Gasdetektion

Gasdetektion

Gaswarngeräte sind in allen Lebensbereichen zu finden, von Lebensmittelverarbeitungsbetrieben bis hin zu Parkhäusern, von Flugzeugen bis hin zu Kasinos. Überall dort, wo ein potenzieller Sauerstoffmangel oder das Vorhandensein giftiger Gase bestehen könnte, muss ein Gaswarngerät vorhanden sein, um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten. Zu den gängigen Anwendungsbereichen bei Feldprojekten zählen: das Betreten beengter Räume, Brunnenbohrungen, Bodenuntersuchungen, Flächenüberwachung, Arbeitssicherheit, Raumluftqualität und Lecksuche.

Natürlich gibt es sie schon seit sehr langer Zeit, angefangen mit dem Kanarienvogel, der leider nur einmalig einsetzbar war, da er bei Kontakt mit Methan ziemlich schnell starb und außer einem leisen Zwitschern und völliger Bewegungslosigkeit keine audiovisuellen Alarmfunktionen bot. Glücklicherweise hat sich die Technologie erheblich weiterentwickelt, und wir verfügen heute über einige sehr ausgefeilte elektronische Geräte.

Lassen Sie uns zunächst einige Grundlagen klären:

• Ein ppm entspricht einem Teil pro 1.000.000 Teile. Im Allgemeinen ist ppm (parts per million) die kleinste Maßeinheit: 10.000 ppm entsprechen 1% nach Volumen.
• LEL (untere Explosionsgrenze) ist die nächste Maßeinheit und wird als Prozentsatz des Explosionsgrenzwerts %(vol) einer Verbindung angegeben.
• 100% LEL ist die niedrigste Konzentration, bei der ein brennbarer Stoff bei Entzündung einen Brand oder eine Explosion auslösen kann
• Die UEL (obere Explosionsgrenze) ist die maximale Gaskonzentration in der Luft, bei der eine Verbrennung stattfindet.
• Jede Verbindung (jedes Gas) hat eine andere UEG, d. h. den Punkt, an dem die Verbindung zu brennen beginnt oder explosiv wird.
• Die meisten brennbaren Verbindungen werden bei einem Volumenanteil von weniger als 5% explosiv
• Jedes Gas hat eine andere Untergrenze (LEL) und Obergrenze (UEL)
• Der Gasanteil ist die höchste Maßeinheit, die die Menge an reinem Gas angibt.

Wie funktionieren Gasdetektionssensoren?

Die moderne Technologie wird die nachstehende Erklärung im Zuge ihres rasanten Fortschritts zweifellos überholen – daher hier kurz die Grundlagen.

Die Lambdasonde ist ein elektromechanischer Sensor. Jedes Gas, das elektromechanisch oxidiert oder reduziert werden kann, lässt sich mithilfe eines auf Kraftstoff basierenden elektrochemischen Sensors erfassen. Der Sauerstoffverbrauch erzeugt einen Strom, der linear proportional zur Gaskonzentration in der Luft ist.

Da der Sauerstoffsensor ständig Sauerstoff ausgesetzt ist, beträgt seine normale Lebensdauer zwischen einem und zwei Jahren.

Der Brennstoffsensor besteht aus zwei Spulen aus feinem Platindraht, die jeweils in eine Aluminiumoxidperle eingebettet und elektrisch in einer Brückenschaltung verbunden sind. Eine der Perlen ist mit einem speziellen Katalysator imprägniert, der die Oxidation fördert, während die andere so behandelt ist, dass sie die Oxidation hemmt. Durch die Spulen wird Strom geleitet, sodass sie eine Temperatur erreichen, bei der an der katalysierten Perle die Oxidation eines Gases leicht stattfindet (etwa 500 °C).

Dadurch steigt die Temperatur weiter an, was den Widerstand der Platinspule in der katalysierten Perle erhöht und zu einem Ungleichgewicht der Brücke führt. Diese Ausgangsänderung verläuft bei den meisten Gasen linear bis zu und über 100% UEG hinaus, und die Ansprechzeit beträgt nur wenige Sekunden, um Alarmwerte (typischerweise 20% UEG) zu erkennen.

Die Schadstoffsensoren sind ebenfalls elektromechanischer Art und funktionieren nach denselben Grundprinzipien wie der Sauerstoffsensor. Elektromechanische Sensoren verbrauchen winzige Mengen an Gas, wobei die Gasaufnahme und die elektrische Ausgangsleistung durch eine “Diffusionsbarriere” gesteuert werden.

Beengte Räume und Gasdetektion

Ein beengter Raum ist jeder Raum, der groß genug ist, damit eine Person ihn betreten und dort die ihr zugewiesenen Arbeiten ausführen kann, der jedoch nur über begrenzte Ein- und Ausgänge verfügt und nicht für den dauerhaften Aufenthalt von Personen ausgelegt ist. Dies betrifft nahezu alle Branchen, darunter die Versorgungswirtschaft, das Bauwesen, die Exploration und Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen, die Petrochemie, die Schifffahrt, die Landwirtschaft, die Lebensmittelverarbeitung und das Brauwesen sowie die Rettungsdienste.

Arbeitgeber müssen die Risiken bewerten, die diese Arbeitsplätze für ihre Beschäftigten darstellen, und sich bemühen, diese zu vermeiden. In den meisten Fällen erfordern sowohl die Risikobewertung als auch die Einrichtung eines sicheren Arbeitssystems eine Überprüfung der Atmosphäre mit Gasmessgeräten.

Gasrisiken in beengten Räumen lassen sich in drei große Kategorien einteilen: brennbare Gase, giftige Gase sowie Sauerstoffmangel oder Sauerstoffanreicherung.

Gefahren durch brennbare Gase

Damit eine Verbrennung stattfinden kann, muss die Luft eine Mindestkonzentration an brennbarem Gas oder Dampf enthalten. Diese Menge wird als UEG bezeichnet. Da verschiedene Verbindungen unterschiedliche UEG-Werte aufweisen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Detektoren in der Lage sind, die entsprechenden Konzentrationen zu erkennen.

In der Regel stellen Lagerbehälter, in denen früher Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe und Öle gelagert wurden, eine Gefahr dar. Weitere Gefahren gehen von Kraftstofflecks aus: geplatzte Kraftstoffbehälter, Rohrleitungen auf dem Gelände und außerhalb, Gasflaschen sowie motorbetriebene Anlagen. Für Arbeiter in Gruben, Abwasserkanälen und anderen unterirdischen Bereichen stellt Methan, das durch die Zersetzung organischer Stoffe entsteht, eine nahezu allgegenwärtige Gefahr dar.

Giftige Gase und Dämpfe

Arbeitnehmer, die in beengten Räumen arbeiten, können je nach Art der Tätigkeit vielen giftigen Verbindungen ausgesetzt sein. Es sollte eine Risikobewertung durchgeführt werden, um festzustellen, welchen giftigen Stoffen ein Arbeitnehmer in einer bestimmten Arbeitssituation ausgesetzt sein könnte.

Betrachtet man giftige Gase im Zusammenhang mit bestimmten Anwendungsbereichen, so werden beispielsweise in der Wasserwirtschaft zahlreiche giftige Verbindungen zur Reinigung und Aufbereitung von Abwasser und Trinkwasser eingesetzt. Gefahrenstoffe wie Chlor, Ozon, Schwefeldioxid und Chlordioxid bergen daher sowohl in Lager- als auch in Aufbereitungsbereichen zusätzliche Risiken.

Sauerstoff – zu hoch oder zu niedrig?

Die normale Sauerstoffkonzentration in der Frischluft beträgt 20,91 TP3T. Eine Atmosphäre gilt als gefährlich, wenn die Konzentration unter 19,51 TP3T fällt oder 23,51 TP3T übersteigt.

Ohne ausreichende Belüftung führt schon das einfache Atmen dazu, dass der Sauerstoffgehalt überraschend schnell sinkt. Auch bei der Verbrennung wird Sauerstoff verbraucht, sodass motorbetriebene Anlagen und offene Flammen wie Schweißbrenner potenzielle Gefahren darstellen. Sauerstoff kann zudem verdrängt werden. Stickstoff beispielsweise verdrängt bei der Spülung von Kohlenwasserstoff-Lagertanks vor deren Wiederverwendung den Sauerstoff aus dem Behälter und macht diesen so lange äußerst gefährlich, bis er gründlich belüftet wurde.

Auch ein hoher Sauerstoffgehalt ist gefährlich. Genau wie bei einem zu geringen Gehalt beeinträchtigt auch ein zu hoher Gehalt die Fähigkeit des Betroffenen, klar zu denken und vernünftig zu handeln. Darüber hinaus stellen sauerstoffangereicherte Atmosphären eine erhebliche Brandgefahr dar.

Arten von Gasdetektoren

Sowohl tragbare als auch fest installierte Gaswarngeräte können zur Überwachung von beengten Räumen eingesetzt werden. Fest installierte Systeme bestehen in der Regel aus einem oder mehreren Detektorköpfen, die an eine separate Steuerzentrale angeschlossen sind. Wenn ein Detektor eine gefährliche Gaskonzentration misst, löst die Zentrale Alarm aus, indem sie externe Sirenen und Warnleuchten aktiviert. Diese Art der Installation eignet sich für größere Räume wie Technikräume, die ausreichend Platz für die Hardware bieten, oder für Fernstationen, die in der Regel unbemannt sind.

Viele Arbeiten in beengten Räumen finden jedoch in noch engeren Bereichen statt, sodass kompakte, tragbare Geräte besser geeignet sind. Dank der einfachen Bedienung per Knopfdruck ist nur ein minimaler Schulungsaufwand erforderlich, während gleichzeitig eine erhöhte Sicherheit gewährleistet ist. Durch die Kombination eines oder mehrerer Sensoren mit lauten akustischen und optischen Signalen, die bei Erreichen voreingestellter Gaskonzentrationen Alarm auslösen, können tragbare Detektoren überall dort mitgeführt oder getragen werden, wo sie benötigt werden. Zudem lässt sich ein kompaktes Gerät problemlos in engen Räumen transportieren, wodurch sichergestellt wird, dass Bereiche mit hoher Gaskonzentration nicht übersehen werden.

Bestimmte Merkmale sollten bei jedem tragbaren Gasdetektor selbstverständlich sein. Lebensrettende Geräte für anspruchsvolle Umgebungen müssen natürlich so robust wie möglich sein und über zuverlässige Elektronik in stoßfesten Gehäusen verfügen. Da die Gassensoren der Atmosphäre ausgesetzt sein müssen, kann zwar kein Gerät vollständig abgedichtet sein, doch ist ein hoher Schutzgrad gegen das Eindringen von Staub und Wasser unerlässlich. Ungeachtet seiner Robustheit ist ein gut konzipiertes Messgerät zudem leicht und kompakt genug, um es während einer gesamten Schicht zu tragen.

Schließlich sollten die Geräte aufgrund der Schwierigkeiten, die die Arbeit auf engstem Raum – möglicherweise bei schlechten Lichtverhältnissen – mit sich bringt, einfach zu bedienen sein. Ganz gleich, wie fortschrittlich die interne Architektur eines Detektors oder seine Datenverwaltungsoptionen auch sein mögen: Das Personal vor Ort sollte mit nichts Schwierigerem konfrontiert werden als einem übersichtlichen Display, einer einfachen Ein-Knopf-Bedienung und lauten bzw. hellen Alarmsignalen.

Sensoren für brennbare Gase

Wie im Folgenden näher erläutert wird, gibt es Sensoren für brennbare Gase in Form von katalytischen Sensoren, Metalloxid-Halbleitersensoren und Infrarotsensoren.

Katalytische Sensoren für brennbare Gase

Katalytische Sensoren für brennbare Gase erkennen brennbare Gase, indem sie eine Verbrennung der Gase innerhalb der Sensorkammer auslösen.

Katalytische Sensoren bieten nicht nur eine gute Linearität, sondern reagieren auch auf die meisten brennbaren Gase. Da die Widerstandsänderung bei 1 TP3TLEL jedoch relativ gering ist, funktionieren sie am besten in Konzentrationsbereichen zwischen 1.000 und 50.000 ppm.

Was ihre Nachteile angeht:

• Sie messen keine Spurenmengen (unter 200 ppm) an Gas und sollten daher nicht zur Bestimmung toxischer Konzentrationen verwendet werden.
• Für einen einwandfreien Betrieb benötigen sie einen Sauerstoffgehalt von mindestens 14% in der Luft.
• Nicht für den Einsatz in Acetylenatmosphären empfohlen
• Der Sensor kann durch Blei, Silikon oder andere katalytische Gifte beschädigt werden
• Die Messwerte können durch Wasserdampfkondensation und Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden
• Geringe Reaktion auf Kohlenwasserstoffe mit niedriger Energie, z. B. Öldämpfe, Kerosin, Dieselkraftstoff und handelsübliche Düsentreibstoffe
• Oft verlieren sie nach etwa einem Jahr ihre Linearität.

MOS-Sensor (Metalloxid-Halbleiter) für brennbare Gase

MOS-Sensoren (Metallic Oxide Semiconductor) für brennbare Gase, auch als Festkörpersensoren bekannt, gibt es bereits seit Jahren. Mit einer langen Lebensdauer von drei bis fünf Jahren handelt es sich um einen sehr widerstandsfähigen Sensor, der sich gut von hohen Gaskonzentrationen erholt, die andere Sensortypen beschädigen könnten.

Wie bei katalytischen Sensoren können auch die Messwerte von MOS-Sensoren durch Feuchtigkeit und Wasserdampfkondensation beeinflusst werden. Zudem benötigen sie zwar nicht so viel Sauerstoff wie ihre katalytischen Pendants, aber auch sie benötigen Sauerstoff, um präzise zu arbeiten.

Neben den oben genannten Nachteilen gibt es weitere, für MOS-Sensoren spezifische Nachteile, darunter:

• Die Heizelemente in einigen MOS-Sensoren benötigen viel Strom, weshalb größere Akkus erforderlich sind
• Obwohl MOS-Sensoren auf viele VOCs, HFCs und Lösungsmittel reagieren, sind sie nicht auf eine bestimmte Verbindung spezialisiert.

Infrarot-Brandgassensoren

Seit relativ kurzer Zeit finden sich diese Sensoren in einigen Messgeräten. Sie funktionieren gut bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen oder in Acetylenatmosphären; allerdings sind sie recht teuer. Diese Sensoren arbeiten nach dem Prinzip, dass Licht von einem Spiegel reflektiert und die bei der Brechung absorbierte Lichtmenge gemessen wird. Infrarotsensoren erfordern in der Regel einen konstanten Durchfluss durch die Sensorbaugruppe und können beim Abklingen eines Alarms eine gewisse Verzögerung aufweisen. Sie sind nicht in der Lage, Wasserstoff zu erkennen. Ein Infrarotsensor, der für einen einfachen Kohlenwasserstoff wie Methan oder Ethan kalibriert ist, liefert keine genauen Messwerte für Dämpfe von Kohlenwasserstoffen mit höherem Molekulargewicht, Lösungsmittel oder Kraftstoffe.

Sensoren für giftige Stoffe

Elektrochemische (nasschemische) Toxizitätssensoren

Diese Sensoren reagieren auf eine bestimmte Chemikalie (Substanz). Es sind chemisch spezifische Sensoren für bis zu 30 verschiedene Gase erhältlich, darunter Chlor, Ammoniak, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, Stickstoffmonoxid, Cyanwasserstoff, Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid. In den technischen Informationen des Herstellers ist angegeben, welche Sensoren für das jeweilige Gerät erhältlich sind.

Diese Sensoren weisen eine gute Linearität auf, wodurch sie für die Substanz, auf die sie reagieren, sehr genau sind. Sie können sowohl große als auch kleine Mengen messen und haben eine typische Lebensdauer von etwa einem Jahr für viele giftige Gase und von bis zu zwei Jahren für Schwefelwasserstoff und Kohlenmonoxid.

Wie alle Sensoren weisen auch nasschemische Sensoren gewisse Einschränkungen auf. Die Elektrolytflüssigkeit kann gefrieren, wenn sie in Umgebungen mit Temperaturen unter 0 °C verbleibt. Einige chemische Sensoren können durch die Höhe beeinträchtigt werden, da sie druckempfindlich sein können.

Toxische Breitband-Gassensoren auf Metalloxid-Halbleiter-Basis (MOS)

Auf dem Markt sind verschiedene MOS-Sensoren erhältlich, von denen einer speziell für die Erkennung giftiger Gase entwickelt wurde. Sein Aufbau und seine Funktionsweise ähneln denen eines Sensors zur Erkennung brennbarer Gase. Der MOS-Breitband-Giftsensor ist jedoch in der Lage, auf niedrige PPM-Konzentrationen einer Vielzahl giftiger Gase zu reagieren, darunter Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Styrol, Toluol, Benzin und viele andere Kohlenwasserstoffe und Lösungsmittel. MOS-Sensoren können weder Kohlendioxid noch Schwefeldioxid nachweisen. Der Sensor kann Ihnen weder mitteilen, um welches Gas es sich handelt, noch dessen Konzentration anzeigen, sondern lediglich signalisieren, dass die Atmosphäre gesundheitsgefährdend sein könnte.

Fotoionisationsdetektoren (PIDs)

Fachleute für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz sowie andere Akteure nutzen seit den 1960er Jahren die Fotoionisationssensor-Technologie zur Bewertung von Gefahren in der Arbeitsumgebung. Die Lebensdauer dieser Sensoren beträgt ein bis drei Jahre. Sie sind in der Regel zu kostspielig, um in einem Gerät mit mehreren Sensoren eingesetzt zu werden.

Fazit

Für diejenigen unter Ihnen, die in Umgebungen arbeiten, die gesundheitsgefährdend sein könnten, könnte die Wahl des richtigen Gasdetektors die wichtigste Entscheidung sein, die Sie jemals treffen. Ihr Leben könnte von dieser Entscheidung abhängen; daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass sich der Anwender bzw. Käufer über die möglichen Gefahren und die zum Schutz erforderlichen Sensoren im Klaren ist. Daten aus den späten 1970er- und frühen 1980er-Jahren zeigen, dass 65% derjenigen, die in engen Räumen ums Leben kamen, sich nicht bewusst waren, dass der Raum, den sie betraten, eine potenzielle Gefahr darstellte. Über 50% der Todesfälle in engen Räumen betreffen die Rettungskräfte, und mehr als ein Drittel der Todesfälle ereignete sich, nachdem der Raum geprüft, für sicher erklärt und der Gasdetektor entfernt worden war.

Die Auswahl eines Gasdetektors sollte sich nach der jeweiligen Gefahr richten. Leider tätigen viel zu viele Käufer eine der größten und entscheidendsten Einzelinvestitionen in Ausrüstung, ohne wirklich zu verstehen, was sie da kaufen. Sensoren und ihre Leistungsfähigkeit sind der wichtigste Faktor bei der Auswahl eines Gasdetektors, doch in den meisten Fällen basieren die Entscheidungen auf Größe, Preis und Funktionen, die nichts mit den Detektionsfähigkeiten des Geräts zu tun haben.

Gaswarngeräte gibt es in einer Vielzahl von Größen, Formen, Farben und Sensorkonfigurationen. Bei Arbeiten in beengten Räumen ist es erforderlich, den Sauerstoffmangel bzw. die Sauerstoffanreicherung sowie brennbare Gase und giftige Gase zu überwachen. Ein Gerät, das diese drei Gefahren abdecken kann, ist unverzichtbar.