Ein industrieller Produktionsbehälter wird mit Stickstoff inertisiert, um den Sauerstoffgehalt seiner Gasatmosphäre zu reduzieren. Eine stationäre Sauerstoffmessung überwacht die Konzentration im Gasraum. Während des normalen Betriebs zeigt das Messgerät einen Sauerstoffgehalt von 0,8 Vol.-% an. Die Anlagensteuerung bewertet diesen Zustand entsprechend den festgelegten Prozessgrenzen als ordnungsgemäß.
Nach einer Produktumstellung wird eine wesentlich geringere Restsauerstoffkonzentration benötigt. Die Qualitätsanforderung lautet nun, dass der Sauerstoffgehalt im Messgas 500 ppmv nicht überschreiten darf. Ein Mitarbeiter stellt fest, dass das vorhandene Gaswarngerät weiterhin einen Wert von ungefähr 0,1 Vol.-% oder weniger anzeigt, und geht davon aus, dass die neue Anforderung erfüllt ist.
Das ist jedoch nicht zwangsläufig richtig. Denn 0,1 Vol.-% Sauerstoff entspricht bereits 1.000 ppmv. Außerdem bedeutet eine Anzeige von 0,0 Vol.-% bei einem Gerät mit einer Auflösung von 0,1 Vol.-% keineswegs automatisch, dass tatsächlich kein Sauerstoff mehr vorhanden ist.
Eine entsprechend gerundete Anzeige kann eine Restkonzentration enthalten, die für eine anspruchsvolle ppm-Anwendung bereits deutlich zu hoch ist. Maßgeblich sind neben der Auflösung auch Messbereich, Messunsicherheit, Nullpunktverhalten und Nachweisfähigkeit des Messsystems.
Solche Missverständnisse treten bei der Inertisierung von Behältern, Tanks, Reaktoren, Mischanlagen und technischen Gasversorgungssystemen auf. Besonders kritisch wird die Situation, wenn dieselbe Sauerstoffmessung gleichzeitig für unterschiedliche Aufgaben verwendet werden soll.
Die Überwachung einer inertisierten Prozessatmosphäre kann beispielsweise darauf ausgerichtet sein, die für den betreffenden Prozess höchstzulässige Sauerstoffkonzentration sicher einzuhalten. Für eine solche Aufgabe können Messwerte im Prozentbereich relevant sein.
Bei der Überwachung der Reinheit technischer Gase, beim Schutz sauerstoffempfindlicher Produkte oder bei bestimmten Wärmebehandlungsprozessen können dagegen wesentlich niedrigere Sauerstoffkonzentrationen erforderlich sein. Hier werden Messwerte häufig in ppmv angegeben.
Eine dritte Aufgabe ist der Personenschutz. Wenn Sauerstoff durch Stickstoff oder ein anderes Inertgas verdrängt wird, kann im Behälter oder in angrenzenden Bereichen eine lebensgefährliche sauerstoffarme Atmosphäre entstehen. Die dafür eingesetzten Gaswarngeräte müssen insbesondere für die Erkennung von Sauerstoffmangel am Aufenthaltsort von Personen geeignet sein.
Diese drei Aufgaben unterscheiden sich erheblich hinsichtlich Messbereich, Messgenauigkeit, Messort, Sensorprinzip, Alarmstrategie und erforderlicher Prüfung.
Ein tragbares Sauerstoffwarngerät mit einem Messbereich von 0 bis 25 Vol.-% ist beispielsweise für die Überwachung des Sauerstoffgehalts der Atematmosphäre vorgesehen. Es ist jedoch nicht automatisch ein geeigneter Analysator für die quantitative Messung von Rest-Sauerstoffkonzentrationen im Bereich weniger ppm.
Umgekehrt ist ein empfindlicher Spurensauerstoffanalysator nicht zwangsläufig für den Personenschutz geeignet. Ein stationärer Analysator in einem Prozessschaltschrank überwacht nicht automatisch die Atmosphäre, der ein Mitarbeiter bei einer Leckage ausgesetzt ist.
Ein weiteres Problem entsteht durch die Probenahme. Bei einer Messung im ppm-Bereich können bereits geringe Undichtheiten der Probenahmeleitung erhebliche Messabweichungen verursachen. Gelangt beispielsweise Umgebungsluft in eine eigentlich sauerstoffarme Gasprobe, kann die angezeigte Restkonzentration wesentlich höher sein als die tatsächliche Konzentration im Behälter.
Auch Kondensat, ungeeignete Schlauchwerkstoffe, Totvolumina, lange Probenahmeleitungen und eine falsche Druckregelung können das Messergebnis beeinflussen.
Bei der Auswahl des Analysators müssen außerdem die Eigenschaften des Prozessgases berücksichtigt werden. Elektrochemische Sauerstoffsensoren, paramagnetische Messverfahren und Zirkoniumdioxid-Sensoren besitzen unterschiedliche Messbereiche, Reaktionszeiten, Querempfindlichkeiten und Einsatzgrenzen.
Dieser Fachbeitrag erklärt, wie Sauerstoffkonzentrationen in Volumenprozent und ppmv korrekt umgerechnet werden und welche Sensorprinzipien für die jeweiligen Messaufgaben infrage kommen. Er behandelt außerdem Probenahme, Messgasaufbereitung, Ansprechzeit, Kalibrierung, Alarmierung und die Unterscheidung zwischen Prozessinertisierung und Personenschutz.
Ein ausführliches Rechenbeispiel zeigt die Umrechnung zwischen Vol.-% und ppmv, die unterschiedlichen 4-bis-20-mA-Skalierungen sowie den möglichen Einfluss einer kleinen Umgebungsluftleckage auf die ppm-Messung.
Ergänzend werden typische Fehlerbilder, ein systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf sowie geeignete Sauerstoffanalysatoren und Gaswarngeräte aus dem Sortiment von ICS Schneider Messtechnik vorgestellt.
Inhaltsverzeichnis
- Messaufgabe und typische Fehler bei inertisierten Behältern
- Funktionsprinzip der Inertisierung und Bedeutung des Sauerstoffgehalts
- Volumenprozent, ppmv und Sauerstoffkonzentration unterscheiden
- Prozentbereich und ppm-Bereich richtig vergleichen
- Elektrochemische, paramagnetische und Zirkoniumdioxid-Sensoren
- Prozessdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Gaszusammensetzung
- Probenahmestelle, Messgasleitung und Messgasaufbereitung
- Praxisbeispiel: O₂-Konzentration, Analogsignal und Luftleckage berechnen
- Ansprechzeit, Gastransport und Verzögerungen beurteilen
- Sauerstoffgrenzkonzentration und Inertisierungssicherheit
- Alarmgrenzen, Verriegelungen und Fehlersignale festlegen
- Prozessüberwachung und Personenschutz eindeutig trennen
- Stickstoff, Kohlendioxid und weitere Begleitgase berücksichtigen
- Nullpunkt, Messbereichsende und Messwertauflösung
- Prüfgase, Nullgas und Kalibriergase richtig auswählen
- Bump-Test, Kalibrierung und vollständige Funktionsprüfung
- 4-bis-20-mA-Ausgang, digitale Werte und Leitsystemintegration
- Messunsicherheit und systematische Fehler im ppm-Bereich
- Explosionsschutz, Sauerstoffmangel und relevante Regelwerke
- Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
- Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
- Passende ICS-Produkte für Sauerstoffmessung und Gaswarntechnik
- Fazit: Messbereich und Sicherheitsaufgabe müssen zusammenpassen
- Häufig gestellte Fragen zur Sauerstoffmessung in inertisierten Behältern
1. Messaufgabe und typische Fehler bei inertisierten Behältern
Bei der Sauerstoffmessung in inertisierten Behältern muss vor der Geräteauswahl eindeutig geklärt werden, weshalb die Sauerstoffkonzentration überwacht wird.
Die erforderliche Messtechnik kann sich je nach Aufgabe wesentlich unterscheiden.
1.1 Überwachung der Prozessinertisierung
Bei der Inertisierung wird der Sauerstoffgehalt einer Prozessatmosphäre gezielt reduziert.
Wenn die Maßnahme dem Explosionsschutz dient, muss die für den jeweiligen Prozess zulässige Sauerstoffkonzentration zuverlässig eingehalten werden.
Die benötigte Messspanne und Alarmierung richten sich nach dem festgelegten Sicherheitskonzept.
1.2 Überwachung der Gasreinheit
In anderen Anwendungen soll der Sauerstoffgehalt besonders niedrig gehalten werden, um unerwünschte Reaktionen oder Qualitätsveränderungen zu vermeiden.
Hier können Rest-Sauerstoffkonzentrationen von einigen hundert oder wenigen ppmv relevant sein.
Für diese Aufgabe wird ein entsprechend empfindlicher Spurensauerstoffanalysator benötigt.
1.3 Personenschutz
Inertgase können Sauerstoff aus der Atematmosphäre verdrängen.
Bei entsprechenden Gefährdungen werden geeignete tragbare oder stationäre Sauerstoffwarngeräte eingesetzt.
Diese Geräte überwachen die Atmosphäre am vorgesehenen Messort und nicht automatisch den Sauerstoffgehalt im Inneren des Prozessbehälters.
1.4 Häufige Missverständnisse
Typische Fehler entstehen, wenn:
- Ein Prozentwert als ppm-Wert interpretiert wird.
- Die Anzeigeauflösung mit der Messgenauigkeit verwechselt wird.
- Ein gewöhnlicher O₂-Gaswarner als Spurensauerstoffanalysator eingesetzt wird.
- Ein Prozessanalysator ohne weitere Prüfung als Personenschutzgerät betrachtet wird.
- Ein Messwert aus einer undichten Probenahmeleitung übernommen wird.
- Alarmgrenzen ohne Bezug zur konkreten Sicherheitsanforderung festgelegt werden.
- Ein Nullwert auf dem Display als absolut sauerstofffreier Zustand interpretiert wird.
- Kalibrierung und Funktionsprüfung als identisch betrachtet werden.
1.5 Ziel der Geräteauswahl
Die Messtechnik muss den relevanten Sauerstoffbereich mit ausreichender Genauigkeit, Ansprechgeschwindigkeit und Verfügbarkeit erfassen.
Zusätzlich muss sie für das Prozessgas und die tatsächlichen Betriebsbedingungen geeignet sein.
2. Funktionsprinzip der Inertisierung und Bedeutung des Sauerstoffgehalts
Unter Inertisierung wird die gezielte Veränderung einer Gasatmosphäre durch Zugabe eines Inertstoffs verstanden.
Häufig wird dafür Stickstoff verwendet. Je nach Prozess kommen auch andere Inertgase infrage.
2.1 Sauerstoffverdrängung
Bei der Inertisierung kann die ursprünglich sauerstoffhaltige Atmosphäre durch Zufuhr eines geeigneten Inertgases verdrängt oder verdünnt werden.
Dadurch sinkt der Sauerstoffanteil im Behältergas.
2.2 Explosionsschutz
In geeigneten Anwendungen kann eine ausreichend niedrige Sauerstoffkonzentration verhindern, dass ein explosionsfähiges Gemisch entsteht.
Die Wirksamkeit hängt jedoch von der tatsächlichen Gaszusammensetzung und den Prozessbedingungen ab.
2.3 Partielle Inertisierung
Bei der partiellen Inertisierung wird der Sauerstoffgehalt so weit reduziert, dass die maßgebliche höchstzulässige Sauerstoffkonzentration unter den vorgesehenen Bedingungen sicher eingehalten wird.
Hierfür müssen die stoff- und prozessabhängigen Sicherheitsgrenzen bekannt sein.
2.4 Vollständige Verdrängung ist nicht automatisch erreichbar
Bei einem realen Behälter können Toträume, Einbauten, unvollständige Durchmischung und nachströmende Umgebungsluft zu örtlich unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen führen.
Die Anzeige eines einzelnen Messpunkts muss deshalb nicht unter allen Umständen die Zusammensetzung des gesamten Behältervolumens repräsentieren.
2.5 Inertgasversorgung
Eine stabile Inertisierung setzt eine geeignete Gasversorgung und die Beherrschung möglicher Störungen voraus.
Dazu gehören beispielsweise Druckabfall, Leckagen, Änderungen des Gasverbrauchs und Ausfälle der Versorgung.
2.6 Messung als Teil des Sicherheitskonzepts
Die Sauerstoffmessung kann Bestandteil der Überwachung einer Inertisierungsmaßnahme sein.
Ihre alleinige Existenz garantiert jedoch keine sichere Inertisierung.
Messstelle, Alarmauswertung, Maßnahmen bei Fehlern und die übrigen Schutzmaßnahmen müssen zusammen betrachtet werden.
3. Volumenprozent, ppmv und Sauerstoffkonzentration unterscheiden
Die korrekte Einheit ist eine Grundvoraussetzung für die Bewertung des Sauerstoffgehalts.
3.1 Volumenprozent
Bei der Angabe in Volumenprozent wird die Sauerstoffmenge auf das betrachtete Gasvolumen bezogen.
Für ideale Gasgemische entspricht der Volumenanteil dem Stoffmengenanteil.
Eine Konzentration von 1 Vol.-% O₂ bedeutet näherungsweise, dass ein Hundertstel des betrachteten Gasgemischs aus Sauerstoff besteht.
3.2 ppmv
ppmv bedeutet parts per million by volume.
Die Angabe beschreibt einen Volumenanteil von einem Millionstel.
Bei geeigneter Definition entspricht ppmv näherungsweise dem Stoffmengenanteil in µmol/mol.
3.3 Umrechnung
Ein Prozent entspricht einem Hundertstel. Ein ppm entspricht einem Millionstel.
Daraus ergibt sich:
1 Vol.-% = 10.000 ppmv
Die Umrechnung lautet:
cppmv = cVol.-% · 10.000
Umgekehrt gilt:
cVol.-% = cppmv / 10.000
3.4 Beispiel
Bei einem Sauerstoffgehalt von 0,5 Vol.-% ergibt sich:
c = 0,5 · 10.000 ppmv
c = 5.000 ppmv
Ein Sauerstoffgehalt von 0,5 Vol.-% ist daher keineswegs gleichbedeutend mit 0,5 ppmv.
3.5 Trockene und feuchte Gasbasis
Bei der Auswertung muss außerdem bekannt sein, ob der Sauerstoffanteil auf ein trockenes oder feuchtes Gasgemisch bezogen wird.
Wird Wasserdampf vor der Messung entfernt, kann sich die angezeigte Sauerstoffkonzentration bezogen auf das verbleibende trockene Gas verändern.
Die Messbasis muss deshalb in der technischen Dokumentation angegeben werden.
3.6 ppmv nicht mit ppm nach Masse verwechseln
Eine ppm-Angabe kann sich je nach Kontext auch auf Massenanteile beziehen.
Bei technischen Gasanalysen sollte deshalb eindeutig festgelegt werden, ob ppmv, µmol/mol oder eine andere Konzentrationsdefinition gemeint ist.
4. Prozentbereich und ppm-Bereich richtig vergleichen
Ein Sauerstoffmesssystem muss auf den erwarteten Konzentrationsbereich abgestimmt sein.
Insbesondere bei der Überwachung kleiner Restkonzentrationen ist ein geeigneter Messbereich wichtig.
| Sauerstoff in Vol.-% | Sauerstoff in ppmv | Einordnung |
|---|---|---|
| 20,9 Vol.-% | 209.000 ppmv | Ungefährer Sauerstoffanteil normaler Umgebungsluft |
| 10 Vol.-% | 100.000 ppmv | Stark sauerstoffreduzierte Atmosphäre |
| 5 Vol.-% | 50.000 ppmv | Prozessatmosphäre mit deutlich reduziertem O₂-Gehalt |
| 2 Vol.-% | 20.000 ppmv | Beispielwert im niedrigen Prozentbereich |
| 1 Vol.-% | 10.000 ppmv | Ein Prozent entspricht zehntausend ppmv |
| 0,5 Vol.-% | 5.000 ppmv | Übergang zu niedrigeren Rest-O₂-Bereichen |
| 0,1 Vol.-% | 1.000 ppmv | Häufige Verwechslungsstelle zwischen % und ppm |
| 0,05 Vol.-% | 500 ppmv | Beispiel einer Rest-Sauerstoffanforderung |
| 0,01 Vol.-% | 100 ppmv | Spurensauerstoffmessung |
| 0,001 Vol.-% | 10 ppmv | Niedriger ppm-Messbereich |
| 0,0001 Vol.-% | 1 ppmv | Sehr niedrige Rest-Sauerstoffkonzentration |
Die Einordnung der Tabelle dient der messtechnischen Orientierung. Aus keinem der genannten Zahlenwerte ergibt sich automatisch eine zulässige Sauerstoffkonzentration für eine konkrete Anlage.
4.1 Typische Prozentmessung
Ein Sauerstoffwarngerät mit einem Messbereich von 0 bis 25 Vol.-% ist für die Überwachung größerer Änderungen des Sauerstoffgehalts geeignet, sofern die übrigen Geräteanforderungen erfüllt sind.
Es ist jedoch nicht automatisch für die präzise Unterscheidung kleiner Konzentrationen von beispielsweise 100 und 500 ppmv ausgelegt.
4.2 Typische ppm-Messung
Ein Spurensauerstoffanalysator wird dagegen für entsprechend niedrige Konzentrationen ausgelegt.
Hier sind Nullpunktstabilität, geringe Messgasverunreinigung und eine passende Kalibrierung besonders wichtig.
4.3 Anzeigeauflösung
Eine Anzeigeauflösung von 0,1 Vol.-% entspricht einem Schritt von 1.000 ppmv.
Der angezeigte Zahlenabstand sagt jedoch noch nichts über die tatsächliche Messunsicherheit oder den kleinsten zuverlässig erkennbaren Konzentrationsunterschied aus.
4.4 Messbereichsüberlastung
Ein ppm-Analysator kann bei unbeabsichtigtem Kontakt mit Umgebungsluft deutlich oberhalb seines vorgesehenen Messbereichs belastet werden.
Ob und wie schnell er sich davon erholt, hängt von der Sensortechnologie und den Herstellerangaben ab.
4.5 Mehrbereichslösungen
In bestimmten Anwendungen kann es sinnvoll sein, mehrere Messbereiche oder unterschiedliche Analysatoren vorzusehen.
Eine Messstelle für den Prozentbereich und eine separate Rest-O₂-Messstelle können unterschiedliche Anforderungen zuverlässiger erfüllen als ein einzelnes ungeeignet ausgewähltes Gerät.
5. Elektrochemische, paramagnetische und Zirkoniumdioxid-Sensoren
Für die industrielle Sauerstoffmessung stehen unterschiedliche physikalische und elektrochemische Verfahren zur Verfügung.
Die Auswahl richtet sich nach Messbereich, Prozessgas, Genauigkeit und Betriebsbedingungen.
5.1 Elektrochemische Sauerstoffsensoren
Elektrochemische Sensoren werden häufig in tragbaren und stationären Gaswarngeräten eingesetzt.
Die Sauerstoffkonzentration wird anhand einer elektrochemischen Reaktion beziehungsweise eines entsprechenden Sensorsignals bestimmt.
Die konkrete Konstruktion kann sich zwischen klassischen elektrochemischen und langlebigen Sensortypen unterscheiden.
5.2 Typische Anwendung elektrochemischer Sensoren
Sie eignen sich je nach Ausführung insbesondere zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration in Arbeitsbereichen.
Ein typischer Messbereich beträgt beispielsweise 0 bis 25 Vol.-% O₂.
Für sehr kleine Rest-Sauerstoffkonzentrationen ist dagegen die besondere Eignung des Sensors nachzuweisen.
5.3 Paramagnetisches Messverfahren
Sauerstoff besitzt paramagnetische Eigenschaften.
Diese können zur Bestimmung seines Anteils in einem Gasgemisch genutzt werden.
Siemens verwendet beim OXYMAT-Verfahren unter anderem das paramagnetische Wechseldruckprinzip.
5.4 Paramagnetische O₂-Analysatoren
Der Siemens OXYMAT 7 ist beispielsweise für entsprechend kleine Sauerstoffmessbereiche ab 0 bis 0,5 Vol.-% verfügbar.
Ein solcher Messbereich entspricht 0 bis 5.000 ppmv.
Er darf jedoch nicht mit einer spezifischen Genauigkeit bis zu wenigen ppm verwechselt werden.
5.5 Zirkoniumdioxid-Messverfahren
Zirkoniumdioxid-Sensoren nutzen die sauerstoffionenleitenden Eigenschaften geeigneter keramischer Materialien bei erhöhter Temperatur.
Aus einer sauerstoffabhängigen elektrochemischen Potenzialdifferenz kann die Sauerstoffkonzentration ermittelt werden.
5.6 Spurensauerstoffmessung mit ZrO₂
Der Siemens OXYMAT 64 verwendet ein Zirkoniumdioxid-Messverfahren und bietet geeignete Messbereiche bis hinunter zu 0 bis 10 ppmv.
Dadurch kommt er für bestimmte Anwendungen mit sehr niedrigen Restsauerstoffkonzentrationen infrage.
5.7 Begleitgase berücksichtigen
Bei Zirkoniumdioxid-Sensoren müssen insbesondere die vom Hersteller beschriebenen Einflüsse brennbarer oder reduzierender Begleitgase beachtet werden.
Die konkrete Sensorausführung und das Messgas müssen zusammenpassen.
5.8 Kein universell bestes Messprinzip
Ein einzelnes Sensorprinzip ist nicht für jede Sauerstoffmessaufgabe gleichermaßen geeignet.
Die Auswahl muss anhand der erforderlichen Konzentration, der Gaszusammensetzung und der betrieblichen Anforderungen erfolgen.
6. Prozessdruck, Temperatur, Feuchtigkeit und Gaszusammensetzung
Eine korrekte Sauerstoffmessung setzt voraus, dass die Betriebsbedingungen innerhalb der Spezifikation des gewählten Messsystems liegen.
6.1 Druck
Die Sauerstoffkonzentration als Stoffmengenanteil ist von der Messgröße Sauerstoffpartialdruck zu unterscheiden.
Bestimmte Sensorprinzipien reagieren direkt oder indirekt auf den Sauerstoffpartialdruck.
Deshalb kann die Druckführung einen wesentlichen Einfluss auf das Messergebnis besitzen.
6.2 Druckreduzierung
Wenn Prozessgas unter erhöhtem Druck entnommen wird, kann eine geeignete Druckreduzierung notwendig sein.
Dabei müssen die zulässigen Bedingungen von Probenahmeleitung, Druckregler und Analysator eingehalten werden.
6.3 Temperatur
Hohe oder niedrige Gastemperaturen können Sensor und Messgasaufbereitung beeinflussen.
Gegebenenfalls sind geeignete Heiz-, Kühl- oder Temperierungsmaßnahmen erforderlich.
6.4 Feuchtigkeit
Wasserdampf kann den angegebenen Gasanteil beeinflussen und unter bestimmten Bedingungen zu Kondensation führen.
Bei der Bewertung muss bekannt sein, ob der Messwert auf trockenes oder feuchtes Gas bezogen ist.
6.5 Kondensat
Kondensat kann Probenahmeleitungen und Filter beeinträchtigen.
Eine ungeeignete Kondensatabscheidung kann zusätzlich die tatsächliche Zusammensetzung der analysierten Gasprobe verändern.
6.6 Staub und Aerosole
Partikel und Aerosole können Filter und Probenahmesysteme belasten.
Ein geeigneter Vorfilter muss zum Messgas und zur erforderlichen Ansprechzeit passen.
6.7 Prozessgasreaktionen
Wenn Sauerstoff während des Transports zur Messzelle chemisch umgesetzt oder aufgenommen wird, kann das Messergebnis vom tatsächlichen Behälterwert abweichen.
Die Probenahme muss daher für die erwartete Gaszusammensetzung geeignet sein.
7. Probenahmestelle, Messgasleitung und Messgasaufbereitung
Die Probenahme ist für die Zuverlässigkeit einer Sauerstoffmessung besonders wichtig.
Bei niedrigen ppm-Konzentrationen können kleine Fehler der Messgasführung einen großen Einfluss verursachen.
7.1 Geeignete Probenahmestelle
Die Probenahmestelle muss das für die Messaufgabe relevante Behältergas erfassen.
In großen oder schlecht durchmischten Behältern können mehrere Messstellen oder eine gesonderte Untersuchung der Gasverteilung erforderlich sein.
7.2 Umgebungsluftleckagen
Wenn die Probenahmeleitung unter Unterdruck betrieben wird, kann bereits durch eine kleine Undichtheit Umgebungsluft angesaugt werden.
Da Umgebungsluft ungefähr 20,9 Vol.-% Sauerstoff enthält, kann dadurch ein erheblicher Fehler bei der Messung kleiner Restkonzentrationen entstehen.
7.3 Leitungswerkstoff
Die Werkstoffe von Messgasleitungen und Dichtungen müssen für das Prozessgas geeignet sein.
Für eine Spurensauerstoffmessung sind insbesondere Dichtheit, mögliche Permeation und die Oberflächeneigenschaften relevant.
7.4 Messgasdurchfluss
Der Analysator benötigt den vom Hersteller vorgesehenen Messgasdurchfluss.
Ein zu niedriger Durchfluss kann die Ansprechzeit verlängern. Ein ungeeigneter hoher Durchfluss oder Druck kann ebenfalls außerhalb der Gerätespezifikation liegen.
7.5 Lange Probenahmeleitungen
Lange Leitungen besitzen ein größeres Gasvolumen.
Der Austausch des darin befindlichen Gases benötigt Zeit und kann die Reaktion des gesamten Messsystems verzögern.
7.6 Totvolumina
Ungünstige Armaturen, Stichleitungen oder nicht durchströmte Bereiche können den Gasaustausch erschweren.
Dadurch kann die gemessene Gaszusammensetzung verzögert auf Prozessänderungen reagieren.
7.7 Prüfung der gesamten Probenahme
Die Funktionsprüfung eines Analysators allein weist nicht automatisch nach, dass die vollständige Probenahmeleitung dicht ist und die Gasprobe unverändert transportiert.
Deshalb muss auch das Probenahmesystem in das Prüfkonzept einbezogen werden.
8. Praxisbeispiel: O₂-Konzentration, Analogsignal und Luftleckage berechnen
Ein industrieller Behälter wird mit Stickstoff inertisiert. Nach der Inertisierung soll die verbleibende Sauerstoffkonzentration quantitativ bestimmt werden.
Das Rechenbeispiel untersucht drei Fragestellungen:
- Wie wird eine Sauerstoffkonzentration zwischen Vol.-% und ppmv umgerechnet?
- Welche unterschiedlichen 4-bis-20-mA-Signale ergeben sich bei verschiedener Messbereichsskalierung?
- Wie verändert eine kleine Leckage mit angesaugter Umgebungsluft die Sauerstoffmessung?
8.1 Annahmen
Für die Berechnung werden folgende frei gewählte Werte verwendet:
- Tatsächliche Sauerstoffkonzentration im Prozessgas: 800 ppmv.
- Messgas: im Wesentlichen Stickstoff mit geringem Restsauerstoffanteil.
- Erster Analysator: linearer Messbereich 0 bis 2 Vol.-% O₂.
- Zweiter Analysator: linearer Messbereich 0 bis 1.000 ppmv O₂.
- Ausgangssignale beider Geräte: ideal 4 bis 20 mA.
- Umgebungsluft: angenommen 20,9 Vol.-% O₂.
- Regulärer Prozessgasvolumenstrom: 500 ml/min.
- Zusätzlicher Luftleckagestrom: 1 ml/min.
- Gleiche Bezugstemperatur und gleicher Bezugsdruck für die Volumenströme.
- Vollständige Vermischung von Prozessgas und Leckageluft.
- Keine chemische Umsetzung des Sauerstoffs während der Probenahme.
Alle Werte beschreiben ein hypothetisches Rechenbeispiel. Insbesondere handelt es sich beim genannten Sauerstoffwert nicht um eine zulässige Sicherheitsgrenze einer realen Anlage.
8.2 Umrechnung von ppmv in Vol.-%
Es gilt:
cVol.-% = cppmv / 10.000
Bei 800 ppmv:
c = 800 / 10.000 Vol.-%
c = 0,08 Vol.-%
Der tatsächliche Sauerstoffgehalt beträgt somit 0,08 Vol.-% beziehungsweise 800 ppmv.
8.3 Erster Analysator: 0 bis 2 Vol.-%
Der erste Analysator besitzt eine lineare Messspanne von 0 bis 2 Vol.-%.
Für die 4-bis-20-mA-Skalierung gilt:
I = 4 mA + 16 mA · c / cEndwert
Damit:
I = 4 mA + 16 mA · 0,08 / 2,00
I = 4,64 mA
8.4 Zweiter Analysator: 0 bis 1.000 ppmv
Der zweite Analysator besitzt eine lineare Messspanne von 0 bis 1.000 ppmv.
Damit:
I = 4 mA + 16 mA · 800 / 1.000
I = 16,80 mA
Obwohl beide Geräte dieselbe Sauerstoffkonzentration messen, unterscheiden sich ihre analogen Ausgangsströme erheblich.
Der Grund ist die unterschiedliche Ausgangsskalierung.
8.5 Fehler durch falsche SPS-Skalierung
Würde die SPS das Ausgangssignal des 0-bis-2-Vol.-%-Analysators fälschlich so interpretieren, als stamme es von einem 0-bis-1.000-ppmv-Analysator, ergäbe sich:
cfalsch = (4,64 mA – 4 mA) / 16 mA · 1.000 ppmv
cfalsch = 40 ppmv
Statt der tatsächlichen 800 ppmv würde die SPS nur 40 ppmv ausweisen.
Die angezeigte Konzentration wäre damit um den Faktor 20 zu klein.
Dieses Beispiel zeigt, wie gefährlich eine fehlerhafte Zuordnung von Messbereich und Ausgangssignal sein kann.
8.6 Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft
Für die angenommene Umgebungsluft gilt:
cLuft = 20,9 Vol.-%
Umgerechnet:
cLuft = 209.000 ppmv
8.7 Luftleckage in der Probenahmeleitung
Der reguläre Prozessgasvolumenstrom beträgt 500 ml/min.
Zusätzlich wird aufgrund einer angenommenen Undichtheit 1 ml/min Umgebungsluft angesaugt.
Bei den genannten Annahmen beträgt der gesamte Gasstrom:
Qgesamt = 500 + 1 ml/min
Qgesamt = 501 ml/min
8.8 Mischungsberechnung
Bei idealer Mischung ergibt sich die Sauerstoffkonzentration aus den Volumenstromanteilen:
cgemischt = (QProzess · cProzess + QLuft · cLuft) / (QProzess + QLuft)
Einsetzen der Werte:
cgemischt = (500 · 800 + 1 · 209.000) / 501 ppmv
cgemischt = 609.000 / 501 ppmv
cgemischt ≈ 1.215,6 ppmv
8.9 Absolute Messabweichung
Der tatsächliche Sauerstoffgehalt im Prozessgas beträgt 800 ppmv.
Durch die Luftleckage erhöht sich die Konzentration im idealisierten Mischungsmodell auf ungefähr 1.215,6 ppmv.
Damit:
Δc = 1.215,6 – 800 ppmv
Δc ≈ +415,6 ppmv
8.10 Relative Messabweichung
Bezogen auf den tatsächlichen Prozessgaswert ergibt sich:
ε = 415,6 / 800 · 100 %
ε ≈ +52,0 %
Die angenommene kleine Luftleckage verursacht damit einen relativen Konzentrationsfehler von ungefähr 52 %.
8.11 Messbereichsüberschreitung
Der für 0 bis 1.000 ppmv skalierte zweite Analysator würde in diesem Beispiel mit einer Mischgaskonzentration oberhalb seines eingestellten Messbereichs beaufschlagt.
Wie er darauf reagiert, hängt von seinem Messbereich, seiner internen Verarbeitung und seinen Fehler- beziehungsweise Überbereichseinstellungen ab.
Ein Ausgangsstrom oberhalb von 20 mA darf deshalb nicht ohne ausdrückliche Gerätefreigabe als regulärer proportionaler Messwert angenommen werden.
8.12 Gastransportzeit
Zusätzlich wird eine 4 m lange Probenahmeleitung mit einem angenommenen Innendurchmesser von 4 mm betrachtet.
Das geometrische Leitungsvolumen beträgt:
V = π · d² / 4 · L
V = π · (0,004 m)² / 4 · 4 m
V ≈ 0,00005027 m³ = 50,27 ml
Bei einem Gasvolumenstrom von 500 ml/min ergibt sich eine idealisierte mittlere Verweilzeit:
t = 50,27 ml / 500 ml/min
t ≈ 0,1005 min ≈ 6,03 s
Die Berechnung ist eine idealisierte Volumenstrombetrachtung. Sie berücksichtigt weder Strömungsdispersion noch zusätzliche Totvolumina oder die Ansprechzeit des Analysators.
8.13 Ergebnisübersicht
| Berechnungsgröße | Annahme oder Berechnung | Ergebnis |
|---|---|---|
| Tatsächlicher Rest-Sauerstoff | Frei gewählte Prozessannahme | 800 ppmv |
| Rest-Sauerstoff in Vol.-% | 800 / 10.000 | 0,08 Vol.-% |
| Analogsignal bei 0 bis 2 Vol.-% | 4 + 16 · 0,08 / 2 | 4,64 mA |
| Analogsignal bei 0 bis 1.000 ppmv | 4 + 16 · 800 / 1.000 | 16,80 mA |
| Falsch skalierter SPS-Wert | 4,64 mA als 0 bis 1.000 ppmv interpretiert | 40 ppmv |
| Sauerstoff der Umgebungsluft | Angenommen 20,9 Vol.-% | 209.000 ppmv |
| Regulärer Messgasstrom | Frei gewählte Annahme | 500 ml/min |
| Luftleckagestrom | Frei gewählte Annahme | 1 ml/min |
| Gemessener Mischgas-Sauerstoffgehalt | Ideale Mischungsrechnung | 1.215,6 ppmv |
| Absolute Abweichung durch Leckage | 1.215,6 – 800 | +415,6 ppmv |
| Relative Abweichung durch Leckage | 415,6 / 800 · 100 % | +52,0 % |
| Probenahmeleitung | 4 m Länge, 4 mm Innendurchmesser | 50,27 ml |
| Idealisierte Verweilzeit | 50,27 ml / 500 ml/min | 6,03 s |
8.14 Bedeutung für die Praxis
Das Rechenbeispiel zeigt, dass bereits ein geringer Anteil angesaugter Umgebungsluft die ppm-Messung erheblich verändern kann.
Außerdem kann eine fehlerhafte Skalierung im Leitsystem dazu führen, dass eine physikalisch korrekt gemessene Konzentration falsch angezeigt wird.
Die reine Anzeige eines Zahlenwerts reicht deshalb nicht aus, um die Qualität einer Rest-Sauerstoffmessung zu beurteilen.
8.15 Grenzen der Berechnung
Alle Werte sind hypothetisch. Das Mischungsmodell setzt ideale Mischung und gleiche Bezugsbedingungen voraus.
Die tatsächliche Probenahme kann zusätzlich durch Druck, Temperatur, Permeation, Totvolumina und die Eigenschaften des Analysators beeinflusst werden.
Die Verweilzeit von ungefähr sechs Sekunden ist keine zugesicherte Gesamtansprechzeit des Messsystems.
9. Ansprechzeit, Gastransport und Verzögerungen beurteilen
Eine Sauerstoffmessung muss nicht nur den richtigen Konzentrationsbereich erfassen. Ihre Reaktion auf Konzentrationsänderungen muss auch ausreichend schnell sein.
9.1 Sensoransprechzeit
Die Sensoransprechzeit beschreibt, wie schnell das Messgerät auf eine definierte Änderung der Sauerstoffkonzentration reagiert.
Hersteller geben dafür häufig eine T90-Zeit an.
9.2 T90
Die T90-Zeit beschreibt bei einer entsprechenden Sprungprüfung die Zeit bis zum Erreichen von 90 % der betrachteten Signaländerung.
Die genaue Definition und die Prüfbedingungen ergeben sich aus den Herstellerangaben.
9.3 Probenahmeleitung
Bei einem extraktiven System muss das Gas zunächst die Probenahmeleitung bis zum Sensor durchströmen.
Dieser Transport kann zu einer zusätzlichen Verzögerung führen.
9.4 Filter und Gasaufbereitung
Filter, Kühler, Wasserabscheider und andere Bauteile können zusätzliche Volumina und Verzögerungen verursachen.
9.5 Auswertung und Alarmverzögerung
Digitale Mittelwertbildung, Plausibilitätsfilter oder eingestellte Alarmverzögerungen können die Zeit bis zur Alarmreaktion verlängern.
Die vollständige Reaktionszeit muss deshalb über die gesamte Mess- und Sicherheitskette bewertet werden.
9.6 Prozessänderungen
Bei schnellen Änderungen der Inertgasversorgung muss die Messstelle erkennen können, wenn sich die Sauerstoffkonzentration dem festgelegten Grenzwert nähert.
Eine sehr genaue, aber zu langsame Messung kann für bestimmte Überwachungsaufgaben ungeeignet sein.
9.7 Funktionsprüfung der gesamten Kette
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ist die Reaktionszeit von der eigentlichen Probenahmestelle bis zur vorgesehenen Alarm- beziehungsweise Schutzreaktion relevant.
Die reine T90-Angabe eines Sensorelements beschreibt diese vollständige Kette nicht.
10. Sauerstoffgrenzkonzentration und Inertisierungssicherheit
Die für eine sichere Inertisierung zulässige Sauerstoffkonzentration ist eine anwendungsabhängige Größe.
Es gibt keinen einheitlichen Prozentwert, der für alle brennbaren Stoffe und Inertgase gilt.
10.1 Sauerstoffgrenzkonzentration
Die Sauerstoffgrenzkonzentration beschreibt unter definierten Bedingungen eine Grenze, unterhalb der ein explosionsfähiges Gemisch entsprechend der verwendeten Definition nicht mehr entstehen kann.
Sie hängt insbesondere vom brennbaren Stoff und vom Inertgas ab.
10.2 Einfluss des Inertgases
Stickstoff und Kohlendioxid können unterschiedliche Auswirkungen auf das Explosionsverhalten eines Gemischs besitzen.
Die Werte eines Inertgases dürfen nicht ohne Prüfung auf ein anderes übertragen werden.
10.3 Druck und Temperatur
Auch Druck und Temperatur können die maßgeblichen Sauerstoffgrenzen beeinflussen.
Ein unter normalen Laborbedingungen bestimmter Wert ist deshalb nicht automatisch für einen heißen oder druckbeaufschlagten Reaktor geeignet.
10.4 Sicherheitstechnischer Abstand
Für den Betrieb muss ein geeigneter Abstand zwischen der maßgeblichen Sauerstoffgrenzkonzentration und dem höchstzulässigen Betriebswert berücksichtigt werden.
Bei dieser Festlegung sind unter anderem Messunsicherheit, Prozessschwankungen und erforderliche Reaktionszeiten relevant.
10.5 Alarmschwelle
Eine Alarmschwelle muss aus der zulässigen Prozesskonzentration und der erforderlichen Schutzreaktion abgeleitet werden.
Sie darf nicht allein deshalb gewählt werden, weil ein Gasanalysator einen bestimmten Messbereich besitzt.
10.6 Veränderungen der Gaszusammensetzung
Produktwechsel, Lösungsmittelgemische oder zusätzliche brennbare Komponenten können eine Neubewertung der Inertisierungsanforderungen notwendig machen.
10.7 Messung allein ist kein Sicherheitsnachweis
Die Anzeige eines niedrigen Sauerstoffgehalts belegt nicht automatisch, dass jeder Behälterbereich ausreichend inertisiert ist.
Die Wirksamkeit der Maßnahme muss nach dem anlagenbezogenen Explosionsschutzkonzept bewertet werden.
11. Alarmgrenzen, Verriegelungen und Fehlersignale festlegen
Die Alarmierung muss zur tatsächlichen Messaufgabe und zum Sicherheitskonzept der Anlage passen.
11.1 Steigender Sauerstoffgehalt
Bei einem inertisierten Prozess kann insbesondere eine steigende Sauerstoffkonzentration kritisch sein.
Die Mess- und Alarmlogik muss deshalb die entsprechende Wirkrichtung berücksichtigen.
11.2 Sauerstoffmangel in Arbeitsbereichen
Bei der Überwachung von Aufenthaltsbereichen ist dagegen insbesondere das Absinken des Sauerstoffgehalts unter die festgelegte zulässige Grenze relevant.
Je nach Gefährdungsbeurteilung kann zusätzlich eine Sauerstoffanreicherung überwacht werden.
11.3 Unterschiedliche Alarmrichtungen
Eine Prozessmessung in einem inertisierten Behälter und ein Personenschutzgerät können somit unterschiedliche Alarmstrategien benötigen.
Die Alarmrichtung und der entsprechende Sollbereich müssen ausdrücklich parametriert werden.
11.4 Voralarm und Hauptalarm
Je nach Anwendung können mehrere Warn- und Schaltstufen vorgesehen werden.
Die Werte müssen auf die erforderlichen betrieblichen Maßnahmen abgestimmt sein.
11.5 Fehler des Analysators
Ein Gerätefehler, eine unterbrochene Probenahme oder ein ungültiger Messwert darf nicht ungeprüft als sicherer niedriger Sauerstoffgehalt interpretiert werden.
Die Auswertung benötigt ein geeignetes Fehlersignal und eine definierte Reaktion.
11.6 Alarmverzögerung
Eine Alarmverzögerung kann kurzfristige unerwünschte Schaltvorgänge reduzieren.
Bei sicherheitsbezogenen Funktionen muss jedoch nachgewiesen werden, dass die Verzögerung mit der erforderlichen Reaktionszeit vereinbar ist.
11.7 Verriegelungen
Wenn die Sauerstoffmessung eine automatische Schutzmaßnahme auslöst, muss die vollständige Sicherheitsfunktion bewertet werden.
Hierzu gehören Sensorik, Signalübertragung, Logik, Aktoren und erforderliche Prüfungen.
12. Prozessüberwachung und Personenschutz eindeutig trennen
Die Messung der Sauerstoffkonzentration im Inneren eines inertisierten Behälters ist nicht automatisch gleichbedeutend mit einer Überwachung der Atematmosphäre.
12.1 Inertisierte Behälter sind keine normale Atemumgebung
Eine gezielt sauerstoffreduzierte Prozessatmosphäre kann für Menschen lebensgefährlich sein.
Das gilt auch dann, wenn die Atmosphäre für den technischen Prozess ordnungsgemäß inertisiert wurde.
12.2 Tragbare Sauerstoffwarngeräte
Tragbare Geräte können die Atmosphäre am Aufenthaltsort des Trägers überwachen.
Sie müssen für den vorgesehenen Einsatzbereich ausgewählt und entsprechend geprüft werden.
12.3 Messung vor dem Behälterzugang
Vor dem Betreten von Behältern, Silos oder engen Räumen können besondere Freimess- und Freigabeverfahren erforderlich sein.
Die Anforderungen ergeben sich aus der Gefährdungsbeurteilung und den anwendbaren Vorschriften.
12.4 Probenahme aus dem Behälter
Für bestimmte Freimessaufgaben werden geeignete Gaswarngeräte mit Pumpen und Probenahmezubehör eingesetzt.
Dabei müssen die tatsächlichen Probenahmeorte, die Messgasförderung und die notwendige Wartezeit berücksichtigt werden.
12.5 Mehrere Gefahren
Ein ausreichend hoher Sauerstoffgehalt bedeutet nicht automatisch, dass eine Atmosphäre frei von toxischen oder brennbaren Gasen ist.
Je nach Gefährdungsbeurteilung sind zusätzliche Gasmessungen erforderlich.
12.6 Prozessanalysator ersetzt keinen Gaswarner
Ein Spurensauerstoffanalysator, der innerhalb des Prozesses wenige ppm misst, überwacht nicht automatisch die Sauerstoffkonzentration außerhalb des Behälters.
Prozessmessung und Personenschutz müssen jeweils für ihren Messort ausgelegt werden.
13. Stickstoff, Kohlendioxid und weitere Begleitgase berücksichtigen
Die Gaszusammensetzung beeinflusst sowohl den Prozess als auch die Eignung des Sauerstoffanalysators.
13.1 Stickstoff
Stickstoff wird in vielen Anwendungen als Inertgas verwendet.
Die erforderliche Rest-Sauerstoffkonzentration hängt von der jeweiligen Prozess- beziehungsweise Sicherheitsanforderung ab.
13.2 Kohlendioxid
Kohlendioxid kann ebenfalls zur Inertisierung eingesetzt werden, sofern es für den Prozess geeignet ist.
Seine physikalischen und sicherheitstechnischen Eigenschaften unterscheiden sich von denen des Stickstoffs.
13.3 Brennbare Begleitgase
Bei bestimmten Sauerstoffsensoren können brennbare Begleitgase die Messung beeinflussen.
Dies ist insbesondere bei der Auswahl geeigneter Zirkoniumdioxid-Sensorvarianten zu berücksichtigen.
13.4 Korrosive Komponenten
Korrosive Gase können Sensoren, Probenahmeleitungen oder Dichtungen beeinträchtigen.
Die eingesetzten Werkstoffe müssen entsprechend geeignet sein.
13.5 Feuchte Prozessgase
Bei feuchten Gasen ist die Messbasis zu beachten.
Eine Angabe in ppmv bezogen auf trockenes Gas kann sich von der Konzentration im ursprünglich feuchten Prozessgas unterscheiden.
13.6 Prozessgaswechsel
Nach einer Änderung des Inertgases oder der Prozesszusammensetzung müssen mögliche Einflüsse auf Messprinzip, Kalibrierung und Sicherheitsgrenzen erneut bewertet werden.
14. Nullpunkt, Messbereichsende und Messwertauflösung
Bei niedrigen Rest-Sauerstoffkonzentrationen gewinnen die Eigenschaften des unteren Messbereichs erheblich an Bedeutung.
14.1 Nullpunkt
Ein Sauerstoffanalysator muss im unteren Messbereich einen ausreichend stabilen Nullpunkt besitzen.
Die hierfür geltenden Anforderungen hängen vom Messverfahren und von der erforderlichen Genauigkeit ab.
14.2 Restanzeige
Eine geringe positive Restanzeige kann beispielsweise durch tatsächlichen Sauerstoff, Sensoroffset, Messunsicherheit oder eine Verunreinigung der Gasprobe verursacht werden.
Die Ursache muss durch geeignete Prüfungen geklärt werden.
14.3 Anzeigeauflösung
Eine digitale Anzeige mit kleinen Schritten bedeutet nicht automatisch, dass die entsprechenden Konzentrationsänderungen zuverlässig nachgewiesen werden können.
14.4 Nachweisgrenze
Die kleinste nachweisbare Konzentration ist von der Anzeigeauflösung und dem nominellen Messbereich zu unterscheiden.
Sie hängt von der Sensortechnologie und den tatsächlichen Messbedingungen ab.
14.5 Messbereichsende
Ein für 0 bis 10 ppmv ausgelegter Messbereich darf nicht ohne Prüfung mit wesentlich höheren Sauerstoffkonzentrationen beaufschlagt werden.
Die zulässige Überlastung und das Verhalten nach einer Messbereichsüberschreitung sind herstellerabhängig.
14.6 Messbereichsauswahl
Der gewählte Messbereich muss die normale Prozesskonzentration sowie die für Diagnose und Alarmierung benötigten Werte abdecken.
Die erforderliche Messunsicherheit muss innerhalb dieses Bereichs eingehalten werden können.
15. Prüfgase, Nullgas und Kalibriergase richtig auswählen
Für eine zuverlässige Sauerstoffmessung müssen die Kalibriergase zur Messaufgabe passen.
15.1 Nullgas
Für die Nullpunktprüfung kann ein entsprechend geeignetes sauerstoffarmes Prüfgas erforderlich sein.
Die Sauerstoffreinheit des Gases muss für den zu prüfenden Messbereich ausreichend bekannt sein.
15.2 Nullgas für ppm-Messung
Ein gewöhnliches Stickstoffgas ohne ausreichend spezifizierten Rest-Sauerstoffgehalt ist nicht automatisch ein geeignetes Nullgas für eine hochgenaue ppm-Kalibrierung.
Die tatsächliche Restkonzentration und ihre Unsicherheit müssen berücksichtigt werden.
15.3 Kalibriergas mit definierter Konzentration
Für die Empfindlichkeitsprüfung wird ein geeignetes Prüfgas mit bekannter Sauerstoffkonzentration verwendet.
Die Konzentration muss zum Messbereich und zum vorgesehenen Kalibrierverfahren passen.
15.4 Trägergas
Das Trägergas des Kalibriergemischs muss für das Messprinzip geeignet sein.
Eine Änderung der Gasmatrix kann bei bestimmten Analysatoren zusätzliche Einflüsse verursachen.
15.5 Gasflaschen und Druckminderer
Die verwendeten Druckminderer und Verbindungen müssen für Gasart, Reinheitsanforderung und Betriebsdruck geeignet sein.
Bei niedrigen ppm-Konzentrationen sind insbesondere Dichtheit und geringe Verunreinigung wichtig.
15.6 Kalibriergasleitungen
Auch die Leitungen zwischen Prüfgasflasche und Analysator müssen für den vorgesehenen Konzentrationsbereich geeignet sein.
Eine Undichtheit oder Verunreinigung kann das Ergebnis verfälschen.
15.7 Dokumentation
Prüfgaskonzentration, Unsicherheit, Chargenangaben, Verwendbarkeit und Prüfbedingungen sollten gemäß dem angewendeten Kalibrierverfahren dokumentiert werden.
16. Bump-Test, Kalibrierung und vollständige Funktionsprüfung
Bump-Test, Kalibrierung und vollständige Prüfung einer Gaswarnanlage erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
16.1 Bump-Test
Ein Bump-Test dient der Überprüfung, ob ein Gaswarngerät auf eine geeignete Prüfgasbeaufschlagung reagiert und die vorgesehenen Funktionen auslöst.
Die genaue Prüfung richtet sich nach den Herstellervorgaben und dem eingesetzten Gerät.
16.2 Kalibrierung
Bei einer Kalibrierung wird der Messwert mit einer geeigneten Referenzkonzentration verglichen.
Die festgestellte Abweichung wird dokumentiert.
16.3 Justierung
Eine Justierung verändert Geräteeinstellungen oder die Messkennlinie mit dem Ziel, eine festgestellte Abweichung zu reduzieren.
Sie muss von der eigentlichen Kalibrierung unterschieden werden.
16.4 Sensorprüfung
Die Prüfung eines Sensors direkt am Geräteanschluss kann dessen Messfunktion bewerten.
Sie prüft jedoch nicht zwangsläufig die gesamte vorgelagerte Probenahmeleitung.
16.5 Funktionsprüfung der Messkette
Bei einer vollständigen Prüfung müssen nach dem anwendungsspezifischen Konzept auch Probenahme, Messgasförderung, Signalauswertung, Alarme und erforderliche Schutzreaktionen berücksichtigt werden.
16.6 Prüfintervalle
Die notwendigen Prüfintervalle hängen von Gerät, Einsatzbedingungen, Herstelleranweisungen und Schutzanforderungen ab.
Ein für einen bestimmten tragbaren Gaswarner vorgesehenes Prüfintervall darf nicht pauschal auf einen industriellen Spurensauerstoffanalysator übertragen werden.
16.7 Prüfprotokoll
Ein aussagekräftiges Prüfprotokoll dokumentiert den Prüfling, die verwendeten Prüfgase, Prüfbedingungen, Messergebnisse, Alarmreaktionen und gegebenenfalls vorgenommene Justierungen.
17. 4-bis-20-mA-Ausgang, digitale Werte und Leitsystemintegration
Die Sauerstoffmessung muss korrekt in die übergeordnete Steuerung oder das Leitsystem übertragen werden.
17.1 Analogsignal
Bei einem linearen 4-bis-20-mA-Signal wird der konfigurierte Messbereich dem Stromsignal zugeordnet.
Die Skalierung ist Bestandteil der Messstellenkonfiguration.
17.2 Prozent- und ppm-Skalierung
Ein 0-bis-2-Vol.-%-Analysator und ein 0-bis-1.000-ppmv-Analysator können bei gleicher Sauerstoffkonzentration unterschiedliche Ausgangsströme liefern.
Die korrekte Zuordnung muss im Leitsystem sichergestellt sein.
17.3 Digitale Prozesswerte
Bei digitalen Schnittstellen können Messwert und gegebenenfalls Gerätestatus direkt übertragen werden.
Auch hier müssen Einheit, Messbereich und Statusinformationen eindeutig interpretiert werden.
17.4 Fehlerzustand
Eine ungültige Messung muss von einer tatsächlichen niedrigen Sauerstoffkonzentration unterschieden werden.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen muss eine entsprechend definierte Reaktion vorgesehen sein.
17.5 Alarmrichtung
Die Alarmauswertung muss zwischen steigender und fallender Sauerstoffkonzentration unterscheiden können, wenn dies die Anwendung erfordert.
17.6 Plausibilitätsprüfung
Geeignete Plausibilitätsprüfungen können helfen, Messbereichsüberschreitungen, Signalfehler oder untypische Konzentrationsverläufe zu erkennen.
Sie ersetzen jedoch keine ordnungsgemäße Kalibrierung und Messstellenprüfung.
17.7 Historische Daten
Die Aufzeichnung von Sauerstoffwerten, Alarmereignissen und Messstellenstatus kann bei der Diagnose wiederkehrender Inertisierungsprobleme hilfreich sein.
18. Messunsicherheit und systematische Fehler im ppm-Bereich
Die Bewertung kleiner Rest-Sauerstoffkonzentrationen erfordert eine Betrachtung der vollständigen Messkette.
18.1 Sensorunsicherheit
Die spezifizierte Messabweichung des Analysators gilt unter den jeweils festgelegten Bedingungen.
Messbereich, Nullpunkt und Gaszusammensetzung müssen dabei berücksichtigt werden.
18.2 Prüfgasunsicherheit
Eine unzureichend bekannte Konzentration des Kalibriergases kann die Kalibrierunsicherheit begrenzen.
18.3 Leckagen
Bei ppm-Messungen können geringe Umgebungsluftleckagen erhebliche positive Konzentrationsabweichungen verursachen.
Dieser Einfluss kann wesentlich größer sein als die eigentliche Sensorabweichung.
18.4 Permeation
Abhängig von Werkstoff und Betriebsbedingungen kann Sauerstoff durch bestimmte Leitungs- oder Dichtungsmaterialien eindringen.
Die Auswahl geeigneter Materialien ist bei sehr kleinen Restkonzentrationen entsprechend wichtig.
18.5 Gastransport
Lange Leitungen und Totvolumina können zeitliche Verzögerungen verursachen.
Bei schnell veränderlichen Sauerstoffwerten entsteht dadurch ein zusätzlicher dynamischer Einfluss.
18.6 Druck und Temperatur
Je nach Messprinzip können Druck und Temperatur das Sensorsignal beeinflussen.
Die Kalibrierung und Messgasaufbereitung müssen zur tatsächlichen Anwendung passen.
18.7 Messbasis
Eine Umrechnung zwischen trockenem und feuchtem Gas kann notwendig sein, wenn der Analysator das Gas nach einer Trocknung erfasst.
18.8 Gesamtunsicherheit
Für eine belastbare Messunsicherheitsbewertung müssen die relevanten Einflussgrößen mit einem geeigneten Modell betrachtet werden.
Das einfache Addieren beliebiger Datenblattwerte liefert keine vollständige Bewertung einer Spurensauerstoffmessung.
19. Explosionsschutz, Sauerstoffmangel und relevante Regelwerke
Die Sauerstoffüberwachung inertisierter Anlagen kann Bestandteil technischer und organisatorischer Schutzmaßnahmen sein.
19.1 TRGS 720
Die TRGS 720 enthält grundlegende Begriffe und Anforderungen im Zusammenhang mit gefährlichen explosionsfähigen Gemischen.
Dazu gehört auch die Sauerstoffgrenzkonzentration.
19.2 TRGS 722
Die TRGS 722 behandelt Maßnahmen zur Vermeidung oder Einschränkung gefährlicher explosionsfähiger Gemische.
Die Inertisierung ist eine der entsprechenden Maßnahmen.
Für ihre Wirksamkeit müssen die relevanten Prozessgrenzen und Überwachungsmaßnahmen festgelegt werden.
19.3 DIN EN 50104
Die DIN EN 50104:2024-02 beschreibt Anforderungen an das Betriebsverhalten und Prüfverfahren für elektrische Geräte zur Sauerstoffdetektion und -messung innerhalb ihres Anwendungsbereichs.
Ihre Anwendung und die entsprechende Gerätekonformität müssen für die konkrete Gaswarnaufgabe geprüft werden.
19.4 DGUV Regel 113-004
Für Arbeiten in Behältern, Silos und engen Räumen sind die entsprechenden Anforderungen der DGUV Regel 113-004 relevant.
Dazu gehören insbesondere Gefährdungsbeurteilung, Schutzmaßnahmen und erforderliche Verfahren vor dem Betreten.
19.5 Sauerstoffmangel
Eine sauerstoffarme Atmosphäre kann ohne geeignete Messung möglicherweise nicht wahrgenommen werden.
Stickstoff selbst warnt nicht durch einen charakteristischen Geruch vor einer Sauerstoffverdrängung.
19.6 Explosionsschutz und Personenschutz
Ein zur Explosionsvermeidung ausreichend niedriger Sauerstoffgehalt kann gleichzeitig eine lebensgefährliche Atmosphäre für Menschen darstellen.
Die unterschiedlichen Schutzziele dürfen deshalb nicht miteinander verwechselt werden.
19.7 Sicherheitsgerichtete Funktionen
Wenn die Sauerstoffmessung Bestandteil einer sicherheitsgerichteten Funktion ist, müssen die Anforderungen an das gesamte Sicherheitssystem berücksichtigt werden.
Die Eignung eines Sensors allein ist kein Nachweis für die Eignung der gesamten Sicherheitsfunktion.
19.8 Wartung und Prüfgase
Auch bei Arbeiten an Probenahmeleitungen oder Analysatoren können gefährliche Prozessgase oder Sauerstoffmangel auftreten.
Die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen müssen im vorgesehenen Arbeitsverfahren beschrieben sein.
20. Systematischer Prüf- und Inbetriebnahmeablauf
Für eine zuverlässige Sauerstoffmessung in inertisierten Behältern empfiehlt sich ein dokumentierter Prüf- und Inbetriebnahmeablauf.
- Messaufgabe definieren: Prozessinertisierung, Rest-Sauerstoffanalyse oder Personenschutz eindeutig festlegen.
- Gaszusammensetzung erfassen: Prozessgas, Inertgas und mögliche Begleitgase dokumentieren.
- Konzentrationsbereich festlegen: Relevante Sauerstoffwerte in Vol.-% oder ppmv definieren.
- Einheiten kontrollieren: Alle Vorgaben einheitlich und korrekt umrechnen.
- Sicherheitstechnische Grenzen bestimmen: Gegebenenfalls die maßgebliche Sauerstoffgrenzkonzentration und die höchstzulässige Betriebskonzentration anlagenbezogen festlegen.
- Sensorprinzip auswählen: Elektrochemische, paramagnetische oder ZrO₂-Messverfahren auf Eignung prüfen.
- Messbereich auswählen: Die vorgesehene Konzentration innerhalb eines geeigneten Messbereichs erfassen.
- Messunsicherheit bewerten: Erforderliche Genauigkeit und relevante Einflussgrößen berücksichtigen.
- Probenahmestelle festlegen: Eine für die Messaufgabe repräsentative Gasentnahme vorsehen.
- Messgasleitung auswählen: Werkstoffe, Dichtheit, Länge und Permeation berücksichtigen.
- Messgasaufbereitung festlegen: Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und Partikelbelastung prüfen.
- Messgasdurchfluss einstellen: Den vorgeschriebenen Durchfluss entsprechend der Herstelleranleitung sicherstellen.
- Leckprüfung durchführen: Die vollständige Messgasstrecke auf unerwünschten Lufteintritt prüfen.
- Sensoranschluss kontrollieren: Richtige Anschlüsse und zulässige Betriebsbedingungen sicherstellen.
- Nullpunktprüfung vorbereiten: Geeignetes Nullgas mit bekannter Rest-Sauerstoffkonzentration verwenden.
- Empfindlichkeit prüfen: Den Analysator mit einem geeigneten Prüfgas entsprechend dem vorgesehenen Verfahren kontrollieren.
- Analogskalierung einstellen: 4-bis-20-mA-Bereich korrekt auf die Sauerstoffkonzentration abbilden.
- Digitale Werte prüfen: Einheit, Dezimalstellen und Statusinformationen in der Steuerung kontrollieren.
- Alarmgrenzen parametrieren: Schwellen und Alarmrichtung entsprechend dem Schutzkonzept festlegen.
- Messkettenreaktion prüfen: Probenahme, Analysator, Leitsystem und Alarmreaktion gemeinsam bewerten.
- Fehlerreaktion kontrollieren: Das Verhalten bei Messfehler, Überbereich und Ausfall der Probenahme überprüfen.
- Messwertstabilität beurteilen: Werte unter definierten Prozessbedingungen auf Plausibilität prüfen.
- Wartungsplan festlegen: Kalibrierung, Funktionsprüfung und Kontrolle der Probenahme organisieren.
- Dokumentation abschließen: Messbereich, Einheit, Probenahme, Prüfgase, Einstellungen, Ergebnisse und Schutzmaßnahmen festhalten.
Bei einer späteren Änderung des Prozessgases, der Probenahme oder der Sicherheitsanforderungen müssen die betroffenen Einstellungen und Prüfungen erneut bewertet werden.
21. Typische Fehlerbilder und gezielte Diagnose
Fehler in der Sauerstoffmessung können durch Sensorik, Probenahme, Signalübertragung oder ungeeignete Parametrierung entstehen.
| Fehlerbild | Mögliche Ursache | Geeignete Diagnose |
|---|---|---|
| Prozessanzeige 0,0 Vol.-%, obwohl Rest-O₂ vorhanden ist | Unzureichende Auflösung oder ungeeigneter Messbereich | Auflösung, Genauigkeit und erforderlichen ppm-Bereich prüfen |
| Anzeige in ppm deutlich zu hoch | Umgebungsluftleckage oder andere Verunreinigung der Gasprobe | Probenahmesystem auf Dichtheit und Eignung untersuchen |
| Anzeige in ppm schwankt stark | Instabile Gasversorgung, Leckage, ungeeignete Gasförderung oder Sensorproblem | Durchfluss, Gasstrecke, Druck und Messwertverlauf überprüfen |
| Messwert reagiert langsam auf Prozessänderung | Lange Probenahmeleitung, Totvolumina oder langsamer Sensor | Transportvolumen, Durchfluss und Ansprechzeit bewerten |
| Messwert verändert sich nach Zuschalten eines Kühlers | Geänderte Feuchtebasis oder veränderte Gaszusammensetzung | Messgasaufbereitung und Bezug trocken/feucht prüfen |
| Analysator zeigt Überbereich nach Kontakt mit Umgebungsluft | Zu hoher Sauerstoffgehalt für den gewählten ppm-Bereich | Überbereichsverhalten und Herstellerverfahren prüfen |
| SPS zeigt 40 ppmv, Analysator meldet 800 ppmv | Falsche Analogskalierung | Messspanne und Zuordnung zum 4-bis-20-mA-Signal vergleichen |
| Kein Alarm trotz steigender Sauerstoffkonzentration | Falsche Alarmrichtung, Alarmverzögerung oder gestörte Signalkette | Alarmparameter und vollständige Sicherheitskette prüfen |
| Gaswarngerät zeigt 0,0 Vol.-%, ppm-Analysator zeigt mehrere hundert ppmv | Unterschiedliche Messbereiche und Auflösungen | Einheiten, Gerätegenauigkeit und Messstellen vergleichen |
| Nach Kalibrierung weiterhin falsche Prozesswerte | Problem in Probenahme oder Signalübertragung | Vollständige Messkette prüfen |
| Starker Nullpunktfehler bei ppm-Messung | Ungeeignetes Nullgas oder Kontamination | Prüfgasreinheit, Anschlüsse und Nullpunktverfahren kontrollieren |
| Messwert nur bei bestimmter Prozessgaszusammensetzung unplausibel | Querempfindlichkeit oder ungeeignetes Sensorprinzip | Herstellerangaben und Zusammensetzung des Messgases prüfen |
| Alarmmeldung ohne gültigen Konzentrationswert | Gerätefehler, Unterbrechung oder fehlerhafte Probenahme | Gerätestatus und definierte Fehlerreaktion überprüfen |
| Prozessbehälter inertisiert, aber Arbeitsbereich nicht sicher | Inertgasaustritt oder unzureichende Bereichsüberwachung | Personenschutzkonzept und örtliche Gaswarntechnik bewerten |
Die aufgeführten Ursachen sind mögliche Diagnoseansätze und keine eindeutigen Fehlernachweise.
Bei sicherheitsrelevanten Abweichungen müssen die vorgesehenen Maßnahmen entsprechend dem Anlagen- und Schutzkonzept durchgeführt werden.
22. Passende ICS-Produkte für Sauerstoffmessung und Gaswarntechnik
ICS Schneider Messtechnik bietet verschiedene Sauerstoffanalysatoren, tragbare Gaswarngeräte, stationäre Gasdetektoren und Gaswarnzentralen an.
Die geeignete Produktauswahl richtet sich insbesondere danach, ob Sauerstoff im Prozentbereich, im ppm-Bereich oder zur Überwachung der Atematmosphäre gemessen werden soll.
22.1 Siemens OXYMAT 64 – Spurensauerstoffanalysator
Der Siemens OXYMAT 64 ist ein Sauerstoffanalysator für die Messung kleiner Restsauerstoffkonzentrationen.
Er arbeitet mit Zirkoniumdioxid-Sensoren und ist für entsprechende Spurensauerstoffanwendungen vorgesehen.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Messung von Sauerstoff im niedrigen ppm-Bereich.
- Kleinster Messbereich von 0 bis 10 ppmv.
- Zirkoniumdioxid-Messprinzip.
- Beheiztes keramisches Sensorelement.
- Hohe Linearität innerhalb der spezifizierten Betriebsbedingungen.
- Unterschiedliche Sensorvarianten für geeignete Anwendungen.
- Kompakte 19-Zoll-Einschubbauform.
- Digitale Schnittstellenoptionen.
Der OXYMAT 64 ist insbesondere interessant, wenn sehr niedrige Sauerstoffkonzentrationen in technischen Gasen nachgewiesen werden müssen.
Typische Anwendungen umfassen technische Gasherstellung, Schutzgasprozesse und weitere industrielle Reinheitsüberwachungen.
Bei der Geräteauswahl müssen die Gaszusammensetzung und insbesondere mögliche brennbare Begleitkomponenten berücksichtigt werden.
Der OXYMAT 64 ist ein Prozessanalysator und kein gewöhnliches tragbares Personenschutz-Gaswarngerät.
Weitere Informationen: Siemens OXYMAT 64 bei ICS Schneider Messtechnik
22.2 Siemens SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 – Paramagnetische Sauerstoffmessung
Das Siemens SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 Modul ist für industrielle Sauerstoffmessaufgaben vorgesehen.
Es arbeitet nach dem paramagnetischen Wechseldruckprinzip.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Messung von Sauerstoff nach dem paramagnetischen Messprinzip.
- Kleinster Messbereich von 0 bis 0,5 Vol.-%.
- Entsprechende Nutzung in der GA700-Geräteplattform.
- Unterschiedliche Gehäuse- und Geräteausführungen.
- Digitale Bedien- und Diagnosefunktionen.
- Erschütterungskompensation.
- Für entsprechende Anwendungen eine kurze Ansprechzeit der Analysatoreinheit.
- Kombinationsmöglichkeiten mit geeigneten GA700-Modulen.
Ein Messbereich von 0 bis 0,5 Vol.-% entspricht 0 bis 5.000 ppmv.
Dies beschreibt die Spanne, nicht die erreichbare Messunsicherheit im unteren ppm-Bereich.
Der OXYMAT 7 kann für geeignete industrielle Prozessmessungen im Prozentbereich eingesetzt werden.
Wenn eine Restkonzentration von nur wenigen ppmv zuverlässig bestimmt werden muss, sollte die Eignung eines dafür vorgesehenen Spurensauerstoffanalysators geprüft werden.
Weitere Informationen: Siemens SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 bei ICS Schneider Messtechnik
22.3 Siemens OXYMAT 61 – Sauerstoffmessung für Standardanwendungen
Der Siemens OXYMAT 61 ist ein Sauerstoffanalysator für industrielle Standardanwendungen.
Er nutzt das paramagnetische Wechseldruckverfahren.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Paramagnetische Sauerstoffmessung.
- Messbereiche von 0 bis 2 Vol.-% bis 0 bis 100 Vol.-%.
- Umgebungsluft beziehungsweise geeignetes Vergleichsgas als Referenz.
- Optionale integrierte Vergleichsgasförderung.
- Hohe Linearität.
- 19-Zoll-Einschubgehäuse.
- Industrielle Schnittstellenoptionen.
Der OXYMAT 61 ist für geeignete Prozentbereichsmessungen interessant.
Er darf jedoch nicht mit einem speziell für wenige ppmv ausgelegten Spurensauerstoffanalysator gleichgesetzt werden.
Die Eignung für die konkrete Inertisierungsüberwachung muss anhand der erforderlichen Messunsicherheit und Betriebsbedingungen geprüft werden.
Weitere Informationen: Siemens OXYMAT 61 bei ICS Schneider Messtechnik
22.4 Crowcon Xgard Bright – Stationärer Sauerstoff-Gasdetektor
Der Crowcon Xgard Bright ist ein stationärer Gasdetektor, der in geeigneten Sensorausführungen auch zur Sauerstoffüberwachung eingesetzt werden kann.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Stationäre Gasdetektion für industrielle Anwendungen.
- Sauerstoff-Sensorausführungen.
- Typischer O₂-Messbereich von 0 bis 25 Vol.-% in der entsprechenden Variante.
- Display zur lokalen Anzeige.
- Industrielle Signal- und Kommunikationsoptionen.
- Geeignete Ausführungen für explosionsgefährdete Bereiche.
- Konfigurierbare Alarme je nach System.
Das Gerät ist insbesondere für die stationäre Überwachung von Sauerstoffmangel oder -anreicherung in geeigneten Bereichen interessant.
Der Sauerstoff-Messbereich einer entsprechenden Gaswarnsensorvariante ist nicht automatisch für die quantitative Rest-O₂-Messung bei wenigen hundert ppmv geeignet.
Weitere Informationen: Crowcon Xgard Bright bei ICS Schneider Messtechnik
22.5 Crowcon Gas-Pro TK – Tragbares Gerät für Tanküberprüfung
Der Crowcon Gas-Pro TK ist ein tragbarer Mehrgasdetektor, der speziell für bestimmte Tanküberprüfungsanwendungen entwickelt wurde.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Geeignet für bestimmte Tankkontrollen und Pre-Entry-Aufgaben.
- Messung ausgewählter brennbarer Gase.
- Überwachung von Sauerstoff in entsprechender Sensorkonfiguration.
- Besondere Betriebsfunktionen für Tanküberprüfungen.
- Probenahme mit geeignetem Zubehör.
- Unterschiedliche Messbereiche für entsprechende Gasaufgaben.
- Verwendung als persönlicher Gasdetektor in geeigneten Betriebsarten.
Bei diesem Gerät ist besonders wichtig, den aktiven Betriebsmodus und den jeweiligen Alarmzustand zu kontrollieren.
Ein Tankprüfmodus mit deaktivierten Alarmen ist nicht mit dem normalen persönlichen Gaswarnbetrieb gleichzusetzen.
Der Gas-Pro TK ersetzt außerdem keinen speziell für wenige ppmv ausgelegten Spurensauerstoffanalysator.
Weitere Informationen: Crowcon Gas-Pro TK bei ICS Schneider Messtechnik
22.6 Crowcon DuoIQ – Tragbares Zweigas-Warngerät
Das Crowcon DuoIQ ist ein tragbares Gaswarngerät zur Überwachung von zwei geeigneten Gasgefahren.
Es ist unter anderem mit einer Sauerstoffsensorvariante verfügbar.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Kompakte tragbare Bauform.
- Überwachung von zwei Gasgefahren.
- Sauerstoffmessbereich von 0 bis 25 Vol.-% in entsprechender Ausführung.
- Auflösung von 0,1 Vol.-% für O₂.
- Akustische, optische und Vibrationsalarme.
- Robuste Gehäusekonstruktion.
- Digitale Konnektivität.
- Unterstützung geeigneter automatischer Prüfverfahren.
Das DuoIQ eignet sich für entsprechende Aufgaben des persönlichen Gaswarnschutzes.
Eine Sauerstoffanzeige mit 0,1 Vol.-% Auflösung ist jedoch nicht ausreichend, um allein daraus die Einhaltung enger Rest-O₂-Grenzen im unteren ppm-Bereich nachzuweisen.
Weitere Informationen: Crowcon DuoIQ bei ICS Schneider Messtechnik
22.7 Crowcon Gasmaster – Gaswarnzentrale für stationäre Messstellen
Die Crowcon Gasmaster Gaswarnzentrale dient der Auswertung geeigneter stationärer Gasdetektoren.
Sie kann abhängig von der Ausführung verschiedene Gaswarnkanäle verarbeiten.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Modularer Aufbau.
- Auswertung geeigneter Gasmesssignale.
- Lokale Anzeige der angeschlossenen Messkanäle.
- Konfigurierbare Warn- und Störungsfunktionen.
- Relaisausgänge zur Anbindung an weitere Systeme.
- Integration in industrielle Gaswarnanlagen.
Der Gasmaster kann zur zentralen Überwachung geeigneter Sauerstoff-Gasdetektoren eingesetzt werden.
Die Zentrale selbst ersetzt keinen O₂-Sensor und erweitert nicht automatisch dessen Messgenauigkeit oder Messbereich.
Für sicherheitsbezogene Anwendungen ist die Eignung der gesamten Gaswarn- beziehungsweise Sicherheitsfunktion zu bewerten.
Weitere Informationen: Crowcon Gasmaster bei ICS Schneider Messtechnik
22.8 Crowcon IQhub – Automatische Funktionsprüfung und Kalibrierung
Der Crowcon IQhub ist eine automatische Prüf- und Kalibrierstation für kompatible tragbare Crowcon-Gaswarngeräte.
Zu den dokumentierten Eigenschaften gehören:
- Automatisierte Bump-Tests.
- Automatisierte Kalibrierabläufe.
- Unterstützung verschiedener geeigneter Prüfgase einschließlich Sauerstoff.
- Verwaltung kompatibler tragbarer Gaswarngeräte.
- Dokumentation von Prüf- und Kalibrierinformationen.
- Digitale Schnittstellen zur Datenübertragung.
Der IQhub kann ein standardisiertes Prüfkonzept für geeignete persönliche Gaswarngeräte unterstützen.
Er ist jedoch nicht als allgemeine Kalibrierstation für beliebige industrielle Spurensauerstoffanalysatoren zu betrachten.
Die Gerätekompatibilität und die vorgesehenen Prüfgase müssen vor der Auswahl geprüft werden.
Weitere Informationen: Crowcon IQhub bei ICS Schneider Messtechnik
22.9 Auswahl einer geeigneten Sauerstoff-Messkette
Für eine technische Anfrage sollten mindestens folgende Informationen vorliegen:
- Messaufgabe: Prozessinertisierung, Produktqualität oder Personenschutz.
- Prozessgas und Inertgas.
- Bekannte brennbare und weitere Begleitkomponenten.
- Normaler Sauerstoffgehalt.
- Maximal zu erwartender Sauerstoffgehalt.
- Erforderlicher Messbereich in Vol.-% oder ppmv.
- Erforderliche Messunsicherheit.
- Prozessdruck.
- Prozesstemperatur.
- Feuchtigkeit und Kondensationsverhalten.
- Messung auf trockener oder feuchter Gasbasis.
- Art und Position der Probenahme.
- Erforderliche Probenahmeleitung.
- Verfügbarer Messgasdurchfluss.
- Benötigte Gesamtansprechzeit.
- Alarm- beziehungsweise Überwachungsanforderungen.
- Erforderliche Schnittstellen zum Leitsystem.
- Vorgesehene Funktionsprüfung und Kalibrierung.
- Gegebenenfalls notwendige Ex- und Sicherheitszulassungen.
- Dokumentations- und Wartungsanforderungen.
Mit diesen Angaben kann beurteilt werden, ob ein Sauerstoffanalysator für den Prozentbereich, ein Spurensauerstoffanalysator oder ein entsprechendes Gaswarngerät erforderlich ist.
Wenn unterschiedliche Schutz- und Messaufgaben gleichzeitig bestehen, können mehrere getrennte Messsysteme notwendig sein.
Zur Gasmess- und Gaswarntechnik bei ICS Schneider Messtechnik
23. Fazit: Messbereich und Sicherheitsaufgabe müssen zusammenpassen
Die Sauerstoffmessung in inertisierten Behältern ist eine wichtige Aufgabe der industriellen Gasanalytik und Prozessüberwachung.
Die Messwerte dienen je nach Anwendung der Überwachung einer Inertisierungsmaßnahme, der Sicherstellung einer bestimmten Produktqualität oder der Erkennung gefährlicher Sauerstoffkonzentrationen.
Die Anforderungen an Messbereich, Sensorprinzip, Genauigkeit und Alarmierung können sich dabei erheblich unterscheiden.
Eine der häufigsten Fehlerquellen ist die Verwechslung von Volumenprozent und ppmv.
Ein Sauerstoffgehalt von 1 Vol.-% entspricht 10.000 ppmv. Bereits 0,1 Vol.-% entsprechen 1.000 ppmv.
Ein Messwert im unteren Prozentbereich ist daher nicht automatisch gleichbedeutend mit einer sehr geringen Sauerstoffkonzentration im ppm-Bereich.
Ebenso wichtig ist die Unterscheidung zwischen Anzeigeauflösung, Messunsicherheit und dem tatsächlich nachweisbaren Konzentrationsbereich.
Ein Gaswarngerät mit einer Auflösung von 0,1 Vol.-% kann nicht allein aufgrund seiner Anzeige zur zuverlässigen quantitativen Bestimmung weniger hundert ppmv verwendet werden.
Für entsprechende Rest-Sauerstoffanforderungen kann ein dafür ausgelegter Spurensauerstoffanalysator erforderlich sein.
Bei ICS Schneider Messtechnik stehen hierfür beispielsweise unterschiedliche Siemens-OXYMAT-Systeme zur Verfügung.
Der OXYMAT 64 ist insbesondere für niedrige ppm-Konzentrationen vorgesehen, während OXYMAT 7 und OXYMAT 61 geeignete Anwendungen im Prozentbereich abdecken.
Die Produktauswahl muss jedoch auf den konkreten Messbereich und die Gaszusammensetzung abgestimmt werden.
Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Probenahme.
Besonders bei ppm-Messungen können geringe Undichtheiten, ungeeignete Leitungswerkstoffe oder Verunreinigungen der Gasprobe erhebliche Abweichungen verursachen.
Das Rechenbeispiel zeigt, dass bereits eine angenommene Umgebungsluftleckage von 1 ml/min bei einem Prozessgasstrom von 500 ml/min die Sauerstoffkonzentration von 800 ppmv auf ungefähr 1.216 ppmv erhöhen kann.
Eine solche Abweichung entsteht nicht zwangsläufig durch einen fehlerhaften Analysator, sondern kann vollständig auf die Probenahme zurückzuführen sein.
Zusätzlich müssen die Ansprechzeit des Sensors und die Transportverzögerung der Messgasleitung berücksichtigt werden.
Eine präzise, aber langsame Messung kann für eine schnell erforderliche Schutzreaktion ungeeignet sein.
Für die Inertisierung darf außerdem keine allgemeingültige Sauerstoffgrenze angenommen werden.
Die maßgebliche höchstzulässige Sauerstoffkonzentration hängt unter anderem vom brennbaren Stoff, Inertgas, Druck und der Temperatur ab.
Die Überwachungs- und Alarmgrenzen müssen deshalb aus dem konkreten Sicherheitskonzept abgeleitet werden.
Die Prozessüberwachung ist zudem klar vom Personenschutz zu unterscheiden.
Ein innerhalb des Behälters ordnungsgemäß reduzierter Sauerstoffgehalt kann für Menschen lebensgefährlich sein.
Tragbare und stationäre Sauerstoffwarngeräte für Arbeitsbereiche erfüllen daher eine andere Aufgabe als industrielle Spurensauerstoffanalysatoren.
Schließlich müssen Kalibrierung, Bump-Test und vollständige Funktionsprüfung unterschieden werden.
Eine erfolgreiche Sensorprüfung sagt nicht automatisch aus, dass die gesamte Probenahmeleitung dicht ist oder eine angeschlossene Sicherheitsfunktion korrekt reagiert.
Die zuverlässige Sauerstoffmessung entsteht erst durch die geeignete Kombination aus Messprinzip, Messbereich, Probenahme, Signalverarbeitung, Alarmierung und regelmäßiger Prüfung.
Die entscheidende Erkenntnis lautet: Bei Sauerstoffmessungen in inertisierten Behältern dürfen Prozentbereich und ppm-Bereich niemals ohne korrekte Umrechnung gleichgesetzt werden. Ebenso wenig darf ein gewöhnliches Sauerstoffwarngerät automatisch als Spurensauerstoffanalysator oder ein Prozessanalysator als Personenschutzgerät betrachtet werden. Nur eine auf die konkrete Mess- und Sicherheitsaufgabe abgestimmte vollständige Messkette ermöglicht zuverlässige Ergebnisse.
24. Häufig gestellte Fragen zur Sauerstoffmessung in inertisierten Behältern
24.1 Warum wird der Sauerstoffgehalt in inertisierten Behältern gemessen?
Der Sauerstoffgehalt wird je nach Anwendung zur Überwachung der Inertisierung, zur Kontrolle einer definierten Prozessatmosphäre oder zur Sicherstellung der Produktqualität gemessen. Bei bestimmten Anlagen dient die Überwachung außerdem der Beurteilung der Wirksamkeit einer Explosionsschutzmaßnahme. Messbereich und Alarmierung müssen zur jeweiligen Aufgabe passen.
24.2 Was ist der Unterschied zwischen Vol.-% und ppm bei Sauerstoff?
Volumenprozent beschreibt den Sauerstoffanteil in Hundertsteln des betrachteten Gasgemischs. ppmv beschreibt den Anteil in Millionsteln. Ein Volumenprozent entspricht 10.000 ppmv. Beide Einheiten beschreiben einen Konzentrationsanteil, unterscheiden sich jedoch um den Faktor 10.000.
24.3 Wie viel ppm Sauerstoff entsprechen 1 Vol.-%?
1 Vol.-% Sauerstoff entspricht 10.000 ppmv. Die Umrechnung erfolgt durch Multiplikation des Prozentwerts mit 10.000. Umgekehrt wird ein ppmv-Wert durch 10.000 geteilt, um die Konzentration in Volumenprozent zu erhalten.
24.4 Wie viel Volumenprozent entsprechen 500 ppm Sauerstoff?
500 ppmv Sauerstoff entsprechen 0,05 Vol.-%. Dafür wird die Konzentration von 500 ppmv durch 10.000 geteilt. Dieser Wert ist wesentlich kleiner als 0,5 Vol.-%, was bereits 5.000 ppmv entspricht.
24.5 Ist ein Gaswarngerät mit 0 bis 25 Vol.-% für eine ppm-Messung geeignet?
Nicht automatisch. Ein Gerät mit diesem Messbereich kann für die Überwachung des Sauerstoffgehalts in der Atematmosphäre geeignet sein. Die präzise Messung kleiner Restkonzentrationen von beispielsweise 100 oder 500 ppmv erfordert jedoch eine entsprechende Messgenauigkeit, Auflösung und Nachweisfähigkeit. Dafür kann ein spezieller Spurensauerstoffanalysator notwendig sein.
24.6 Bedeutet eine Anzeige von 0,0 Vol.-%, dass kein Sauerstoff vorhanden ist?
Nein. Eine Anzeige von 0,0 Vol.-% kann lediglich bedeuten, dass die Konzentration innerhalb der Anzeigeauflösung beziehungsweise Rundung keinen höheren Wert ergibt. Der tatsächliche Sauerstoffgehalt kann dennoch deutlich über null liegen. Für die Bewertung sind Messbereich, Auflösung, Messunsicherheit und Nachweisgrenze maßgeblich.
24.7 Welcher Sauerstoffgehalt ist für eine sichere Inertisierung erforderlich?
Es gibt keinen allgemeingültigen Grenzwert für alle Anwendungen. Die erforderliche Konzentration hängt unter anderem vom brennbaren Stoff, Inertgas, Druck und der Temperatur ab. Die maßgebliche Sauerstoffgrenzkonzentration und der höchstzulässige Betriebswert müssen anhand des konkreten Explosionsschutzkonzepts festgelegt werden.
24.8 Kann ein Sauerstoffsensor durch Stickstoff beschädigt werden?
Ob eine bestimmte Stickstoffatmosphäre Auswirkungen auf einen Sensor hat, hängt von dessen Messprinzip und Ausführung ab. Viele Sauerstoffmesssysteme sind ausdrücklich für stickstoffhaltige beziehungsweise sauerstoffarme Prozessgase vorgesehen. Die zulässigen Betriebsbedingungen und das Verhalten bei langer Exposition gegenüber sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationen müssen jedoch anhand der Herstellerunterlagen überprüft werden.
24.9 Warum zeigt ein ppm-Sauerstoffanalysator plötzlich zu hohe Werte?
Eine mögliche Ursache ist Umgebungsluft, die durch eine Undichtheit in die Probenahme gelangt. Weitere Ursachen können ungeeignete Leitungswerkstoffe, Verunreinigungen, geänderte Gaszusammensetzung oder Sensorfehler sein. Bei niedrigen ppm-Konzentrationen können bereits geringe Leckagen erhebliche Messabweichungen verursachen.
24.10 Wie wichtig ist die Dichtheit der Probenahmeleitung?
Sie ist besonders wichtig. Umgebungsluft enthält ungefähr 209.000 ppmv Sauerstoff. Wenn nur geringe Mengen Luft in eine sauerstoffarme Prozessgasprobe eindringen, kann die angezeigte Restkonzentration deutlich ansteigen. Deshalb muss die vollständige Messgasstrecke entsprechend der geforderten Messunsicherheit auf Dichtheit und Eignung geprüft werden.
24.11 Welche Sensorprinzipien eignen sich für Spurensauerstoff?
Für entsprechende Anwendungen stehen unter anderem spezielle elektrochemische und Zirkoniumdioxid-basierte Sauerstoffanalysatoren zur Verfügung. Der Siemens OXYMAT 64 verwendet beispielsweise ein Zirkoniumdioxid-Messverfahren und bietet Messbereiche bis hinunter zu 0 bis 10 ppmv. Die konkrete Eignung hängt von Gaszusammensetzung, Messbereich und Prozessbedingungen ab.
24.12 Was ist der Unterschied zwischen OXYMAT 7 und OXYMAT 64?
Der Siemens OXYMAT 7 arbeitet nach einem paramagnetischen Messverfahren und bietet unter anderem einen kleinsten Messbereich von 0 bis 0,5 Vol.-%. Der OXYMAT 64 arbeitet mit Zirkoniumdioxid-Sensoren und ist speziell für Spurensauerstoffanwendungen mit Messbereichen bis hinunter zu 0 bis 10 ppmv vorgesehen. Die Geräte erfüllen damit unterschiedliche messtechnische Anforderungen.
24.13 Warum ist die Messgasförderung für die Sauerstoffmessung wichtig?
Bei einer extraktiven Messung muss die Gasprobe vom Prozessanschluss bis zum Analysator transportiert werden. Messgasdurchfluss, Leitungslänge, Totvolumina und Sensoransprechzeit bestimmen gemeinsam die zeitliche Reaktion. Ein zu geringer Durchfluss kann den Gasaustausch verzögern. Die vom Hersteller vorgegebenen Durchflussbedingungen müssen eingehalten werden.
24.14 Kann der Sauerstoffgehalt im Behälter von der Messung an einer Stelle abweichen?
Ja. Bei unvollständiger Durchmischung, Toträumen oder örtlichen Lufteintritten können unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen entstehen. Eine einzelne Probenahmestelle ist deshalb nicht automatisch repräsentativ für das gesamte Behältervolumen. Die Messstellenanordnung muss zur Behältergeometrie und zur vorgesehenen Überwachungsaufgabe passen.
24.15 Was ist der Unterschied zwischen Bump-Test und Kalibrierung?
Ein Bump-Test überprüft, ob ein Gaswarngerät auf eine geeignete Gasbeaufschlagung reagiert und die vorgesehenen Funktionen auslöst. Bei einer Kalibrierung werden Messwerte mit geeigneten Referenzkonzentrationen verglichen und die Abweichungen dokumentiert. Eine Justierung verändert gegebenenfalls die Gerätekennlinie. Diese Vorgänge erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
24.16 Darf ein ppm-Sauerstoffanalysator zur Freimessung eines Behälters verwendet werden?
Ein Spurensauerstoffanalysator ist nicht automatisch für das Freimessen eines Behälters oder für den persönlichen Gaswarnschutz geeignet. Für entsprechende Arbeiten müssen geeignete Messgeräte und Verfahren nach der Gefährdungsbeurteilung eingesetzt werden. Auch weitere Gefahren durch brennbare oder toxische Gase müssen berücksichtigt werden.
24.17 Welche Rolle spielt die DIN EN 50104 bei der Sauerstoffmessung?
Die DIN EN 50104 beschreibt Anforderungen an das Betriebsverhalten und Prüfverfahren elektrischer Geräte zur Sauerstoffdetektion und -messung innerhalb ihres Geltungsbereichs. Sie ist insbesondere für geeignete Sauerstoff-Gaswarngeräte relevant. Ob ein konkretes Gerät und die vorgesehene Anwendung die Anforderungen erfüllen, muss anhand der entsprechenden Hersteller- und Zulassungsunterlagen geprüft werden.
24.18 Welches Messgerät eignet sich für Sauerstoffmessungen in inertisierten Behältern?
Das hängt von Messbereich und Schutzaufgabe ab. Für niedrige Rest-Sauerstoffkonzentrationen kann beispielsweise der Siemens OXYMAT 64 infrage kommen. Für geeignete Prozessmessungen im Prozentbereich stehen unter anderem OXYMAT 7 und OXYMAT 61 zur Verfügung. Für stationäre oder tragbare Gaswarnaufgaben kommen entsprechende Crowcon-Geräte infrage. Die endgültige Auswahl muss Gaszusammensetzung, Probenahme, Messunsicherheit, Ansprechzeit und Sicherheitsanforderungen berücksichtigen.