PID-Gasmessgerät für VOC einsetzen: Ionisationsenergie und Korrekturfaktoren richtig verstehen

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Ein PID-Gasmessgerät zeigt beispielsweise einen Messwert von 50 ppm VOC an. Auf den ersten Blick wirkt diese Anzeige eindeutig. In der Praxis stellt sich jedoch sofort die entscheidende Frage: Bedeutet dieser Wert tatsächlich 50 ppm Toluol, 50 ppm Benzol, 50 ppm n-Hexan oder lediglich eine auf das verwendete Kalibriergas bezogene Sensorreaktion?

In vielen Fällen ist die Antwort deutlich komplexer. Ein Photoionisationsdetektor, kurz PID, reagiert auf zahlreiche flüchtige organische Verbindungen, allerdings nicht auf jeden Stoff und auch nicht auf alle detektierbaren Stoffe gleich stark. Entscheidend sind insbesondere die Energie der eingesetzten UV-Lampe, die Ionisationsenergie des Zielstoffes und die relative Empfindlichkeit des konkreten PID-Sensors gegenüber dieser Verbindung.

Viele tragbare PID-Geräte werden mit Isobutylen kalibriert. Wird anschließend beispielsweise Toluol, Benzol oder n-Hexan gemessen, zeigt der Sensor zunächst eine Reaktion, die auf diese Isobutylen-Kalibrierung bezogen ist. Soll daraus eine Konzentration des bekannten Zielstoffes abgeleitet werden, muss je nach Gerät ein Korrektur- beziehungsweise Response Factor berücksichtigt werden. Derselbe angezeigte Rohwert kann dadurch je nach Stoff einer deutlich unterschiedlichen tatsächlichen Konzentration entsprechen.

Gleichzeitig darf ein Korrekturfaktor nicht mit Selektivität verwechselt werden. Wird im Gerätemenü beispielsweise „Toluol“ ausgewählt, bedeutet das normalerweise lediglich, dass die PID-Reaktion mit dem hinterlegten Faktor für Toluol umgerechnet wird. Der Sensor erkennt dadurch nicht plötzlich ausschließlich Toluol. Befinden sich mehrere ionisierbare VOC gleichzeitig in der Atmosphäre, tragen sie gemeinsam zum Sensorsignal bei.

Auch die Auswahl der Lampe ist nicht nur eine Frage von „mehr Energie ist besser“. Eine 10,6-eV-Lampe kann zahlreiche industriell relevante VOC erfassen und ist deshalb in tragbaren Gasmessgeräten weit verbreitet. Stoffe mit einer höheren Ionisationsenergie als die verfügbare Photonenenergie werden dagegen nicht oder nicht ausreichend ionisiert. Gleichzeitig sagt die Lampenenergie noch nichts darüber aus, wie stark der Sensor auf einen grundsätzlich messbaren Stoff reagiert.

Für eine sicherheitsrelevante Messung müssen deshalb Zielstoffe, Lampenenergie, Korrekturfaktoren, Konzentrationsbereich, Probenahme, Feuchtigkeit und die konkrete Messaufgabe gemeinsam betrachtet werden. Besonders wichtig ist außerdem die Frage, ob ein einzelner bekannter Stoff oder ein wechselndes beziehungsweise unbekanntes Gasgemisch vorliegt.

Ein PID ist ein sehr empfindliches Messverfahren für zahlreiche VOC, aber kein universeller Stoffanalysator. Eine PID-Anzeige kann nur dann richtig interpretiert werden, wenn bekannt ist, welche Stoffe auftreten können, ob sie mit der eingesetzten Lampe ionisierbar sind und wie das konkrete Gerät seine Messwerte beziehungsweise Korrekturfaktoren verarbeitet.

Wie funktioniert ein Photoionisationsdetektor?

Ein Photoionisationsdetektor nutzt ultraviolettes Licht, um geeignete Gasmoleküle vorübergehend zu ionisieren. Vereinfacht lässt sich der physikalische Vorgang als M + hν → M+ + e− darstellen. Dabei steht M für das zu messende Molekül, hν für die Energie des UV-Photons, M+ für das positiv geladene Ion und e− für das freigesetzte Elektron.

Die erzeugten Ionen und Elektronen werden innerhalb des Sensors durch ein elektrisches Feld erfasst. Aus dem daraus entstehenden sehr kleinen elektrischen Strom erzeugt die Elektronik ein Konzentrationssignal. Der Stoff wird dabei nicht wie bei einer katalytischen Verbrennung dauerhaft umgesetzt. Ion und Elektron können sich nach der Messung wieder vereinigen.

Ob überhaupt ein verwertbares Signal entsteht, hängt zunächst davon ab, ob die Photonenenergie der eingesetzten UV-Lampe hoch genug ist, um das betreffende Molekül zu ionisieren. Genau deshalb ist die Lampenenergie eine der wichtigsten technischen Angaben bei der Auswahl eines PID-Gasmessgerätes.

Was bedeutet 10,6 eV bei einem PID?

Die Angabe 10,6 eV beschreibt nicht den Konzentrationsmessbereich des Gerätes. Sie gibt die Photonenenergie der eingesetzten UV-Lampe an. Die Einheit eV steht für Elektronenvolt. Bei vielen tragbaren PID-Gasmessgeräten hat sich die 10,6-eV-Lampe als häufig verwendete Ausführung etabliert, weil sie zahlreiche industriell relevante VOC erfassen kann.

Je nach PID-System existieren auch Lampen mit anderen Energien, beispielsweise 10,0 eV oder 11,7 eV. Grundsätzlich erweitert eine höhere Lampenenergie die Zahl der Stoffe, die prinzipiell ionisiert werden können. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass die Messung dadurch für jede Anwendung besser wird. Eine höhere Lampenenergie kann auch dazu führen, dass weitere Begleitstoffe zum Messsignal beitragen.

Die Auswahl sollte deshalb immer anhand der tatsächlich möglichen Stoffe erfolgen und nicht allein nach dem Prinzip, die höchstmögliche Lampenenergie zu verwenden.

Lampenenergie und Ionisationsenergie richtig vergleichen

Jeder Stoff benötigt eine bestimmte Mindestenergie, um ein Elektron aus seinem Molekül zu lösen. Diese Stoffeigenschaft wird als Ionisationsenergie beziehungsweise häufig als Ionisationspotential bezeichnet. Für eine erste Bewertung muss die Photonenenergie der PID-Lampe ausreichend hoch sein, um diese Schwelle zu überwinden.

Besitzt ein Stoff beispielsweise ein Ionisationspotential von 9,24 eV und wird eine 10,6-eV-Lampe eingesetzt, liegt die verfügbare Photonenenergie oberhalb der erforderlichen Ionisationsenergie. Der Stoff kann daher grundsätzlich ionisiert und mit dem PID detektiert werden. Liegt das Ionisationspotential dagegen oberhalb der Lampenenergie, entsteht normalerweise kein verwertbares PID-Signal.

Stoff / Stoffgruppe	Verhalten bei 10,6-eV-PID	Praktische Bedeutung
Benzol, Toluol, Xylol	grundsätzlich detektierbar	typische aromatische VOC
Aceton, Ethylacetat, Styrol	grundsätzlich detektierbar	häufige Lösungsmittel beziehungsweise Prozessstoffe
n-Hexan	grundsätzlich detektierbar	Sensorreaktion kann deutlich von Isobutylen abweichen
Methan	mit üblicher 10,6-eV-Lampe nicht ausreichend detektierbar	PID ersetzt keine Messung brennbarer Gase
Sauerstoff / Stickstoff / Kohlendioxid	nicht als normale PID-Zielgase erfasst	andere Sensorprinzipien erforderlich

Die Tabelle zeigt gleichzeitig eine wichtige Grenze des Messprinzips. Ein PID erkennt nicht automatisch „alle Gase“ und auch nicht jeden Stoff, der umgangssprachlich als VOC bezeichnet wird. Vor der Geräteauswahl muss daher eine Stoffliste aus Prozess und Gefährdungsbeurteilung vorliegen.

Welche Stoffe kann ein 10,6-eV-PID messen?

Eine 10,6-eV-Lampe kann zahlreiche flüchtige organische Verbindungen erfassen. Dazu gehören beispielsweise viele Aromaten, Lösungsmittel, Ketone, Ester, Alkohole, Aldehyde, bestimmte Kohlenwasserstoffe sowie verschiedene schwefel- oder stickstoffhaltige Verbindungen. Typische industrielle Zielstoffe sind unter anderem Benzol, Toluol, Xylol, Aceton, n-Hexan, Ethylacetat, Styrol und Trichlorethylen.

Allerdings bedeutet „detektierbar“ noch nicht, dass diese Stoffe bei gleicher tatsächlicher Konzentration denselben Anzeigewert erzeugen. Genau diese unterschiedliche Sensorreaktion wird später über den jeweiligen Response- beziehungsweise Korrekturfaktor berücksichtigt.

Darüber hinaus können auch bestimmte Stoffe außerhalb der klassischen VOC-Einteilung auf einen PID reagieren. Die Bezeichnung „VOC-Sensor“ beschreibt deshalb hauptsächlich die typische Anwendung, nicht eine streng abgegrenzte Liste aller möglichen Stoffe.

Welche Stoffe erkennt ein PID nicht?

Ein häufiger Fehler besteht darin, einen PID als universellen Gassensor zu betrachten. Zahlreiche sicherheitsrelevante Gase besitzen jedoch eine Ionisationsenergie oberhalb der verfügbaren Lampenenergie und werden deshalb von einem üblichen 10,6-eV-PID nicht ausreichend erfasst.

Besonders wichtig ist dabei Methan. Ein PID-Messwert von 0 ppm VOC bedeutet deshalb keinesfalls automatisch, dass keine brennbaren Gase vorhanden sind. Auch Sauerstoffmangel oder hohe Kohlendioxidkonzentrationen lassen sich aus einem PID-Wert nicht ableiten.

Für eine vollständige Sicherheitsbewertung müssen daher je nach Gefährdung zusätzliche geeignete Sensorprinzipien verwendet werden. Ein PID ergänzt ein Mehrgas-Messkonzept, ersetzt es aber nicht.

Warum wird häufig mit Isobutylen kalibriert?

Da ein PID auf verschiedene Stoffe unterschiedlich stark reagiert, wird für die Kalibrierung ein definierter Referenzstoff benötigt. Sehr häufig wird dafür Isobutylen eingesetzt. Das Gerät wird einer bekannten Isobutylenkonzentration ausgesetzt und ordnet die dabei erzeugte Sensorreaktion einem entsprechenden ppm-Wert zu.

Wird anschließend ein anderer Stoff gemessen, kann dessen tatsächliche Konzentration trotz identischem Sensorsignal deutlich von der Isobutylenkonzentration abweichen. Manche Stoffe erzeugen eine stärkere, andere eine schwächere PID-Reaktion. Der Korrekturfaktor beschreibt dieses Verhältnis.

Der auf dem Display sichtbare Wert muss deshalb immer im Zusammenhang mit der Gerätekonfiguration betrachtet werden. Ein modernes Gerät kann den hinterlegten Faktor bereits automatisch anwenden und beispielsweise direkt einen berechneten Toluolwert anzeigen. Andere Geräte zeigen dagegen weiterhin Isobutylen-Äquivalente an.

Was ist ein PID-Korrekturfaktor?

Der Korrekturfaktor, häufig auch Correction Factor oder Response Factor genannt, beschreibt die relative PID-Empfindlichkeit für einen bestimmten Stoff im Vergleich zum verwendeten Kalibriergas. Bei einem mit Isobutylen kalibrierten PID wird bei einer häufig verwendeten Definition die Zielstoffkonzentration vereinfacht aus cZielstoff = PID-Anzeige × Korrekturfaktor bestimmt.

Für Isobutylen selbst beträgt der Faktor definitionsgemäß 1. Liegt der Korrekturfaktor unter 1, reagiert der PID stärker auf den Zielstoff als auf Isobutylen. Die tatsächliche Zielstoffkonzentration ist dann kleiner als der unberichtigte Isobutylen-bezogene Wert. Liegt der Faktor über 1, reagiert der PID schwächer und die entsprechende Zielstoffkonzentration ist größer.

Die genaue Definition und der Zahlenwert müssen immer aus der Korrekturfaktor-Tabelle des verwendeten Gerätes beziehungsweise Sensors und der eingesetzten Lampenkonfiguration entnommen werden. Faktoren verschiedener PID-Systeme dürfen nicht ungeprüft übertragen werden.

Korrekturfaktoren an praktischen Beispielen

Die Größenordnung der Korrekturfaktoren zeigt sehr gut, warum die angezeigte ppm-Zahl ohne Kenntnis des Zielstoffes nicht automatisch als reale Stoffkonzentration interpretiert werden darf. Für das zugrunde gelegte Beispiel eines 10,6-eV-PID werden folgende Werte verwendet:

Stoff	Ionisationspotential	Beispiel-Korrekturfaktor	Ergebnis bei 50 ppm Isobutylen-Äquivalent
Isobutylen	9,24 eV	1,0	50 ppm
Benzol	9,24 eV	0,50	25 ppm
Toluol	8,82 eV	0,56	ca. 28 ppm
n-Hexan	10,13 eV	3,0	ca. 150 ppm

Ein PID-Rohwert von 50 ppm kann damit je nach Zielstoff für sehr unterschiedliche tatsächliche Konzentrationen stehen. Genau deshalb ist die Aussage „Der PID zeigt 50 ppm VOC“ für eine stoffspezifische Bewertung noch nicht ausreichend.

Die verwendeten Zahlen sind Beispielwerte aus der zugrunde gelegten Fassung. Für eine konkrete Messung ist immer die aktuelle Hersteller-Tabelle des verwendeten Sensors maßgeblich.

Korrekturfaktor bei Alarmgrenzen berücksichtigen

Besonders kritisch wird die korrekte Umrechnung, wenn der PID für Warn- oder Arbeitsplatzgrenzwerte eingesetzt wird. Angenommen, ein mit Isobutylen kalibrierter PID soll n-Hexan überwachen und der gültige Faktor des eingesetzten Systems beträgt 3,0. Soll bereits bei einer tatsächlichen n-Hexan-Konzentration von 50 ppm reagiert werden, entspräche dies theoretisch nur etwa 50 ppm / 3,0 ≈ 16,7 ppm auf der unberichtigten Isobutylen-Skala.

Würde die Alarmschwelle fälschlicherweise auf 50 ppm Isobutylen-Äquivalent eingestellt, könnte die tatsächliche n-Hexan-Konzentration erheblich höher sein, bevor der Alarm ausgelöst wird. Bei sicherheitsrelevanten Einstellungen muss deshalb eindeutig geklärt sein, ob das Gerät Rohwerte oder bereits korrigierte Zielstoffwerte anzeigt.

Viele moderne PID-Geräte besitzen eine Stoffbibliothek und führen diese Umrechnung intern durch. Trotzdem muss der Anwender verstehen, was auf dem Display angezeigt wird und welche Annahmen hinter dieser Zahl stehen.

Warum ein gewählter Zielstoff den PID nicht selektiv macht

Eine integrierte Stoffbibliothek kann leicht zu einem Missverständnis führen. Wird im Gerätemenü beispielsweise Toluol ausgewählt, wendet das Gerät normalerweise lediglich den hinterlegten Toluol-Korrekturfaktor auf das vorhandene PID-Signal an. Der eigentliche Sensor verändert seine chemische Selektivität dadurch nicht.

Befinden sich gleichzeitig Toluol, Aceton und Xylol in der Atmosphäre, können alle drei Stoffe zur Messreaktion beitragen, sofern sie mit der verwendeten Lampe ionisierbar sind. Der PID besitzt ohne zusätzliche selektive Messtechnik keine Information darüber, welcher Anteil des Signals von welchem Stoff stammt.

Korrekturfaktor bedeutet deshalb Umrechnung – nicht Stoffidentifikation.

Was passiert bei VOC-Mischgasen?

Gerade in industriellen Anwendungen treten VOC häufig nicht als reiner Einzelstoff auf. Lacke, Reinigungsmittel, Kraftstoffdämpfe, Klebstoffe und chemische Prozesse enthalten häufig mehrere flüchtige Komponenten gleichzeitig. Der PID reagiert dann auf alle Bestandteile des Gemisches, die von der eingesetzten UV-Lampe ionisiert werden können.

Bei näherungsweise linearer Sensorreaktion entsteht das Gesamtsignal aus den Beiträgen der einzelnen Verbindungen. Ist die Zusammensetzung des Gemisches exakt bekannt und über die Zeit stabil, kann für bestimmte Anwendungen ein effektiver Mischungsfaktor bestimmt werden. Bei einem unbekannten oder wechselnden Gemisch ist eine solche stoffspezifische Umrechnung dagegen nicht zuverlässig.

In diesem Fall sollte der Messwert als Isobutylen-Äquivalent beziehungsweise als nicht stoffspezifischer VOC-Screeningwert interpretiert werden. Aus einem unbekannten Gesamtsignal darf nicht ohne zusätzliche Analytik eine konkrete Konzentration eines einzelnen gefährlichen Stoffes abgeleitet werden.

Feuchte und Kondensation richtig berücksichtigen

Feuchtigkeit kann die PID-Messung auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Abhängig vom Sensoraufbau kann eine hohe relative Feuchte die Empfindlichkeit verändern. Gleichzeitig muss zwischen hoher Luftfeuchtigkeit und tatsächlicher Kondensation unterschieden werden. Flüssige Wassertropfen auf Filter, Lampenfenster oder Sensorelektroden können wesentlich stärkere Auswirkungen haben als reine Luftfeuchtigkeit innerhalb des zulässigen Betriebsbereiches.

Besonders kritisch sind Anwendungen, bei denen eine warme und feuchte Gasprobe über einen Schlauch in ein deutlich kälteres Messgerät transportiert wird. Wird der Taupunkt im Schlauch unterschritten, kann Kondensat entstehen. Dies kann nicht nur die Sensorreaktion beeinflussen, sondern auch den Probenweg beziehungsweise Filter beeinträchtigen.

Bei anspruchsvollen Messungen sollten deshalb Probentemperatur, Taupunkt, Schlauchtemperatur und die Feuchtespezifikation des Gerätes gemeinsam betrachtet werden. Die Angabe eines zulässigen Bereiches von beispielsweise 10 bis 95 % relativer Feuchte bedeutet nicht automatisch, dass die Messreaktion über diesen gesamten Bereich vollständig feuchteunabhängig ist.

Diffusion, Pumpe und Probenahmeschlauch

Je nach Geräteausführung kann ein tragbarer PID entweder direkt in der umgebenden Atmosphäre arbeiten oder eine Probe aktiv über eine Pumpe ansaugen. Im Diffusionsbetrieb befindet sich der Sensor direkt dort, wo die Atmosphäre überwacht werden soll. Diese Betriebsart eignet sich besonders für persönliche Überwachung, Arbeitsplatzmessungen und die unmittelbare Lecksuche.

Mit einer internen oder externen Pumpe kann die Probe dagegen aus einem entfernten Bereich zum Gerät transportiert werden. Das ist beispielsweise bei Pre-Entry-Messungen an Behältern, Schächten oder anderen noch nicht sicher zugänglichen Bereichen erforderlich.

Merkmal	Diffusionsbetrieb	Pumpenbetrieb
Messort	direkt am Gerät	entfernte Messstelle möglich
Probenschlauch	normalerweise nicht erforderlich	häufig Bestandteil des Messsystems
Transportverzögerung	keine zusätzliche Schlauchzeit	Schlauchfüllzeit zusätzlich zur Sensorreaktion
Stoffverluste im Schlauch	weitgehend kein Schlaucheinfluss	Adsorption oder Kondensation möglich
Typische Anwendung	persönliche Überwachung	Fernprobenahme und Freimessen

Der Probenschlauch darf dabei nicht lediglich als mechanisches Zubehör betrachtet werden. Bestimmte VOC können an der Schlauchoberfläche adsorbieren, darin kondensieren oder verzögert wieder freigesetzt werden. Mit zunehmender Schlauchlänge steigt außerdem die Transportzeit der Probe.

Vor der Bewertung eines Messwertes muss deshalb genügend Zeit für Schlauchfüllzeit + Sensoransprechzeit eingeplant werden. Das verwendete Schlauchmaterial muss ebenfalls für die Zielstoffe geeignet sein.

Messbereich, Auflösung und Überbereich

Neben der Lampenenergie muss auch der Konzentrationsmessbereich des PID zur Anwendung passen. Ein Gerät mit beispielsweise 0 bis 1000 ppm und 1 ppm Auflösung erfüllt eine andere Aufgabe als ein besonders empfindliches System für sehr kleine VOC-Konzentrationen.

Für die Auswahl muss deshalb sowohl der niedrigste relevante Messwert als auch die maximal zu erwartende Konzentration berücksichtigt werden. Gerade bei Korrekturfaktoren deutlich größer als 1 kann sich der tatsächlich nutzbare Zielstoffbereich stark vom nominellen Isobutylen-Messbereich unterscheiden.

Besitzt ein PID beispielsweise einen Rohmessbereich bis 1000 ppm Isobutylen-Äquivalent und wird ein Zielstoff mit einem Faktor von 3 betrachtet, kann die daraus abgeleitete Zielstoffskala erheblich anders ausfallen. Wie das konkrete Gerät diese Umrechnung und eine mögliche Messbereichsüberschreitung behandelt, muss aus der jeweiligen Gerätebeschreibung hervorgehen.

Kalibrierung, Funktionstest und Nullpunkt

Ein PID muss regelmäßig kontrolliert werden. Dabei sind Nullpunktprüfung, Funktionstest und Kalibrierung voneinander zu unterscheiden. Beim Nullpunkt wird das Gerät einer geeigneten VOC-freien Referenzatmosphäre ausgesetzt und kontrolliert, ob die Anzeige korrekt auf null zurückkehrt.

Beim Funktionstest beziehungsweise Bump-Test wird das Gerät kurz einem Prüfgas ausgesetzt. Damit lässt sich feststellen, ob der Sensor reagiert, die Gaszuführung funktioniert und die vorgesehenen Alarme ausgelöst werden. Ein bestandener Funktionstest bestätigt jedoch nicht automatisch die vollständige Messgenauigkeit.

Bei der eigentlichen Kalibrierung wird die Anzeige mit einer definierten bekannten Prüfgaskonzentration abgeglichen. Bei PID-Systemen wird dafür häufig Isobutylen verwendet. Prüfgaskonzentration, Gasfluss, Einwirkdauer und Kalibrierintervall müssen zu den Vorgaben des jeweiligen Geräteherstellers passen.

Verschmutzte PID-Lampe und nachlassende Empfindlichkeit

Die UV-Lampe und der Sensorraum haben einen direkten Einfluss auf die Empfindlichkeit eines PID. Bestimmte Stoffe können im Laufe des Betriebs Ablagerungen auf dem Lampenfenster oder innerhalb der Messkammer verursachen. Dadurch erreicht weniger UV-Energie die Gasprobe und die Sensorreaktion kann langsam abnehmen.

Typische Hinweise sind zu niedrige Messwerte, ein langsameres Ansprechverhalten, schlechte Wiederholbarkeit oder Probleme beim Bump-Test beziehungsweise bei der Kalibrierung. Je nach Geräteausführung kann dann die Reinigung oder der Austausch von Filtern, Lampe oder Sensorkomponenten erforderlich sein.

Die Reinigung darf nicht nach beliebigen Methoden erfolgen. Lampenfenster und Elektroden sind empfindliche Bauteile und sollten ausschließlich entsprechend der vorgesehenen Herstelleranleitung behandelt werden.

Warum ein PID keinen LEL-Sensor ersetzt

Ein PID und ein Sensor für brennbare Gase erfüllen unterschiedliche Messaufgaben. Der PID kann viele Lösungsmitteldämpfe bereits im ppm-Bereich erkennen. Das ist insbesondere deshalb wichtig, weil bei manchen toxikologisch relevanten VOC gesundheitsrelevante Konzentrationen lange erreicht sein können, bevor eine Atmosphäre in die Nähe der unteren Explosionsgrenze gelangt.

Umgekehrt erkennt ein typischer PID mit 10,6-eV-Lampe beispielsweise Methan nicht ausreichend. Ein Messwert von 0 ppm am PID ist deshalb keine Aussage darüber, ob eine Explosionsgefahr vorliegt.

Je nach Gefährdung kann ein Mehrgasgerät deshalb mehrere unterschiedliche Sensorprinzipien kombinieren, beispielsweise Sauerstoffmessung, einen Sensor für brennbare Gase, elektrochemische Sensoren für spezifische toxische Gase und einen PID für VOC. Der PID erweitert das Messsystem, ersetzt diese anderen Sensoren jedoch nicht.

PID für Arbeitsplatz- und Freimessungen einsetzen

PID-Gasmessgeräte werden unter anderem bei Lösungsmitteldämpfen, Wartungsarbeiten, Lecksuche, Tank- und Behältermessungen, Lackierprozessen sowie in der chemischen und kunststoffverarbeitenden Industrie eingesetzt. Besonders wertvoll ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber zahlreichen VOC, die eine schnelle Bewertung bereits bei vergleichsweise niedrigen Konzentrationen ermöglicht.

Bei einer Freimessung reicht es jedoch nicht aus, lediglich einen PID in einen Behälter zu halten und anschließend den angezeigten VOC-Wert zu beurteilen. Aus der Gefährdungsbeurteilung muss zunächst hervorgehen, welche Stoffe auftreten können, ob der PID diese Stoffe überhaupt erfassen kann und welche zusätzlichen Sensorprinzipien erforderlich sind.

Auch die Messstellen innerhalb eines Behälters, die erforderliche Probenahmezeit und die Interpretation der Alarmgrenzen müssen vorab festgelegt werden. Ist die Zusammensetzung der Atmosphäre unbekannt, kann der PID einen wertvollen Screeningwert liefern, aber keine eindeutige chemische Stoffidentifikation.

Praxisbeispiel: Lösungsmitteldämpfe in einem Behälter

Ein Wartungsteam soll vor dem Einstieg in einen Prozessbehälter prüfen, ob noch Lösungsmitteldämpfe vorhanden sind. Aus dem Prozess ist bekannt, dass hauptsächlich n-Hexan verwendet wurde. Zur Messung steht ein tragbares Gaswarngerät mit 10,6-eV-PID zur Verfügung.

Zunächst wird geprüft, ob n-Hexan mit der vorhandenen Lampe grundsätzlich detektierbar ist. Seine Ionisationsenergie liegt unterhalb von 10,6 eV, sodass eine PID-Messung prinzipiell möglich ist. Anschließend wird in der Korrekturfaktor-Tabelle des konkret verwendeten Sensors der passende Faktor kontrolliert. Für das zugrunde gelegte Beispiel wird CF = 3,0 verwendet.

Vor der Messung muss außerdem eindeutig geklärt werden, ob das Gerät den Rohwert als Isobutylen-Äquivalent oder bereits einen automatisch korrigierten n-Hexan-Wert anzeigt. Danach wird die Funktionsfähigkeit des Gerätes entsprechend den betrieblichen und herstellerspezifischen Vorgaben überprüft.

Wird die Probe über einen Schlauch angesaugt, muss die Transportzeit berücksichtigt werden. Die Messung erfolgt an den für die Gefährdungsbeurteilung erforderlichen Punkten und erst nach ausreichender Proben- und Sensorreaktionszeit wird der Messwert bewertet.

Zeigt ein nicht automatisch korrigierender PID beispielsweise 20 ppm Isobutylen-Äquivalent, ergibt sich mit einem Faktor von 3 näherungsweise 20 ppm × 3,0 = 60 ppm n-Hexan. Diese Berechnung ist jedoch nur sinnvoll, wenn n-Hexan tatsächlich der relevante beziehungsweise dominierende PID-aktive Stoff ist.

Gleichzeitig liefert der PID keine Aussage darüber, ob ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, ob Methan oder andere brennbare Gase vorliegen oder ob ein weiterer nicht vom PID erfasster toxischer Stoff vorhanden ist. Diese Gefahren müssen mit den dafür vorgesehenen Messprinzipien separat bewertet werden.

Planungs- und Auswahlcheck

1. Alle aus Prozess und Gefährdungsbeurteilung möglichen Gase und Dämpfe erfassen und deren Ionisationsenergie prüfen.
2. Kontrollieren, ob die verwendete PID-Lampe die relevanten Stoffe grundsätzlich ionisieren kann.
3. Messbereich, Auflösung und maximal zu erwartende Konzentration festlegen.
4. Die Korrekturfaktoren des konkreten Sensors beziehungsweise Gerätes für die bekannten Zielstoffe prüfen.
5. Klären, ob ein definierter Einzelstoff oder ein wechselndes beziehungsweise unbekanntes Gasgemisch vorliegt.
6. Festlegen, ob das Gerät Isobutylen-Äquivalente oder bereits korrigierte Zielstoffwerte anzeigen soll.
7. Alarmgrenzen entsprechend der tatsächlichen Gerätekonfiguration festlegen.
8. Diffusions- oder Pumpenbetrieb, Schlauchmaterial und erforderliche Transportzeit an die Messaufgabe anpassen.
9. Feuchtigkeit, Kondensation und Probentemperatur berücksichtigen.
10. Kalibrier-, Bump-Test- und Wartungskonzept festlegen und prüfen, welche zusätzlichen Gassensoren erforderlich sind.

Häufige Fehler

• 10,6 eV als Konzentrationsmessbereich verstehen: Die Angabe beschreibt die Photonenenergie der UV-Lampe.
• Jeden VOC automatisch für messbar halten: Die Ionisationsenergie muss zur verwendeten Lampenenergie passen.
• Den Korrekturfaktor ignorieren: Ein Isobutylen-bezogener Rohwert wird dadurch fälschlicherweise als reale Zielstoffkonzentration interpretiert.
• Einen Faktor aus einer beliebigen Tabelle übernehmen: Die Werte müssen zum verwendeten Sensor, Gerät und Lampentyp passen.
• Zielstoffauswahl im Menü mit Selektivität verwechseln: Andere ionisierbare Stoffe tragen weiterhin zum PID-Signal bei.
• Ein unbekanntes Mischgas als Einzelstoff auswerten: Der PID liefert ohne zusätzliche Analytik keine eindeutige Stoffidentifikation.
• PID als Ersatz für einen Sensor brennbarer Gase verwenden: Wichtige Gase wie Methan können von einer 10,6-eV-Lampe nicht ausreichend erfasst werden.
• Feuchte und Kondensation ignorieren: Beide können die Sensorreaktion und den Probenweg beeinflussen.
• Schlauchlänge und Probenahmezeit nicht berücksichtigen: Die Probe muss erst den Sensor erreichen und bestimmte VOC können im Schlauch verzögert werden.
• Bump-Test mit vollständiger Kalibrierung gleichsetzen: Ein Funktionstest bestätigt die grundlegende Reaktion, aber nicht automatisch die Messgenauigkeit.
• Verschmutzung der PID-Lampe übersehen: Ablagerungen können die Empfindlichkeit schleichend reduzieren.
• 0 ppm als „Atmosphäre sicher“ interpretieren: Nicht vom PID erfasste Gefahrstoffe können trotzdem vorhanden sein.

Passendes PID-Gasmessgerät

Für mobile VOC-Messungen steht beispielsweise das Crowcon Gas-Pro PID zur Verfügung. Das tragbare Mehrgasgerät kann mit einem 10,6-eV-PID zur Erfassung zahlreicher flüchtiger organischer Verbindungen ausgestattet werden und verbindet die VOC-Messung mit weiteren Gaskanälen innerhalb eines tragbaren Mehrgassystems.

Für die hier beschriebene Anwendung sind insbesondere der PID-Messbereich bis 1000 ppm, die Auflösung von 1 ppm und die Möglichkeit interessant, je nach Gerätekonfiguration insgesamt bis zu fünf Gase zu überwachen. Optional kann eine interne Pumpe für Fernprobenahmen und Pre-Entry-Messungen eingesetzt werden. Akustische, optische und Vibrationsalarme unterstützen den Einsatz als tragbares Gaswarngerät.

Ein Mehrgasgerät ist insbesondere dann sinnvoll, wenn neben VOC gleichzeitig Sauerstoffmangel, bestimmte toxische Gase oder eine mögliche brennbare Atmosphäre überwacht werden müssen. Der PID bildet dabei einen zusätzlichen Messkanal für VOC, während die übrigen Gefahren über dafür geeignete Sensorprinzipien erfasst werden.

Weitere Geräte für mobile und stationäre Gasmessaufgaben finden Sie unter Gasmessgeräte / Gaswarngeräte bei ICS Schneider.

Für weiterführende industrielle Mess- und Prozessaufgaben finden Sie außerdem Lösungen unter Siemens Prozessinstrumentierung.

Fazit

Ein Photoionisationsdetektor ist ein sehr leistungsfähiges Messprinzip für die schnelle Erkennung zahlreicher flüchtiger organischer Verbindungen. Die auf dem Display angezeigte Konzentration kann jedoch nur dann korrekt bewertet werden, wenn Zielstoff, Lampenenergie und Gerätekonfiguration bekannt sind.

Die Lampenenergie entscheidet zunächst darüber, welche Stoffe überhaupt ionisiert werden können. Bei einer 10,6-eV-Lampe muss das Ionisationspotential des Zielstoffes unterhalb der verfügbaren Photonenenergie liegen. Diese Bedingung sagt jedoch noch nichts darüber aus, wie stark der Sensor auf den Stoff reagiert.

Die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen VOC wird über den Korrektur- beziehungsweise Response Factor berücksichtigt. Bei einer Isobutylen-Kalibrierung kann deshalb derselbe PID-Rohwert je nach Zielstoff einer erheblich unterschiedlichen tatsächlichen Konzentration entsprechen. Bei der Einstellung von Alarmgrenzen muss daher eindeutig feststehen, ob das Gerät Isobutylen-Äquivalente oder bereits korrigierte Zielstoffwerte anzeigt.

Besondere Vorsicht ist bei Gasgemischen erforderlich. Eine im Gerätemenü ausgewählte Substanz und der zugehörige Korrekturfaktor machen den Sensor nicht selektiv. Sind mehrere ionisierbare Verbindungen vorhanden, tragen sie gemeinsam zum Messsignal bei. Ein PID ist deshalb hervorragend für Screening- und Überwachungsaufgaben geeignet, aber nicht automatisch für die eindeutige chemische Identifikation eines unbekannten Gemisches.

Ebenso wichtig sind die praktischen Randbedingungen der Messung. Feuchtigkeit, Kondensation, Schlauchmaterial, Probenahmezeit, Messbereich, Verschmutzung der Lampe sowie Kalibrier- und Wartungszustand können die Aussagekraft des Messwertes erheblich beeinflussen.

Die entscheidende Auswahlfrage lautet deshalb nicht nur: „Hat das Gerät einen PID?“, sondern: „Kann die eingesetzte Lampe die relevanten Stoffe erfassen, welcher Response Factor gilt für das konkrete Gerät, ist die Gaszusammensetzung bekannt und kann der angezeigte Messwert für die tatsächliche Sicherheits- oder Messaufgabe eindeutig interpretiert werden?“

FAQ: PID-Gasmessgeräte für VOC

Was bedeutet 10,6 eV bei einem PID?

10,6 eV bezeichnet die Photonenenergie der eingesetzten UV-Lampe. Diese Energie bestimmt wesentlich, welche Moleküle prinzipiell ionisiert werden können. Die Angabe beschreibt nicht den Konzentrationsmessbereich des Gerätes.

Kann ein 10,6-eV-PID alle VOC messen?

Nein. Entscheidend ist unter anderem die Ionisationsenergie des jeweiligen Stoffes. Liegt sie oberhalb der verfügbaren Lampenenergie, kann normalerweise kein verwertbares PID-Signal entstehen.

Warum wird ein PID häufig mit Isobutylen kalibriert?

Isobutylen dient als definierter Referenzstoff. Die unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber anderen Stoffen kann anschließend über herstellerspezifische Korrektur- beziehungsweise Response Factors berücksichtigt werden.

Wie wird ein PID-Korrekturfaktor angewendet?

Bei der im Beitrag verwendeten Definition wird der Isobutylen-bezogene Rohwert mit dem Korrekturfaktor des Zielstoffes multipliziert. Moderne Geräte können diese Umrechnung teilweise intern durchführen. Entscheidend ist immer die Definition des jeweiligen Geräteherstellers.

Was bedeutet ein Korrekturfaktor größer als 1?

Der PID reagiert auf den Zielstoff schwächer als auf Isobutylen. Bei demselben Sensorsignal ist die tatsächliche Zielstoffkonzentration deshalb entsprechend höher als der unberichtigte Isobutylen-Wert.

Was bedeutet ein Korrekturfaktor kleiner als 1?

Der PID reagiert stärker auf den Zielstoff als auf Isobutylen. Die tatsächliche Zielstoffkonzentration liegt deshalb unter dem unberichtigten Isobutylen-bezogenen Anzeigewert.

Wird ein PID selektiv, wenn im Gerät Toluol ausgewählt wird?

Nein. Die Auswahl bewirkt normalerweise nur, dass der für Toluol hinterlegte Response Factor auf das Sensorsignal angewendet wird. Andere ionisierbare Stoffe können weiterhin zur Anzeige beitragen.

Was zeigt ein PID bei einem VOC-Gemisch an?

Alle Bestandteile, die mit der verwendeten Lampe ionisiert werden können, können zum Gesamtsignal beitragen. Ohne bekannte Zusammensetzung lässt sich dieser Messwert normalerweise nicht eindeutig einer einzelnen chemischen Verbindung zuordnen.

Kann ein PID Methan erkennen?

Ein üblicher PID mit 10,6-eV-Lampe erkennt Methan nicht ausreichend, da dessen Ionisationsenergie oberhalb der verfügbaren Lampenenergie liegt. Für Methan beziehungsweise die Bewertung einer brennbaren Atmosphäre ist ein geeignetes anderes Messprinzip erforderlich.

Ersetzt ein PID einen Sensor für brennbare Gase?

Nein. Beide Sensorprinzipien erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Ein PID kann zahlreiche VOC bereits im ppm-Bereich erkennen, während ein entsprechender Sensor für brennbare Gase zur Beurteilung der Explosionsgefahr eingesetzt wird.

Kann hohe Luftfeuchtigkeit einen PID beeinflussen?

Ja. Abhängig vom Sensoraufbau kann hohe Feuchtigkeit die Messreaktion verändern. Besonders kritisch ist tatsächliche Kondensation auf Filter, Lampenfenster oder Sensorkomponenten.

Warum ist der Probenahmeschlauch bei einer PID-Messung wichtig?

Die Probe benötigt Zeit, um durch den Schlauch zum Sensor zu gelangen. Zusätzlich können bestimmte VOC an ungeeigneten Schlauchmaterialien adsorbieren, kondensieren oder verzögert wieder freigesetzt werden. Schlauchmaterial und Länge sind deshalb Teil des Messsystems.

Wie oft muss ein PID kalibriert werden?

Das erforderliche Intervall richtet sich nach Gerätehersteller, Einsatzbedingungen und betrieblichen Vorgaben. Häufige Belastung mit verschmutzenden Stoffen oder sicherheitskritische Anwendungen können kürzere Prüf- und Kalibrierintervalle erforderlich machen.

Kann ein PID unbekannte Lösungsmitteldämpfe identifizieren?

Nein. Ein PID kann anzeigen, dass ionisierbare Stoffe vorhanden sind, liefert aber keine eindeutige chemische Stoffidentifikation. Bei unbekannten Gemischen kann deshalb eine zusätzliche selektive analytische Methode erforderlich sein.