Wasserstoffsensorik
Signaldrift effizient vermeiden
Grundsätzlich besitzt das Element Wasserstoff die für Anwender problematische Eigenschaft, in viele Materialien schnell einzudringen und sich dort teils negativ auszuwirken. In elektronischen Drucksensoren beispielsweise diffundieren H₂-Atome in die Metallmembran und die sensitiven Strukturen. Diese Diffusion kann bei den empfindlichen Komponenten auf Dauer die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Signaldrift durch H₂-Diffusion
Das Messprinzip von Dünnfilm-Druckmesszellen beruht darauf, dass elektrische Widerstände auf einer Membran angeordnet und zu einer Wheatstoneschen Messbrücke zusammengeschaltet sind. Unter Druck verformt sich die Membran und die Widerstände werden je nach Position gestaucht oder gedehnt. So verändert sich proportional zum Druck der Widerstandswert. Dieser wird vom Sensor erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das Medium Wasserstoff kann hierbei eine Signaldrift, also eine systematische Abweichung des Ausgangssignals, herbeiführen. Grund dafür ist, dass die Moleküle zu atomarem Wasserstoff dissoziieren und die Atome in die Metallmembran eindringen. Sie diffundieren in die Widerstandselemente der Wheatstone-Brücke auf der anderen Seite der Membran. Dadurch verändern sich die Werte von einzelnen Widerständen. Da dies nicht gleichmäßig über alle Widerstände hinweg geschieht, ändert sich der Widerstandswert der Wheatstone-Brücke. Diese Problematik verstärkt sich bei hohen Temperaturen.
Eindringen verhindern
Eine weit verbreitete Lösung, um dies zu vermeiden, ist eine Beschichtung aus Gold: In frontbündigen, ölgefüllten Messsystemen werden die wasserstoffberührten Strukturen mit dem Edelmetall beschichtet. Gold hat im Vergleich zu Stahl einen deutlich geringeren Diffusionskoeffizienten. Wasserstoff durchdringt Gold um Potenzen langsamer als Stahl. Eine Signaldrift lässt sich somit über die gesamte Produktlebensdauer minimieren.
Diese Methode ist allerdings kostspielig: sowohl der Werkstoff als auch der entsprechende Schritt in der Herstellung des Sensors. Außerdem bedarf es besonderer Sorgfalt beim Einbau, denn die frontbündig aufgebrachte, sehr dünne Goldbeschichtung ist empfindlich. Jeder Kratzer verringert oder eliminiert die Wirkung des Goldes.
Titannitrid-Schicht als Alternative
Eine neue Technologie kommt bei einem innovativen Dünnfilm-Drucksensor zum Einsatz. Sie minimiert die H2-Einwirkung ebenso effektiv, wie die Beschichtung mit Gold es vermag. Der Körper
des neuen Sensors besteht aus dem bewährten Werkstoff Elgiloy, einer Kobalt-Chrom-Nickel-Legierung.
Das Material ist aufgrund seiner Elastizität und Festigkeit gut geeignet, um daraus Drucksensoren herzustellen. Darüber hinaus ist es unanfällig für Wasserstoffversprödung, sofern bestimmte Designvorgaben berücksichtigt werden. Auf dem Sensor wird eine zusätzliche Schicht aus Titannitrid (TiN) aufgebracht, die den Einfluss von H2 auf die sensiblen Strukturen minimiert. Sie befindet sich zwischen der Isolationsschicht des Sensors und der Widerstandsschicht und ist ebenso wie diese Schichten nur wenige Nanometer dick.
Die Schicht aus Titannitrid bietet im Vergleich zur frontbündigen Goldbeschichtung zahlreiche Vorteile. Ein Verkratzen bei der Montage ist ausgeschlossen, da die TiN-Schicht ohne direkten Kontakt mit dem Messmedium im Inneren des Geräts liegt. Zudem ist nicht nur der Werkstoff kostengünstiger als Gold, sondern die Herstellung ist auch weniger aufwändig.
Manometer für belüftete Umgebung
Ein weiterer nützlicher Vorteil dieses Komponentenaufbaus: Drucktransmitter, die mit dieser Art Sensor bestückt sind, lassen sich einfach in bestehende Applikationen integrieren. Während der Anwender für die goldbeschichteten Geräte frontbündige Prozessanschlüsse mit entsprechend bemaßten Gegenstücken benötigt, ist es möglich, für das neue Dünnfilm-Sensorelement Druckanschlüsse aus dem Standardsortiment zu verwenden.
Im Gegensatz zu elektronischen Druckmessgeräten oder Druckmittlern beeinflusst die Diffusion von H2 bei mechanischen Manometern die Messgenauigkeit nicht. Diese Geräte übernehmen etwa die Drucküberwachung an Messstellen, die eine Vor-Ort-Anzeige erfordern, oder dienen als Back-up für elektronische Systeme.
Für Wasserstoff-Applikationen, wie insbesondere im hohen Druckbereich der Fall, werden vorwiegend CrNi-Stahl-Manometer mit messstoffberührten Teilen aus austenitischem Stahl eingesetzt. Denn bestimmte austenitische Stähle wie 316L sind gegen eine Versprödung durch H₂ resistent.
Dennoch kann über einen langen Zeitraum hinweg Wasserstoff durch das Messelement in das Manometergehäuse gelangen: Aufgrund der Bauform des Gehäuses – das unter anderem Kunststoffbauteile enthält – findet ein H2-Konzentrationsausgleich mit der Umgebung statt.
Deshalb ist es immer empfehlenswert, das Manometer in einer belüfteten Umgebung einzusetzen. In Applikationen tritt H2 meist gasförmig auf und ist in der Regel Drücken zwischen 60 bar (Erstabfüllung) und 1.000 bar (Tankstelle) ausgesetzt. Die Anwender-Norm EN837-2 empfiehlt bei Gasen und Drücken > 25 bar Manometer in Sicherheitsausführung, mindestens Stufe S2. Bei CrNi-Stahl-Manometern sind die Sicherheitsausführungen S1 und S3 marktüblich.
Sicherheitsstufe S3 ist Pflicht
Mechanische Manometer für Wasserstoff-Anwendungen sollten daher der höchsten Sicherheitsstufe S3 entsprechen. Die jeweiligen Geräte verfügen über eine nichtsplitternde Sichtscheibe, eine bruchsichere Trennwand zwischen Messsystem und Zifferblatt sowie eine ausblasbare Rückwand.
Letztere sorgt dafür, dass das Bedienpersonal im Fehlerfall vor eventuell austretenden Bauteilen und Medium geschützt ist. Für jene Messstellen, an denen aufgrund der hohen Entzündlichkeit von bestimmten Wasserstoff-Gemischen Explosionsgefahr besteht, benötigen Manometer eine ATEX-Zertifizierung.
Autor: Christian Wirl, Portfolio Manager Wasserstoff, Wika Alexander Wiegand SE & Co. KG, Klingenberg
Bilder: Wika Alexander Wiegand SE & Co. KG, Klingenberg, zoneteen_stock.adobe.com
63911 Klingenberg
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