Fachartikel

Messtechnik

Eine Hardware – drei Gase

Eine Hardware – drei Gase

NDIR-Sensoren von Smartgas bieten viele Vorteile für die Emissionsmessung, die Prozessmesstechnik und die Überwachung von Gaskonzentrationen. Sie decken eine große Bandbreite messbarer Gase ab und bieten Zuverlässigkeit, Präzision und einfaches Handling. Mit der Silarex-Plattform gibt es jetzt standardisierte Mehrkanallösungen auf NDIR Basis. 

 

Optische NDIR-Gassensoren basieren auf dem Prinzip der nichtdispersiven Infrarotabsorption. Sie vereinen Messgenauigkeit mit Langlebigkeit und einfachem Handling, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen. Das Messprinzip nutzt die Eigenschaft von Gasmolekülen, Infrarotstrahlung in spezifischen Wellenlängen zu absorbieren. Je höher die Konzentration des jeweiligen Gases ist, desto mehr Infrarotstrahlung absorbiert es. Der im Sensor verbaute Detektor registriert die abgeschwächte Lichtintensität der Strahlung und wandelt diese in ein Signal um, das der vorhandenen Gaskonzentration entspricht.  

Ein vorgeschaltetes und auf das jeweilige Gas angepasstes Interferenzfilter stellt sicher, dass der Detektor nur auf die Wellenlänge des Zielgases anspricht und somit möglichst selektiv arbeitet. Optische Gassensoren basieren also auf einem rein physikalischen Verfahren und im Gegensatz zu chemischen Verfahren verbrauchen sich optische Messverfahren nicht. Sie sind damit wesentlich wartungsärmer und langlebiger. Der geringere Wartungsaufwand und die zuverlässigen Messungen drücken sich für den Anwender vorteilhaft in geringen Stillstandzeiten der Anlagen und somit einer hohen Anlagenverfügbarkeit aus. 

Selektiv, präzise, langlebig, wartungsarm 

Prinzipbedingt zeichnen sich NDIR-Gassensoren durch ihre hohe Selektivität, Messgenauigkeit, Langzeitstabilität, niedrige Detektionsgrenzen, einen breiten Temperaturbereich, kurze Ansprechzeiten und eine sehr geringe Drift aus. Ein integrierter, optischer Referenzkanal dient dazu, fortwährend den optischen Gesamtzustand des Sensors zu bestimmen, um Messfehler, z.B. durch den Eintrag von Ablagerungen in die Optik oder Alterungserscheinungen des IR-Strahlers zu verhindern. Allerdings verfügen viele Gassensoren konstruktionsbedingt auch nur über einen gasaktiven Messkanal. Anwendungen wie die Emissionsmessung erfordern jedoch die zeitgleiche Analyse mehrerer Gase wie CO2, CO und SO2.  

Daher muss der Anwender nach klassischer Bauart auch drei separate NDIR-Sensoren einsetzen und eventuelle Querempfindlichkeiten anschließend selbst in einer nachgelagerten Elektronik und Software mathematisch herausrechnen. Diese Querempfindlichkeiten entstehen, da sich die Absorptionsspektren einiger Gase überlappen, so dass es zu Messfehlern kommen kann. Das ist beispielsweise der Fall bei der Messung von kleinen CO-Konzentrationen in Verbindung mit hohen CO2-Konzentrationen. 

Vorteile gegenüber Einzelsensoren 

Die NDIR-basierten Silarex-Sensoren haben hingegen vier optische Kanäle in einem einzigen Sensor: Drei davon sind Messkanäle für die Erfassung von Gaskonzentrationen und der vierte Kanal ist immer die optische Referenz. So können drei Gase parallel äußerst genau erfasst werden. Die Querempfindlichkeiten der parallelen Messwertbestimmungen werden direkt im Silarex-Sensor herausgerechnet, so dass der Anwender bereits fertig aufbereitete und korrigierte Messwerte per Modbus ASCII / RTU zur weiteren Verarbeitung erhält. Die Kalibrierung der Multigassensoren erfolgt dabei werksseitig, indem jeder der drei Messkanäle mit seinem vorgesehenen Zielgas einzeln kalibriert wird.  

Berücksichtigt werden dabei als Variablen auch Druck und Temperatur des Messsystems. Auf diese Weise wird jeder Messkanal mit einem vollen Satz der variablen Messparameter kalibriert, was die Voraussetzung für die Kompensation der Querempfindlichkeiten ist. Diese erfolgt im zweiten Teil der Sensorkalibrierung durch Messung unterschiedlicher Gasgemischkonzentrationen, die aus den Zielgasen bestehen. Die Signale der drei Kanäle werden währenddessen durch die Sensorsoftware abgeglichen. Der Einfluss jedes Gases auf einen anderen Kanal wird somit kompensiert. 

Weniger Platzbedarf, einfachere Vorbereitung 

Der Sensoraufbau ist sehr kompakt. Die Abmessungen betragen 336 x 30 x 37 mm. Silarex-Sensoren sind zwar länger als Einzelsensoren, dafür muss aber nur einer in jedem Messgerät untergebracht und elektronisch angebunden werden. 

Anders als bei der Messung einzelner Gase mit anderen Gassensortypen oder der Nutzung verschiedener Detektionsverfahren ist nur ein Sensor zu kalibrieren und zu warten, unterschiedliche Probenvorbereitung, differierende Genauigkeiten oder Lebenszyklen der Sensoren sind nicht zu berücksichtigen. Das Silarex-Konzept bietet die perfekte Basis für anspruchsvolle Messgas-Kombinationen und besonders für kundenspezifische Sensorentwicklungen. 

Smartgas bietet die Silarex-Mehrkanal-Sensoren auf dem europäischen Markt jetzt in verschiedenen Versionen serienmäßig als Standard an. Eine mögliche Messgaskombination für die Emissionsüberwachung ist Kohlendioxid bis 20 Vol.-%, Stickstoffmonoxid bis 2000 ppm und Schwefeldioxid bis 1000 ppm. Auch Zweikanalversionen zur Messung von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid mit speziellem Fokus auf industrielle Produktionsanlagen, Blockheizkraftwerke und Kraftwerke sind möglich. Die Silarex-Sensoren arbeiten mit Versorgungsspannungen von 10 bis 27 VDC sowie einer Durchflussrate von 0,1 bis 1,0 l/min. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme beträgt inklusive On-board-Heizung zur Temperaturstabilisierung circa 7 W. 

Neben den verfügbaren Versionen für die Emissionsmessung bietet Silarex sich auch als Plattform für weitere Messaufgaben an. Für die Messung von Sulfuryldifluorid (SO2F2) mit 100 ppm als Messbereich in Kombination mit CO2 gibt es Einsatzgebiete in der Schädlingsbekämpfung oder Containerbegasung. Für Hochspannungsanlagen sind SF6 mit CO oder Tetraflourmethan (CF4) denkbar. CO2 und CH4 sind die wichtigsten Messgrößen in Biogasanlagen. Für die Entwicklung der jeweiligen Messlösung bietet Smartgas die gemeinsame Durchführung von Projekt- und Anpassungsentwicklung auf Silarex-Basis an.  

Der Kunde erhält somit eine Sensorik, die bestmöglich auf seine Anforderung abgestimmt ist und bei deren Design-In er möglichst wenige Kompromisse gegenüber Sensoren „von der Stange“ eingehen muss. Wichtige Voraussetzungen für eine partnerschaftliche Anpassungsentwicklung und ein perfektes Produkt sind die mechanische und elektrische Anbindung der Sensoren sowie die vorgelagerte Gasaufbereitung. Hierbei helfen die Experten von Smartgas mit ihrem Know-how, was die Risiken für den Kunden auf dem Weg zum Endprodukt erheblich minimiert. 

Weltweit immer gefragter 

Aufgrund der positiven Eigenschaften hat die Nachfrage nach kombinierter Messsensorik, ausgehend von den anspruchsvollen asiatischen Märkten, weltweit stark zugenommen. Die Sigas Measurement Engineering Corp., Smartgas-Partner im künftigen Joint Venture „Smartgas China“, entwickelte bereits vor Jahren erfolgreich Gasanalysatoren für die Emissionsmessung im chinesischen Markt auf Basis von Silarex-Multigassensoren.  

Beide Unternehmen verbindet eine langjährige erfolgreiche Partnerschaft wie Volker Huelsekopf, Head of Sales bei Smartgas, erläutert: „Wir sind Experten für OEM-Sensoren sowie NDIR-Messverfahren, Sigas entwickelt und fertigt seit zehn Jahren sehr erfolgreich Gasanalysegeräte. Das ist die perfekte Ausgangsbasis für Komplettlösungen in der Gasmesstechnik auf Silarex-Basis.“  

Grundlage für den Erfolg sind die enge Partnerschaft im Rahmen der Entwicklungsphase und beim Design-In der Sensorik. Hierdurch war es möglich, dass sich die Silarex-Gassensoren im dortigen Markt bereits vielfach bei der Emissionsmessung und in der Prozessmesstechnik bewährt haben. Diese Form der Zusammenarbeit, bestehend aus Engineering und anschließender Produktlieferung bietet Smartgas jetzt auch auf dem europäischen Markt verstärkt für Kunden an. „Dies immer mit dem Ziel, unseren Kunden dabei zu helfen, die Test- und Design-Phase zu verkürzen, Entwicklungskosten zu reduzieren und schneller mit einem Produkt in den Markt einzutreten“, so Sebastian Weise, Head of Project Management bei Smartgas. 

Bilder: smartgas, aanton – iStock, slidezero_com - iStock 

Teilen
SENSOR+TEST 2024