Wärmetönungssensoren richtig justieren: Das sollten Sie dabei beachten Katalytische Ex-Sensoren detektieren brennbare Gase präzise und zuverlässig vorausgesetzt, sie wurden für die jeweilige Messaufgabe optimal eingestellt. Bei einer Ersatzgasjustierung müssen neben den geltenden Vorschriften auch verschiedene messtechnische Besonderheiten berücksichtigt werden. 1
Wenn eine Atmosphäre auf explosionsgefährliche Stoffe wie Methan oder Nonan überprüft oder überwacht werden soll, kommen oft Sensoren zum Einsatz, die auf dem Prinzip der Wärmetönung basieren. Der Vorteil dieser sogenannten katalytischen Ex-Sensoren: Sie messen jedes brennbare Gas. Einen genauen Messwert zeigen Ex-Sensoren jedoch nur für das Gas an, auf das sie eingestellt sind. Dabei reagieren Wärmetönungssensoren auf verschiedene Stoffe mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten auf Dämpfe zum Beispiel grundsätzlich schwächer als auf Gase. Ist ein Gasmessgerät mit Wärmetönungssensor auf einen Stoff justiert, auf den der Sensor empfindlich reagiert, wird für einen Stoff, auf den der Sensor unempfindlich 1 reagiert, die Anzeige in % UEG kleiner ausfallen, als die tatsächlich vorhandene Konzentration ist. Umgekehrt gilt: Wird ein Sensor auf ein Gas justiert, auf das er eher unempfindlich reagiert, zeigt das Gerät bei allen anderen Gasen eine höhere Konzentration an, als vorhanden. Ein Beispiel: Als sehr unempfindlich gelten Wärmetönungssensoren gegenüber dem Dampf Nonan. Ist ein Sensor auf Nonan justiert und detektiert er zum Beispiel Methan, wird das Gerät aufgrund der größeren Empfindlichkeit gegenüber Methan einen erhöhten Messwert für diesen Stoff anzeigen. Ein auf Nonan kalibriertes Gerät gibt frühzeitig Alarm für alle wesentlichen brennbaren Gase. Was bedeutet das für die Praxis? Bevor ein Gerät in den Einsatz geht, muss es für die jeweilige Aufgabe konfiguriert werden. Dabei sind verschiedene Fragen zu beantworten: Welche Gase werden im Einsatz erwartet? Wie und mit welchem Gas soll der (tägliche) Anzeigetest durchgeführt werden? Wie und mit welchem Gas soll die Justierung durchgeführt werden? Welche Alarmschwellen sind einzustellen? Wie erfolgt die Dokumentation? Bei vielen Anwendungen muss mit dem Auftreten verschiedener brennbarer Gase und Dämpfe gerechnet werden. Es ist daher ratsam, eine Justierung zu wählen, mit der man auf der sicheren Seite ist. Das kann mit dem Zielgas, das gemessen werden soll, geschehen oder aber mit einem Ersatzgas. Zielgasjustierung oder Ersatzgasjustierung? Für ein vom Zielgas (z. B. Nonan) abweichendes Testgas bei Justierungen und Anzeigetests können verschiedene Gründe sprechen: Leichtere Handhabung des Testgases: Nonan zum Beispiel ist bei Raumtemperatur flüssig und nicht in Prüfgaszylindern erhältlich. Eine Dampfjustierung wäre aufwändig und ohne entsprechende Kenntnisse und Ausstattung ungenau. Potenzielles Auftreten: Ein Testgas wird auch dann verwendet, wenn es neben dem Zielgas als mögliches Messgas im Einsatzspektrum vorkommt. Umfassendere Überprüfung: Das Ersatzgas erlaubt, zusätzliche Funktionalitäten des Gasmessgeräts zu überprüfen. 2
Nonan beispielsweise ist aufgrund seiner Eigenschaften bei Anwendungen, die nach größtmöglicher Sicherheit und somit einer sehr sensiblen Justierung verlangen, das Messgas der Wahl. Bei Raumtemperatur ist Nonan flüssig. Bei einer Zielgaskalibrierung würde man mit dem Dampf arbeiten, der aus flüssigem Nonan entsteht. In der industriellen Praxis ist eine direkte Dampfjustierung jedoch mit der geforderten Genauigkeit schwer durchführbar. Aus diesem Grund wird die Justierung auf Nonan in der Regel mit einem abweichenden Testgas als sogenannte Ersatzgasjustierung durchgeführt. Die Umrechnung der Empfindlichkeit erfolgt entweder manuell anhand der technischen Unterlagen der Hersteller oder automatisch durch das Gasmessgerät. NONAN MESSEN: IST IHR GERÄT GEEIGNET? Sicherheit bietet nur ein messtechnisches Gutachten. Der Nachweis der messtechnischen Eignung für brennbare Gase und Dämpfe wird nach DIN EN 60079-29-1 (VDE 0400-1) Explosionsfähige Atmosphäre Teil 29-1: Gasmessgeräte Anforderungen an das Betriebsverhalten von Geräten für die Messung brennbarer Gase erbracht. Dabei legt jeder Gerätehersteller fest, für welches Gas er die messtechnische Eignungsprüfung durchführen lässt. Ein messtechnisches Gutachten für Nonan bieten nur wenige Hersteller unter anderem Dräger für die Messgeräte der Baureihe Dräger X-am. Richtig justieren bei der Gefahr von Sensorvergiftungen Ein Nachteil des Prinzips der Wärmetönung ist die Vergiftungsneigung der Sensoren: Umwelteinflüsse führen dazu, dass die Empfindlichkeit abnimmt und der Sensor weniger sensibel reagiert. Polymerisierende Substanzen, wie zum Beispiel Styrol oder Acrylnitril, ebenso chlorierte und fluorierte Kohlenwasserstoffe, Silikone, Hydride und schwefelhaltige Verbindungen (z. B. Schwefelwasserstoff 2, Mercaptane) können das katalytische Element von Wärmetönungssensoren vergiften. Oft wird davon ausgegangen, dass der tägliche Begasungstest in all diesen Fällen die Vergiftung aufzeigt das ist jedoch nicht richtig. Bei Wärmetönungssensoren verschlechtert sich bei einer Vergiftung zunächst selektiv die Empfindlichkeit auf Methan; erst später auch jene für andere Gase oder Dämpfe wie etwa Propan oder Nonan. Man spricht daher von selektiver Vergiftung. 3 Im Extremfall kann es vorkommen, dass ein selektiv vergifteter Wärmetönungssensor auf Methankonzentrationen überhaupt nicht mehr reagiert. Die DIN EN 60079-29-2 empfiehlt, für alle Anwendungen mit Wärmetönern, bei denen Methan auftreten könnte, auch die Justierung der Gasmessgeräte und die Funktionstests mit Methan durchzuführen selbst wenn es nicht das eigentlich eingestellte Zielgas ist. Aus einem Ersatzgas-Test mit Methan resultiert bei einem betroffenen CatEx-Sensor: Ein vergiftetes Messgerät würde bei einem Funktionstest durchfallen. Bei der Justierung des Geräts mit Methan zeigt es für alle anderen Stoffe höhere Konzentrationen an, als tatsächlich vorhanden sind, sofern es sich noch justieren lässt. Die höhere Empfindlichkeit sorgt für mehr Sicherheit. In der Praxis bieten sich zwei Methoden an, mögliche Vergiftungseffekte zu kompensieren: 1. Justierung des Wärmetönungssensors auf Methan und Verringerung der Alarmschwellen für den Ex-Sensor. Üblicherweise sind Ex-Sensoren auf die Alarmschwellen 20 % der UEG (Voralarm) und 40 % der UEG (Hauptalarm) eingestellt. Wird das auf Methan justierte Gerät auf die Alarmschwellen 10 % der UEG und 20 % der UEG eingestellt, erfolgt die Alarmierung früher, ohne dass die Empfindlichkeit des Geräts verändert wird. Der Nachteil dieses Vorgehens: Niedrige Dampfkonzentrationen könnten eventuell nicht angezeigt werden, da die Empfindlichkeit des Sensors nicht heraufgesetzt wird und diese durch den Fangbereich des Sensors unterdrückt werden. 2. Ersatzgasjustierung mit manueller oder automatischer Berechnung einer abweichenden Empfindlichkeit. Bei dieser Lösung sollte zusätzlich regelmäßig die Empfindlichkeit auf Methan überprüft werden. 3
Automatische Ersatzgaskalibrierung für mehr Flexibilität und Sicherheit Zum Wärmetönungssensor CatEx 125 PR von Dräger gibt es einen umfangreichen Datensatz, der es ermöglicht, den Sensor mit Methan auf nahezu beliebige andere brennbare Gase oder Dämpfe zu kalibrieren. Dabei wird Methan als Test- und Justiergas festgelegt und ein anderes Gas, z. B. Hexan oder Nonan, als Messgas. Weitere Gase des Datensatzes können ebenfalls als Test- und Justiergas verwendet werden. Sowohl bei manueller Justierung als auch bei Verwendung der automatischen Test- und Kalibrierstation Dräger X-dock nimmt das Gerät selbstständig die notwendige Umrechnung vor und stellt die geforderte Empfindlichkeit ein. Durch die umfangreichen Daten, die im Gerät hinterlegt sind, werden eventuelle Temperatureinflüsse ebenfalls automatisch berücksichtigt. Eine Ersatzgasjustierung ist in der Regel nicht so genau wie eine Zielgasjustierung die Toleranz bewegt sich zwischen +/- 30 %. Da in der Praxis jedoch oft ein Gasgemisch vorliegt, ist für mindestens ein Gas ohnehin eine Ersatzempfindlichkeit notwendig. Ziel ist es also, die notwendige Empfindlichkeit zu erreichen und gleichzeitig selektive Vergiftungen auszuschließen, um eine sichere Warnung zu gewährleisten. Dies wird mit dem vorgestellten Verfahren zuverlässig erreicht, wie Tabelle 1 erreicht: AUTOMATISCHE ERSATZGASJUSTIERUNG MIT METHAN ZIELGASJUSTIERUNG (z. B. auf Nonan) (z. B. auf Pentan und nicht auf Methan) Detektion einer Ja Nein selektiven Methanvergiftung Hohe Empfindlichkeiten gewährleisten Ja Abhängig vom Zielgas Hohe Genauigkeit auf ein (Ziel-)Gas Toleranz einer Ersatzgasjustierung: +/- 30 % Ja Verwendung einer automatischen Ja Ja Teststation möglich Dampf als Messgas Ja, sofern vom Hersteller vorgesehen* Nur mit hohem apparativen Aufwand möglich Dokumentation von Messgas, Abhängig vom Konzept des Herstellers* Abhängig vom Konzept des Her- Justiergas und Anzeigetestgas stellers Einsatz bei Gasgemischen Ja Ja Vergleich einer Methan-Ersatzgasjustierung mit einer Zielgasjustierung * Ja, für Dräger X-am 2500 und X-am 5000 4
Das Mehrgasmessgerät von Dräger kann so konfiguriert werden, dass nur schlicht Ex 4 als Gasbezeichnung anzeigt wird, obwohl ein konkretes Messgas im Hintergrund eingestellt ist. Schließlich ist das Ziel dieser Justierung, alle infrage kommenden brennbaren Gase und Dämpfe zu detektieren. Setzt eine selektive Vergiftung ein, wird die Justierung bzw. der Test entweder fehlschlagen oder das Gerät wird empfindlicher als notwendig justiert also in die sichere Richtung. Daher ist auch nur diese Richtung der Ersatzgasjustierung möglich. Das System verhindert das Einsetzen von Methan als Zielgas, wenn bereits ein anderes Gas für die Justierung oder den Test ausgewählt ist. Durch diesen Lösungsansatz wird eine sichere Anzeige auf Methan gemäß der Normvorgabe erreicht und gleichzeitig die notwendige Empfindlichkeit zur Detektion anderer Gase oder Dämpfe sichergestellt bei vollständiger Dokumentation, da Test-, Justier- und Messgas einzeln abgebildet und mit der wirklich eingestellten Konzentration in den Prüfberichten aufgelistet werden. Mit Hilfe einer Einstellmöglichkeit für Gasmessgeräte, die eine Ersatzgasjustierung für ausgewählte Gase oder Dämpfe ermöglicht und gleichzeitig Methan als Testgas für den Anzeigetest bzw. die Justierung erlaubt, können Anwender den Anforderungen der DIN EN 60079-29-2 gerecht werden. Die automatische Ersatzgasjustierung für die Gerätetypen Dräger X-am 2500 und Dräger X-am 5000 bietet sich als eine einfache und sichere Lösung für die Wärmetönungssensoren der CatEx 125 PR Bauform an. Autoren: Rüdiger Weich Produktmanager Malte Berndt Produktmanager Bettina Runge Produktmanager MESSEN MIT EINEM AUF NONAN JUSTIERTEN GASMESSGERÄT (EX) MESSEN MIT EINEM AUF METHAN JUSTIERTEN GASMESSGERÄT (EX) Anzeige (% UEG) Anzeige (% UEG) 100 90 80 Messgas: Nonan 1 2 3 100 90 80 Messgas: Methan 1 70 60 70 60 2 50 50 40 30 20 10 0 1 Methan 2 Propan 3 Nonan Beispielhafte, vereinfachte Darstellung, in Anlehnung an Bergdoll/Rudolph, BRANDSchutz 12/07, S.866 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Konzentration (% UEG) 40 30 20 10 0 1 Methan 2 Propan 3 Nonan Beispielhafte, vereinfachte Darstellung, in Anlehnung an Bergdoll/Rudolph, BRANDSchutz 12/07, S.866 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Konzentration (% UEG) 3 Wärmetönungssensoren zur Messung brennbarer Gase und Dämpfe haben unterschiedliche Empfindlichkeiten bei der Justierung auf verschiedene Messgase. Beispielhafte Darstellung: Im linken Bild ist ein auf Nonan justiertes Gasmessgerät mit Wärmetönungssensor abgebildet. Die Konzentrationen 100 %UEG von Methan und Propan werden vor dem Erreichen der tatsächlichen unteren Explosionsgrenzen angezeigt. Auf dem rechten Bild ist ein auf Methan justiertes Messgerät gezeigt. Das Gerät ist unempfindlicher gegenüber den Gasen Propan und Nonan. 5
1 Unempfindlich bedeutet, dass der Sensor nur ein geringfügiges Messsignal (z. B. in mv/% UEG) erzeugt. 2 Die Vergiftung mit Schwefelwasserstoff spielt bei modernen Wärmetönungssensoren nur eine untergeordnete Rolle, auch bei der Begasung durch Mischgas mit Schwefelwasserstoff bei Anzeigetest oder Justierung. Beispiel: Sensor Dräger CatEx 125 PR: maximal 2 % Empfindlichkeitsverlust bei Begasung mit 1.000 ppm*h. Weil die Begasung typischerweise kurz (im Sekundenbereich) und mit geringer Konzentration (wenige ppm) durchgeführt wird, hat ein täglicher Test mit Mischgas praktisch kaum Auswirkungen auf die Empfindlichkeit. 3 Für die selektive Methanvergiftung gibt es modellhafte Erklärungen im Zusammenhang mit der Aktivierungsenergie. 4 Ex als Kurzdarstellung für explosionsfähige Gase und Dämpfe QUELLEN/LITERATUR: DIN EN 60079-29-2:2015-12 >Explosionsfähige Atmosphäre Teil 29-2: Gasmessgeräte Auswahl, Installation, Einsatz und Wartung von Geräten für die Messung von brennbaren Gasen und Sauerstoff< DIN EN 60079-29-1:2011-10 >Explosionsfähige Atmosphäre Teil 29-1: Gasmessgeräte Anforderungen an das Betriebsverhalten von Geräten für die Messung brennbarer Gase< Bergdoll, Rudolph: >Welcher UEG-Wert ist der Richtige?< in BRANDSchutz/Deutsche Feuerwehr-Zeitung 12/2007, S. 865 ff. Verlag W. Kohlhammer Entdecken Sie in der Welt der tragbaren Gasmesstechnik neue Lösungen für Ihre täglichen Herausforderungen: www.draeger.com/portable-gas-detection IMPRESSUM DEUTSCHLAND Revalstraße 1 23560 Lübeck www.draeger.com PDF-8136 6