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Neuartiger Gassensor: Selbstkalibrierende Technologie – es gibt sie!

Wie die TruCal® Technologie dank besserer Sensorleistung und weniger Wartung die Betriebskosten senkt.

Einleitung

Die US-Arbeitsschutzbehörde OSHA (United States Occupational Safety and Health Administration) definiert Arbeitsschutz als „die Wissenschaft der Vorhersage, Erkennung, Bewertung und Steuerung von Arbeitsplatzbedingungen, die zu Verletzungen oder Erkrankungen Beschäftigter führen können“. Einfacher ausgedrückt ist es die Lehre vom professionellen Arbeitsschutz. Eines der Hauptanliegen der Arbeitsschutz ist die Erkennung und Beherrschung von Gefahrstoffen in der Luft.

Gefährliche Umgebungsluft am Arbeitsplatz kann vielerlei Ursachen haben, Inertgase, entzündliche oder brennbare Gase, hautreizende, ätzende oder giftige Gase und Dämpfe enthalten. Diese Umweltgefahren sind in der Regel für die Sinne des Körpers unsichtbar und stellen nicht nur eine Gefahr für die Sicherheit, das Leben und die Gesundheit der Arbeiter dar, sondern auch für den kontinuierlichen Betrieb einer Anlage.

Zuverlässige Methoden der Überwachung gefährlicher Gase können diese erheblichen Risiken jedoch mindern.

Bei den meisten handelsüblichen Gasmessgeräten lässt sich die Messgenauigkeit nur überprüfen, indem man das Gerät einer bekannten Konzentration von Prüfgas aussetzt. Dies ist mitunter umständlich, zeitaufwendig (insbesondere bei schwer zugänglichen Sensoren) und störend, und es treibt die Wartungskosten in die Höhe.

Wodurch verlieren Sensoren an Genauigkeit?

Fest installierte Gasmessgeräte können verschiedene Sensoren enthalten. Die Umgebungsluft, in der das Gerät verwendet wird, kann die Sensoren stark beeinträchtigen. Jeder Sensortyp verwendet ein etwas anderes Messprinzip. Sensoren können bei bestimmten Umgebungsbedingungen oder chemischen Einwirkungen vergiftet werden oder an Leistung verlieren. Die Art der Umstände, welche die Genauigkeit der Sensoren beeinträchtigen, hängen vom Sensortyp ab und elektrochemische Sensoren werden besonders stark von der Umgebung beeinflusst. Elektrochemische Reaktionen lassen sich leicht hervorrufen aber die Ergebnisse dieser Reaktionen nur schwer beherrschen und wiederholgenau steuern.

Es ist allgemein bekannt, dass Gassensoren eine begrenzte Lebensdauer haben und ihre Empfindlichkeit sich durch unbeabsichtigte Einwirkung einiger Gase, Vibrationen und Stöße verschlechtern kann. Darüber hinaus können auch Staub und Schmutz den Gasfluss zum Sensor beeinträchtigen. Dies ist ein wesentlicher Grund, warum häufige Inspektionen, Funktionsprüfungen, Wartungen und Kalibrierungen durch den Anwender durchgeführt werden müssen.

Elektrochemische Sensoren

Elektrochemische Sensoren erzeugen mithilfe einer elektrochemischen Reaktion einen zur Gaskonzentration proportionalen Strom. Der Sensor besteht aus einer Kammer mit einem der Elektrolyten und Elektroden. Das Messgas tritt durch eine Membran in das Gehäuse ein. An der Arbeitselektrode findet eine Oxidation und an der Gegenelektrode eine Reduktion statt. So entsteht ein Ionenfluss, der einen Strom erzeugt. Der gemessene Strom wird in einen Gasmesswert umgewandelt und angezeigt.

Manche zur Messung giftiger Gase wie Kohlenmonoxid (CO) und Schwefelwasserstoff (H₂S) verwendete elektrochemische Sensoren werden zwar durch die Einwirkung von CO oder H₂S nicht verbraucht, müssen aber dennoch früher oder später ersetzt werden. Der Elektrolyt oder eine oder mehrere Elektroden begrenzen normalerweise die Sensorlebensdauer. Ein Sensor muss in regelmäßigen Abständen neu kalibriert kalibriert / justiert werden. Dadurch wird auch das Ansprechverhalten und die einwandfreie Funktion des Sensors überprüft.

CO- und H₂S-Sensoren können zwar jahrelang ohne nennenswerten Empfindlichkeitsverlust arbeiten, dann aber plötzlich dramatisch an Empfindlichkeit verlieren. Auch die unbeabsichtigte Einwirkung anderer Stoffe kann die Empfindlichkeit verringern. Beispielsweise nehmen viele elektrochemische Sensoren beim Kontakt mit organischen Lösungsmitteln und Alkoholen dauerhaften Schaden. Es ist auch bekannt, dass die Einwirkung von Methanol die Leistung von CO- und H₂S-Sensoren beeinträchtigt.

Was sagen die Vorschriften?

Die wichtigsten internationalen Normen zur Leistung von Messgeräten für brennbare Gase und Sauerstoff1 enthalten eine allgemeine Warnung vor der möglichen Beeinträchtigung der Sensoren durch Luftverunreinigungen wie Stäube, Nässe, ölige Klebesprays und Nebel. Dasselbe gilt bei Sensoren für toxische Gase. Es kann zu Empfindlichkeitsverlusten kommen, und der Gasdiffusionsweg zum Sensoreinlass kann auch vollständig blokieren.

Außerdem kann die Leistung eines Gasmessgeräts durch Farbspritzer oder Übermalen leiden. Als Gegenmaßnahme gelten klare Empfehlungen für die regelmäßige Überprüfung durch einen Sachkundigen, darunter die Kontrolle der Kalibrierintervalle und die Sichtprüfung nicht nur des Transmitters, sondern auch der Gassensor-Eingänge auf Gas Durchlass.

Wie oft müssen Gaswarngeräte kalibriert werden?

Auch hier geben die internationalen Gasmessnormen (ISA / IEC / EN 60079-29-2 – Abschnitt 8.12) vor, dass neben regelmäßigen Kalibrierungen auch Funktionsprüfungen erforderlich sind, die in den Bedienungsanleitungen der Hersteller und in den örtlichen Vorschriften ausführlich beschrieben sind. Es gibt keine einheitliche, anwendungsunabhängige Regel für die Wartungsintervalle, da es stark auf die Einsatzbedingungen ankommt.

Kalibrierungen sind wichtig, aber was passiert zwischendurch?

Die Leistung eines Gasdetektors ist zwischen den Kalibrierintervall nicht bekannt, so dass die Festlegung der Kalibrierungsintervalle für optimale Sicherheit zu einer kritischen Herausforderung wird. Deshalb müssen die Umgebungs- und Standortbedingungen berücksichtigt werden. Davon abhängig können die erforderlichen Kalibrierfristen stark schwanken – von Tagen bis zu Monaten.

Indem das Gerät einem Prüfgas bekannter Konzentration ausgesetzt wird, werden seine Messgenauigkeit und die ordnungsgemäße Funktion seiner Alarme überprüft. Wird die Leistung ortsfester Gasmessgeräte nicht regelmäßig geprüft und dokumentiert, dann kann ein Betrieb nicht nur mit behördlichen Vorladungen und Geldstrafen zu tun bekommen. Falls ein Mitarbeiter bei einem Unfall verletzt wird, droht auch ein erhöhtes Haftungsrisiko.

Die International Safety Equipment Association (ISEA) erstellt auch Richtlinien für die Kalibrierung, Überprüfung und Verwendung persönlicher, tragbarer Gasmessgeräte2. Sie unterscheidet drei Stufen der Kalibrierung oder sonstiger Leistungsprüfungen: vollständige Kalibrierung, Kalibriertest und Kurztest.

Die ISEA bietet jedoch keine ähnlichen Regeln für fest installierte Gaswarnsysteme. Es gibt Richtlinien zur Auswahl und zum Einsatz von Überwachungsgeräten für dauerhafte Anwendungen, aber die Kalibrierhäufigkeit und andere Geräteprüfungen werden im Allgemeinen den Empfehlungen der Gerätehersteller oder den standortspezifischen Vorschriften überlassen. Gängige Herstellerempfehlungen sehen 90- bis 180-tägige Kalibrierintervalle vor, wobei im Allgemeinen keine regelmäßigen Zwischenprüfungen erforderlich sind.

Diese Anforderungen bedeuten eine große Verantwortung für Endanwender von Gaswarngeräten, für das Unternehmen, das sie installiert, und für ihren Hersteller. Für die regelmäßigen und anlassbezogenen Kalibrierungen müssen Kalibriergeräte, Gase und Verbrauchsmaterialien angeschafft und überall verfügbar gehalten und Aufwand für die Protokollierung getrieben werden. An vielen Industriestandorten muss jeder Arbeiter ein persönliches Gasmessgerät mit sich führen, wodurch vielerorts leicht über tausend Geräte zusammenkommen können. Hinzu kommen fest montierte Gasmessgeräte und Bereichsüberwachungsgeräte für dieselben gefährlichen Gase. Hier fallen die ungleichen Kalibrierhäufigkeiten tragbarer und fest installierter Gaswarngeräte ins Auge: Für tragbare Geräte wird mindestens eine tägliche Prüfung gefordert, für fest installierte Geräte hingegen 90- bis 180-tägige vollständige Kalibrierzyklen. Bedenklich stimmt, dass tragbare und fest installierte Geräte im Allgemeinen den gleichen Typ von elektrochemischen Sensoren verwenden.

Kalibriervorgänge

Die Kalibrierung erfolgt in der Regel in zwei Schritten – dem Nullabgleich und der Prüfgaskalibrierung. Im ersten Schritt wird der Nullpunkt des Sensors mit der Umgebungsluft oder mit einem geeigneten Gas aus einer Flasche abgeglichen, das nachweislich kein Zielgas enthält. Der zweite Schritt besteht darin, das Gerät dem Prüfgas auszusetzen, das eine bekannte Konzentration des vom Sensor zu messenden Zielgases enthält. Die Anzeigewerte werden dann so eingestellt, dass sie mit diesen Werten übereinstimmen.

Bei diesen Vorgängen wird nebenbei auch eine oft übersehene, grundsätzliche Funktion des Sensors geprüft, nämlich die mechanische Zufuhr des Prüfgases von der Flasche zum Sensor. Sobald der Sensor das Prüfgas erkennt, wird deutlich: „Der Diffusionsweg zum Sensor ist ausreichend offen und frei, damit der Sensor Gas erkennen kann“.

Dies wird zuerst festgestellt, wenn Gas einem Sensor für einen Kurztest oder eine manuelle Prüfgaskalibrierung zugeführt wird. Sobald das Kalibrier- oder Ersatzgas den Sensor erreicht, setzt die Sensorfunktion ein und übersetzt die chemischen Informationen in für den Benutzer verständliche Angaben wie Konzentrationsanzeigen oder Alarme.

Verlängerung der Kalibrierintervalle

Die XCell® Sensoren von MSA mit TruCal Technologie reduzieren den Arbeitsaufwand erheblich, indem sie automatisch regelmäßige Selbsttests durchführen und den Sensoreinlass auf Undurchlässigkeit überprüfen, die ohne Benutzereingriff oder Prüfgaskalibrierung die weitere Gaserkennung verhindern würden. Diese bahnbrechende Technologie erreicht mehrere Ziele, darunter die Verlängerung der Kalibrierintervalle, die Erübrigung von Kurztests und die Sicherheit, dass der Sensor intakt ist, genau misst und Gas erkennen kann.

Dies wird durch eine interne elektronische Abfrage der Sensorfunktionalität (Impulsprüfung) und ein akustisches System erreicht, das die Flammensperre (eine gesinterte Fritte) auf Blockaden überwacht, welche die Gaszufuhr zum Sensor verhindern würden (Diffusionsüberwachung). Diese beiden Prüfungen werden ohne jeden Benutzereingriff automatisch alle sechs Stunden durchgeführt und je nach Ergebnis wird die Sensorempfindlichkeit angepasst oder der Endbenutzer über die Blockade des Sensoreinlasses informiert.

Impulsprüfung

Die Impulsprüfung nutzt eine von MSA patentierte Technologie, welche einen elektronischen Impuls an den Sensor anlegt, die Reaktionskurve analysiert und daraus die Reaktion auf das Zielgas berechnet (vgl. Abbildung 1). Mit eigens entwickelten Algorithmen kann MSA die Zu- oder Abnahme der Ausgangsempfindlichkeit feststellen und während der Impulsprüfung in Echtzeit in Genauigkeitsanpassungen umsetzen. Die Empfindlichkeit eines Sensors verringert sich in der Regel mit zunehmendem Alter und aufgrund Umgebungseinflüssen wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit.
Die Impulsprüfung berechnet die Änderung der Reaktion im Sensorausgang elektronisch. Ein Stromimpuls wird an den Sensor angelegt, dort wird die Reaktion analysiert und mit der letzten manuellen Prüfgaskalibrierung verglichen wird. So werden Änderungen der Sensorempfindlichkeit überwacht und erforderlichenfalls auf das Maß der letzten Prüfgaskalibrierung korrigiert. Es wird auch überprüft, ob die inneren Sensorbauteile richtig funktionieren. Die Ausgangsempfindlichkeit des Sensors ergibt sich aus quantifizierbaren Merkmalen der internen Sensorkomponenten. Die Empfindlichkeit kann ohne das bei einer traditionellen, manuellen Kalibrierung erforderliche Prüfgas gemessen werden.
Anhand des Ergebnisses wird festgestellt, ob die Sensorempfindlichkeit an den Wert der letzten manuellen Prüfgaskalibrierung angepasst werden muss oder ob wegen einer extremen Empfindlichkeitsänderung eine manuelle Neukalibrierung erforderlich ist. Die automatische Anpassung der Sensorempfindlichkeit wird als Adaptive Environmental Compensation (AEC, Umgebungs-Selbstanpassung) bezeichnet.
Diese Anpassung wird vom anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) von MSA in den MSA XCell Sensoren ermöglicht. Die Impulsprüfung erfolgt viermal täglich, dauert keine Sekunde lang, schaltet das Gerät nicht aus und ist ohne Einfluss auf den Analogausgang des Transmitters.

Diffusionsüberwachung

So beeindruckend die Sensorfunktionen zur Impulsüberprüfung und die Umgebungs-Selbstanpassung (AEC) auch sein mögen, sie nützen dem Endbenutzer wenig, wenn das Zielgas wegen einer mechanischen Blockierung des Sensoreinlasses die innenliegende elektrochemische Zelle nicht erreicht (vgl. Abbildung 2). Praktisch alle für die Arbeitsschutz verwendeten Gasmessgeräte besitzen Schutzmembranen, die den Sensor und die inneren Gerätebauteile schützen. So gut wie alle Gaswarngeräte sind so konstruiert, dass der Sensor und das Gerät selbst vor dem Eindringen von Teilchen, Stäuben, Spritzern und Flüssigkeiten gesichert sind. Instrumente für explosionsgefährdete Bereiche verfügen häufig auch über eine Flammensperre oder eine gesinterte Fritte, die verhindert, dass die innenliegende Elektronik eine Explosion auslöst. Die ordnungsgemäße Funktion des Geräts erfordert, dass das Gas solche Schutzbarrieren leicht und sicher durchströmt. Leistungsdaten wie Ansprechzeit und Messgenauigkeit des Sensors auf das Zielgas sind sinnlos, wenn der Sensoreinlass blockiert ist und das Gas nicht zur elektrochemischen Zelle vordringt.

Leider können die Diffusionsmembranen oder gesinterten Fritten des Geräts im Normalbetrieb durch vielerlei Ursachen teilweise oder vollständig blockiert werden. Dazu gehören Schlamm, Sand, Staub und Schmutz, Farbe oder Klebstoff, Spritzer oder Dampf, Wasser und/oder Eis, Rückstände von Insekten oder anderen Tieren oder andere diffusionshemmende Fremdkörper oder Ereignisse. Die Blockierung des Diffusionswegs in das Gerät und zum Sensor kann teilweise oder vollständig sein. Die „Blockierung“ kann einfach nur die mechanische Unterbrechung des Strömungswegs sein, oder sie kann auf vorhandene reaktive oder absorbierende Ablagerungen auf Membranen oder Fritten zurückzuführen sein. Ein häufiges Beispiel hierfür ist flüssiges Wasser oder überschüssige Feuchtigkeit, die verbreitete toxische Gase wie Schwefelwasserstoff (H₂S), Schwefeldioxid (SO₂) oder Chlor (Cl₂) auflöst. Die Blockierung von Diffusionsmembranen oder anderen Gaseinlässen kann natürlich zu Veränderungen der Messgenauigkeit des Geräts führen und seine Ansprechzeit beeinträchtigen.

Methoden wie die zuvor beschriebenen regelmäßigen Kurztests bieten ein relativ hohes Maß an Sicherheit, dass das Gasmessgerät zumindest zum Zeitpunkt und am Ort ihrer Durchführung ordnungsgemäß funktioniert. Der Kurztest eines Geräts ist jedoch zeitaufwendig und arbeitsintensiv (abhängig von der Anzahl der Sensoren und ihrer Platzierung in einer Anlage), die dafür benötigten Prüfgase sind mit Kosten (Aufwendungen) verbunden. Anwender fest installierter H₂S- und CO-Messgeräte, welche die Vorteile dieser neuen Diffusions-Überwachungstechnik nutzen, können ihre Betriebskosten erheblich senken und bis zu zwei Jahre lang auf jede Wartung verzichten, solange das Messgerät keinen Fehler meldet.

Die Diffusionsüberwachung verwendet eine eigens entwickelte akustisch-mechanische Konstruktion und Algorithmen zur Messung des durch den Sensoreinlass dringenden Schalls. Wenn der Einlass blockiert ist, wird der veränderte Schallpegel erkannt und das Gerät in einen Fehlerzustand versetzt. Sobald das Hindernis entfernt ist, erkennt die Diffusionsüberwachung die Öffnung und kehrt in den Normalbetrieb zurück.
Die Technik zur Diffusionsüberwachung arbeitet mit einem Lautsprecher und einem Mikrofon, die über einen quer durch den Sensoreinlass verlaufenden Schallkanal in Verbindung stehen. Ist der Sensoreinlass frei, dann wandert der Lautsprecherton durch die Flammensperre und das Mikrofon erkennt einen minimalen Ton. Ist der Sensoreinlass blockiert, dann wird der Ton an der blockierten Flammensperre reflektiert und das Mikrofon erkennt ein stärkeres Signal. Die Diffusionsüberwachung ist Teil des TruCal Tests und erfolgt, wie auch die Umgebungs-Selbstanpassung (AEC), alle sechs Stunden.Abbildung 2. Darstellung einer nicht blockierten Sensoröffnung (links) im Vergleich zu einer blockierten (rechts).

Felderprobung

Das Problem beim Ausfall elektrochemischer Zellen ist selten ein unterbrochener Stromkreis. Vielmehr verlieren sie so viel an Empfindlichkeit, dass sie nicht mehr auf Gas ansprechen. Diesen Zustand erkennt man erst bei einer manuellen Prüfgaskalibrierung. Denken Sie an Ihre Autobatterie. Eines Tages steigen Sie in Ihr Auto und es startet nicht. Es hat zwar noch ein bisschen Strom und das Radio läuft, aber das ist ein schwacher Trost, wenn Sie wegmüssen. Wäre es nicht schön, wenn Ihr Auto Sie zwei Wochen im Voraus darauf hinweisen würde, dass Ihre Batterie bald ausfällt? Die Sensorprüfungen der Wettbewerber sind vergleichbar mit der Information, dass Ihre Autobatterie kaputt ist und Ihr Auto nicht mehr startet. TruCal fordert Sie rechtzeitig zum Batteriewechsel auf, bevor Sie liegenbleiben.
Die TruCal Technologie wurde ausgiebig getestet, um sicherzustellen, dass sie unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen funktioniert (siehe Abbildung 3). Die Genauigkeit und die T₉₀-Ansprechzeiten (siehe Abbildung 4) funktionierten auch ohne Kalibrierung und unter ständiger Einwirkung von Wind und Wetter einwandfrei. Diese Sensoren wurden auf dem Dach der MSA Fertigungsanlage in West-Pennsylvania installiert und den Elementen ausgesetzt: Hitze, Kälte, Regen, Schnee, Sonne, Wind, Feuchtigkeit und Trockenheit.
Jeder dieser Sensoren, sechzehn H₂S-Sensoren und vierzehn CO-Sensoren, wurde vor der Installation kalibriert und von Zeit zu Zeit einem Prüfgastest unterzogen, um seine Reaktion zu überprüfen. Seit über drei Jahren wurde an keinem dieser Sensoren eine Kalibrierung durchgeführt. Die Umgebungs-Selbstanpassung (AEC) testet die Sensoren alle sechs Stunden und passt die Sensorreaktion an die jeweiligen umgebungs- und verschleißbedingten Empfindlichkeitsänderungen an.
Auch nach dreijähriger Witterungseinwirkung arbeitet jeder dieser Sensoren immer noch genau und erfüllt sogar die strengen ISA-Leistungsanforderungen an die Erkennung toxischer Gase. Von XCell Sensoren mit TruCal wird zweijähriger Betrieb mit der angegebenen Leistung ohne manuelle Kalibrierung erwartet. Bei Sensoren mit Diffusionsüberwachung erübrigt sich eine funktionale Sicherheitsprüfung bzw. ein Kurztest. Dem liegen über 1200 Tage währende Prüfungen der XCell Sensoren für H₂S und CO zugrunde.
Die folgenden beiden Diagramme zeigen die Reaktion der unkalibrierten H₂S- und CO-Sensoren während des Testzeitraums.
Neben der Messgenauigkeit hat MSA auch die T₉₀-Ansprechzeit der einzelnen Sensoren gemessen. Auch nach drei Jahren ohne Kalibrierung oder Wartung lagen die T₉₀-Zeiten der H₂S-Sensoren weiterhin unter 35 Sekunden und die T₉₀-Zeiten der CO-Sensoren unter 10 Sekunden (vgl. Abbildung 5 unten).

Fazit

Die Selbsttesttechnologie von TruCal korrigiert die Sensorempfindlichkeit beim Auftreten einer Drift und meldet, wenn eine manuelle Prüfgaskalibrierung oder ein Sensortausch erforderlich ist. TruCal führt alle sechs Stunden automatisch einen Test durch und gibt dem Benutzer die Gewissheit, dass das Messgerät korrekt funktioniert und Gas erkennen kann.

Sechs Funktionen von TruCal:

  • Prüft, ob der Sensor ordnungsgemäß funktioniert.
  • Kompensiert Änderungen der Empfindlichkeit aufgrund Alterung und wechselnden Umweltbedingungen.
  • Empfiehlt nötigenfalls eine vollständige manuelle Prüfgaskalibrierung.
  • Erinnert daran, wenn ein Sensor in naher Zukunft ausgetauscht werden muss.
  • Meldet verbleibende Nutzungsdauer und Zustand als „gut“ oder „befriedigend“.
  • Warnt den Endkunden, wenn das Gerät die Umgebung nicht mehr überwachen kann, und löst eine Fehlermeldung aus.

TruCal von MSA setzt neue Maßstäbe für Zuverlässigkeit und senkt gleichzeitig die Betriebskosten. Seit 1914 entwickelt MSA neuartige, bahnbrechende Gasmesstechnik. Unser Ziel ist, den Beschäftigten zuverlässige, hochwertige Produkte, Instrumente und Dienstleistungen zu bieten, damit sie nach getaner Arbeit sicher nach Hause gehen können. Weitere Informationen über TruCal Gassensoren finden Sie unter MSAsafety.com/trucal.

1 ISA / IEC / EN 60079-29-2 (Abschnitt 8.3.3.10) Explosionsfähige Atmosphäre – Teil 29-2: Gasmessgeräte – Auswahl, Installation, Einsatz und Wartung von Geräten für die Messung von brennbaren Gasen und Sauerstoff.

2 ISEA-Erklärung zur Funktionsprüfung von tragbaren Gaswarneinrichtungen mit direkter Ablesung (Statement of Validation of Operation for Direct Reading Portable Gas Monitors) – März 2010

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