Durchflussmesser sowie ein Durchflussmesser sowie ein Durchflussmesser Gasanschlüsse/ Klemmringverschraubung Eingang: 3 mm Ausgang: 6 mm Eingang: 6 mm Ausgang: Vol-%-Messzelle: 6 mm ppm-messzelle: 1/8" Eingang: 3 mm Ausgang: 6 mm Eingang: 3 mm Ausgang: 6 mm Eingang: 3 mm Ausgang: 6 mm Umgebungstemperatur -5 C bis +45 C -5 C bis +45 C -5 C bis +45 C -5 C bis +45 C -5 C bis +45 C Relative Feuchte 0-99 %, nicht betauend 0-99 %, nicht betauend 0-99 %, nicht betauend 0-99 %, nicht betauend 0-99 %, nicht betauend Spannungsversorgung 230 VAC, Hz und/oder Blei-Batterie, wiederaufladbar, Standzeit ca. 8 Stunden, mit Messgaspumpe ca. 3 Stunden 115/230 VAC Hz 24/115/230 VAC Hz 24 VDC 24 VDC eigensicher 24/115/230 VAC Hz 7

8 8 AMS GmbH 7.12/2007 Technische Änderungen vorbehalten Texte, Zeichnungen und Layout: Analytic Journal PAT 31XX Ex-Schutz Gehäuse/ Schutzart Abmessungen B x H x T in mm Gewicht Gerätevarianten Zusätzliche Baugruppen (Optionen) ATEX 2 G EE x ib IIC T5 Tragbares Gerät Gehäuse aus Stahlblech mit Tragegriff IP 40 (190) x 150 x 260 Die Breite des Gehäuses hängt von den eingebauten Optionen ab 3-5 kg je nach eingebauten Optionen Manuelles Spülventil Manuelles Bypass-Ventil Nur für die Nicht-EEx- Ausführung: Elektronische Überwachung des Durchflusses Messgaspumpe Messsignalausgang 0/4-20 ma Tischgehäuse/IP40 19"-Einschub/IP20 Grundgerät: 19" - 1 /2 19"-Einschub 3 HE/IP20 Optional: Tischgehäuse/IP40 Tragbares Gerät/IP40 Wandgehäuse/IP x 177 x 386 Einschub 19" - 1 /2 19", je nach eingebauten Optionen Tischgerät: 350 x 150 x 350 Tragbares Gerät, m.bügel: 400 x 150 x 500 Wandgehäuse: 225 x kg je nach eingebauten Optionen Externe Messzelle Thermostatierter Sensor Automatisches Spülventil Automatisches Bypass- Ventil Elektronische Überwachung des Durchflusses Messgaspumpe Geräteinterne Kalibrierung Automatische Kalibrierung Schnittstelle RS 232 C Diagnosesystem zur Systemüberwachung 3-5 kg je nach eingebauten Optionen Externe Messzelle Manuelles Spülventil Manuelles Bypass-Ventil Elektronische Überwachung des Durchflusses Messgaspumpe ATEX 2 G EEx ia IICT6 Wandaufbau: zwei getrennte Aluminium- Druckgussgehäuse für Elektronik und Gasanalytik IP65 Tischgehäuse/IP40 Tragbares Gerät/IP40 19" - 1 /2 19"-Einschub, 3 HE/IP20 Wandgehäuse/IP x 446 x 180 Tischgehäuse: 449 x 133 x 386 Tragbares Gerät, m.bügel: 500 x 150 x 400 Einschub: 19" - 1 /219", je nach eingebauten Optionen Wandgehäuse: 600 x 250 x kg 5-7 kg je nach eingebauten Optionen Eigensicherer Speisetrenner ist erforderlich Externe Messzelle Thermostatierter Sensor Automatisches Spülventil Automatisches Bypass- Ventil Elektronische Überwachung des Durchflusses Messgaspumpe Geräteinterne Kalibrierung Automatische Kalibrierung Schnittstelle RS 232 C Diagnosesystem zur Systemüberwachung 8