Einsatz von PPM-Detektoren für brennbare Gase zur Erhöhung der Sicherheit

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Abbildung 1: Selektive ppm-H2-Reaktion in Gegenwart von Störgasen.

Eine der am häufigsten verwendeten Technologien zur Erkennung brennbarer Gase ist der UEG-Sensor.

LEL, kurz für „Lower Explosive Limit“, ist definiert als die niedrigste Konzentration (in Prozent) eines Gases oder Dampfes in der Luft, die eine Explosion auslösen kann. Beispielsweise weisen Methan (CH4) und Wasserstoff (H2), zwei der am häufigsten brennbaren Industriegase, UEG-Werte von fünf bzw. vier Volumenprozent in der Luft auf. Der Fokus auf UEG-Detektoren als Technologie der Wahl für brennbare Stoffe ist aufgrund der eindeutigen Explosionsgefahr, der Bergbaugeschichte und der Gesetze zum Betreten geschlossener Räume, die die UEG-Erkennung ausdrücklich vorschreiben, nur natürlich.

LEL-Detektoren für brennbare Gase sind eindeutig ein wichtiger Bestandteil eines Gasdetektionsprogramms, aber aufgrund ihrer zugrunde liegenden Technologie sind sie effektiver für die Messung relativ hoher Konzentrationen brennbarer Gase. Die oben genannten 100-Prozent-UEG-Konzentrationen (die Mindestkonzentration eines brennbaren Gases zur Unterstützung der Verbrennung) für CH4 und H2 entsprechen 50.000 ppm bzw. 40.000 ppm. Typische Brandschutzbestimmungen verlangen Gasmelder bei 10 Prozent UEG und 20 Prozent UEG. Die übliche Technologie dieser 100-Prozent-UEG-Sensoren ist eine Wheatstone-Brückenschaltung mit einem aktiven (mit Katalysator) Pellistor und einem passiven (ohne Katalysator) Pellistor, die mit dem zu messenden brennbaren Gas interagieren. In der Praxis ist diese Technologie bei fünf Prozent UEG und darunter oft nicht sehr zuverlässig, obwohl sie oft als alleinige Erkennungstechnologie für Messungen von brennbaren Stoffen eingesetzt wird. Obwohl UEG-Detektoren für brennbare Gase häufig in der Industrie eingesetzt werden, sind sie für die Messung von H2 unter 2000 ppm und CH4 unter 2500 ppm nicht sehr effektiv.

Abbildung 2: Typischer Gasschrank zur Aufbewahrung von Flaschen und zur Steuerung der Gaslieferung an Prozesse.

Obwohl weniger häufig verwendet, wurden hochwertige Sensoren für brennbare Gase entwickelt, die für den ppm-Konzentrationsbereich optimiert sind und auf dem Markt erhältlich sind. Solche Sensoren eignen sich ideal für Gasdetektionsszenarien, bei denen die zu messenden Konzentrationen deutlich unter dem normalen UEG-Bereich eines typischen Detektors für brennbare Gase liegen. Einige der höherwertigen Sensoren dieser Art nutzen die sogenannte „Heißdraht“-Halbleitertechnologie in Kombination mit der Molekularsiebtechnologie und müssen sogar in der Lage sein, das interessierende brennbare Gas gezielt zu messen. Sehen Sie sich unten die Grafik der Reaktionskurve (Abbildung 1) unter Verwendung eines wasserstoffspezifischen H2-ppm-Sensors an. Der Sensor reagiert nicht nur bei einer Konzentration brennbarer Gase, die unter den Fähigkeiten eines normalen LEL-Sensors liegt, eine Mischung aus H2 und Ethanol (Et-OH) und Isopropylalkohol (IPA) reagiert fast ausschließlich auf H2 und nicht auf die anderen Substanzen.

Um die Wirksamkeit dieser Technologie in der Praxis zu veranschaulichen, skizzieren wir ein konkretes Beispiel von Gasschränken, bei denen die ppm-Sensoren für brennbare Gase besonders effektiv sind. Eine häufige Situation in Halbleiter- und Gasanlagen sowie anderen industriellen Umgebungen ist die Verwendung von Dotiergasflaschen mit einer kleinen Menge einer Substanz in einer hohen Konzentration brennbaren Gases; typischerweise über 90 Prozent brennbares Gas. H2 wird üblicherweise auf diese Weise mit einer geringeren Menge einer Dotiersubstanz wie Phosphin (PH3) verwendet. Bedenken Sie, dass PH3 sehr giftig ist und einen TLV von 50 ppb hat. Diese Gasflaschen werden häufig in einem Gasschrank verwendet (siehe Abbildung 2).

In der folgenden Tabelle 1 listen wir verschiedene hypothetische Konzentrationen auf, die Sie in einer solchen Flasche Dotiergas finden könnten.

Tabelle 1: Modellszenario für den Dotierstoff Phosphin PH3 in einem Gleichgewicht aus Wasserstoff H2.

Selbst bei einer PH3-Gaskonzentration (Dotierstoff) von 10 Prozent enthält die Flasche 90 Prozent Wasserstoff. Das liegt deutlich über 100 Prozent UEG für Wasserstoff (vier Volumenprozent). Wenn es zu einem katastrophalen Ausfall des Systems kam und das Gas ungehindert in die Umgebung oder in die Abgase strömte, könnte es zu explosiven Gemischen kommen, die ein normaler UEG-Sensor mit hoher Konzentration erfassen würde. Gasfreisetzungen in Gasschränken oder anderen Gasversorgungssystemen sind jedoch selten katastrophal. Normalerweise handelt es sich um sehr kleine Lecks, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. In unserem Beispiel in Tabelle I haben wir uns ein realistisches kleines Leck vorgestellt, das nur 250 ppm H2 an die Detektoren liefert und daraus verschiedene Umgebungskonzentrationen des PH3-Gases (Dotierstoff) berechnet. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass ein typischer Standard-100-Prozent-UEG-Sensor dieses kleine Leckereignis überhaupt nicht erkennt. Darüber hinaus erzeugt selbst dieses Leckszenario mit geringem Konzentrationsniveau bei sehr häufig verwendeten Dotierstoff-PH3-Konzentrationen > LDL-Werte von PH3 in der Umgebung. Es stimmt auch, dass große Lecks fast immer als kleine Lecks beginnen. Unter dem Gesichtspunkt, den Sicherheitsfaktor für solche Systeme zu erhöhen und hoffentlich ein katastrophales Leck zu verhindern, gibt es eindeutig einige Vorteile. Darüber hinaus können Sie in diesem Szenario Benutzer vor toxischen Gefahren warnen, indem Sie Ihre Erkennungsbereiche für brennbare Gase auf die TLV-Werte des Dotierstoffgases einstellen.

Abbildung 3: DOD EC20-System mit PPM-Wasserstoffsensoren für eine Dotierstoffanwendung

Ein reales Beispiel einer Gasdetektionseinrichtung mit ppm-Gasdetektoren ist in Abbildung 3 dargestellt, wo 20 Gasdetektionspunkte 20 Punkte in Umgebungs- und Abgasbereichen überwachen, in denen es häufig zu ppm-Gaslecks kommen kann. Es gibt viele andere häufig anzutreffende Szenarien, in denen die Messung niedriger Konzentrationen brennbarer Gase zu einem höheren Maß an Sicherheit führt. Wir argumentieren, dass es immer am besten ist, so früh wie möglich einen Hinweis auf das Austreten eines potenziell brennbaren/explosiven Gasgemisches zu erhalten, und dass die ppm-Gaserkennungstechnologie als Teil des Gassicherheitssystems eingesetzt werden sollte. Darüber hinaus können Sie durch die Erkennung des brennbaren Trägergases möglicherweise auch die Sicherheit vor den Gefahren hochgiftiger Dotierungsgase erhöhen, die manchmal in Gasgemische mit hohen Konzentrationen brennbarer Gase gelangen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich an Ihren örtlichen DOD Technologies-Vertreter oder besuchen Sie DODtec.com.