Wenn es darum geht, industrielle Umgebungen gegen Kältemittellecks abzusichern, spielt die Wahl der Detektionstechnologie eine entscheidende Rolle. Es gibt eine Vielzahl von Gassensortechnologien, die eingesetzt werden können. Jede Technologie hat ihre eigenen Stärken und Nachteile, was den Auswahlprozess zu einer differenzierten Aufgabe macht. Die Reise beginnt mit der Identifizierung des spezifischen Kältemittels, das aufgespürt werden soll, und der Bestimmung, bei welcher Konzentration Kältemittelgasalarm ausgelöst werden muss, was die Grundlage für eine fundierte Entscheidungsfindung bildet. Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass es selbst innerhalb bestimmter Kategorien von Kältemittelsensortechnologien erhebliche Unterschiede gibt, die ein gründliches Verständnis der Optionen und ein Abwägen der Vorteile für die Anwendung gegen die Kosten der Implementierung erforderlich machen. Die dynamische Landschaft der Gassensortechnologien muss etwas entwirrt werden, um die Komplexität der modernen Kältemittelerkennung zu verstehen.

Halbleiter-Sensoren

Halbleitersensoren, auch bekannt als Metalloxidsensoren, zeichnen sich als vielseitige Werkzeuge für die Erkennung von Kältemittelgasen aus. Diese Sensoren sind in der Lage, eine Vielzahl von Gasen in Konzentrationen zu erkennen, die in Teilen pro Million (ppm) gemessen werden, aber auch in brennbaren Bereichen für entflammbare Gase. Der Sensor besteht in der Regel aus Metalloxiden, die auf einer Siliziumscheibe abgeschieden sind. Die Oberfläche des Sensors wird auf Temperaturen zwischen 300 und 800 ºF (149 bis 426 ºC) erhitzt, abhängig von den zu detektierenden Gasen. Die Zusammensetzung der Mischoxide und die Betriebstemperatur bestimmen die Reaktion des Sensors auf verschiedene giftige Gase, Dämpfe und Kühlmittel.

Während des normalen Betriebs haften Sauerstoffmoleküle aus der Atmosphäre an der Oberfläche des Sensors und bilden eine Widerstandsbarriere. Wenn jedoch ein reduzierendes Gas mit dem Sensor in Berührung kommt, wie z.B. bei einem Kältemittelleck, durchlaufen diese Sauerstoffmoleküle eine Redoxreaktion, die den Widerstand verändert und die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Diese Änderung der Leitfähigkeit wird dann gemessen und korreliert, um die Konzentration des vorhandenen Gases zu bestimmen.

Trotz ihrer Vielseitigkeit weisen Halbleitersensoren einige Nachteile auf. Ihnen fehlt es an Selektivität und sie können auf jedes reduzierende Gas reagieren, was zu möglichen Fehlalarmen führt. Außerdem können sie von Faktoren wie Wasserdampf, hoher Luftfeuchtigkeit, Temperaturschwankungen und niedrigem Sauerstoffgehalt beeinflusst werden, was das Risiko falscher Messwerte weiter erhöht.

In der Praxis können Fehlalarme durch den Kontakt mit verschiedenen Stoffen ausgelöst werden, z. B. durch Lösungsmittel, Reinigungsmittel, Fahrzeugabgase und Wasserstoff von elektrischen Ladestationen (z. B. von Gabelstaplern). Um dieses Problem zu entschärfen, kann der Einsatz einer Alarmverzögerungsfunktion sinnvoll sein. Diese Funktion sorgt dafür, dass der Leckdetektor nicht sofort einen Alarm auslöst, sondern erst nach einer bestimmten Zeitspanne, so dass sich vorübergehende Gase verflüchtigen können und die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen verringert wird.

Obwohl Halbleitersensoren ihre Grenzen haben, sind sie äußerst kosteneffektiv und bleiben wertvolle Werkzeuge für die Erkennung von Kältemittelgasen, einschließlich der Erkennung von HFC- und HFO-Kältemittellecks. Das Verständnis dieser Einschränkungen und die Anwendung geeigneter Abhilfestrategien sind für die Gewährleistung einer genauen und zuverlässigen Gasdetektion in kommerziellen Industrieumgebungen von entscheidender Bedeutung.

Infrarot-Sensoren

Im Mittelpunkt der Infrarot (IR)-Sensortechnologie steht ein grundlegendes Prinzip: die Absorption von Infrarotstrahlung durch das zu messende Zielgas. Dieses Prinzip findet bei verschiedenen Gasen Anwendung, darunter FKWs und HFOs sowie_CO2, deren chemische Bindungen Infrarotenergie bei bestimmten Wellenlängen innerhalb des Infrarotspektrums absorbieren. Insbesondere absorbieren die meisten Kältemittel, einschließlich FKW und HFO, aufgrund von Wasserstoff-Fluor-Bindungen Licht bei einer Wellenlänge von 9 μm.

In der Praxis findet die Messung statt, wenn die Luft vom Probenort in eine optische Bank eintritt, entweder durch Diffusion oder durch Ansaugen der Probe. In dieser Anordnung wird das von einer Infrarotquelle emittierte Licht durch das Gas in der Bank auf ein Detektorelement gelenkt. Die Wände des Sensors, die oft mikropoliert und mit Edelmetall beschichtet sind, verbessern die Reflektivität, um einen maximalen Durchgang von Licht und Energie zu gewährleisten und so die Reaktion des Infrarotdetektors und die Auflösung der Messung zu optimieren. Die Abnahme der Intensität der Infrarotlichtquelle, die auf die Anwesenheit des Zielgases zurückzuführen ist, korreliert direkt mit der Gaskonzentration. Interne Elektronik und Software verarbeiten diese Daten, um ein linearisiertes Ausgangssignal zu erzeugen, das eine präzise Messung ermöglicht.

Bei HFCs und HFOs erweist sich die Größe der optischen Bank bzw. die Weglänge, durch die das Infrarotlicht das Gas durchdringt, als entscheidender Faktor für die Auflösung und Genauigkeit. Größere Weglängen sind für eine hohe Auflösung und Genauigkeit unerlässlich. Diese größeren Weglängen sind aufgrund der Größe und der relativ hohen Kosten in der Regel auf Ansaugsysteme zur Kältemittelerkennung beschränkt. Diese Art der Infrarotsensorik ist zwar in puncto Auflösung und Genauigkeit überlegen, kann aber aufgrund der größeren Sensorgröße zu Problemen beim Einsatz mehrerer Sensoren in einer Anlage führen. Wirtschaftliche Überlegungen treiben das Systemdesign weiter in Richtung zentraler Konfigurationen.

Kleinere Infrarot-Kältemittelsensoren werden häufiger in diffusionsbasierten Gasdetektoren verwendet, da sie kostengünstiger sind und daher leichter in einem verteilten Detektionssystem eingesetzt werden können. Sie bieten zwar nicht den gleichen Präzisionsgrad oder die niedrigere Nachweisgrenze für HFKW und HFO, bieten aber die gleichen Vorteile, die der Infrarot-Gassensortechnologie allgemein zugeschrieben werden.

_{CO2-Kältesensoren} sind in der Regel in kleinerem Format erhältlich, da die Absorption stringer ist, was bedeutet, dass eine größere Weglänge weniger notwendig ist. Ein Schlüsselfaktor bei der_{CO2-Lecksuche} ist die Auswahl eines Sensors und eines Kältemittel-Gasdetektors mit einer ausreichend schnellen Reaktionszeit. Dies gilt sowohl für die Einhaltung der Sicherheitsstandards für Kältemittel als auch für die Sicherheit des Personals, das einem Leck in einem_CO2-System ausgesetzt sein könnte.

Infrarotsensoren sind unempfindlich gegenüber Kreuzgaseffekten oder Interferenzen bei Kältemittelanwendungen und zeichnen sich durch eine hohe Auflösung und Genauigkeit aus. Temperaturschwankungen werden in der Sensorsoftware effektiv kompensiert, und die Spezifität der Messung zielt nur auf das Kältemittel ab. Der Sensor ist daher unempfindlich gegenüber transienten Cross-Gas-Interferenzen, die Halbleitersensoren beeinträchtigen können.

Ein gut entwickelter Infrarotsensor ist sehr stabil, kann nicht vergiftet werden und ist nicht anfällig für eine Drift im Laufe der Zeit. Dadurch wird das Risiko von Fehlalarmen weiter reduziert und eine lange Lebensdauer des Sensors von typischerweise ~10 Jahren gewährleistet. Aufgrund dieser langen Lebensdauer und Stabilität eignen sich Infrarotsensoren besonders für Anwendungen, bei denen die Sensoren direkt in Geräte wie Wärmepumpen oder Kühlvitrinen integriert werden.

Die Eigenschaften von Infrarot-Kältesensoren machen sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Anwendungen zur Erkennung von HFKW- und HFO-Lecks, bei denen eine präzise Messung von größter Bedeutung ist oder bei denen die Umgebungsbedingungen und störende Gase eine potenzielle Herausforderung darstellen. Obwohl die Infrarotsensortechnologie einen höheren Preis hat, zeigt sie im Vergleich zu Halbleitersensoren bei HFKW und HFO eine überlegene Leistung beim Erreichen niedrigerer Mindestdetektionswerte, was ihre Attraktivität bei Gasdetektionsszenarien, bei denen ein niedrigerer Detektionswert von Vorteil ist, weiter steigert. Für_CO2 ist ein Kältemittelgasdetektor mit einem Infrarotsensor die einzige realistische Option, so dass die Wahl des Detektors hinsichtlich seiner Eignung für die Anwendung und die Umgebung, in der er installiert werden soll, von großer Bedeutung ist.

Aufkommende Sensortechnologien

In den letzten Jahren sind neue Sensortechnologien für den Nachweis von Kältemitteln aufgetaucht. Diese beschränken sich größtenteils auf Anwendungen, die im Bereich der Entflammbarkeit detektieren und geben die Werte in Prozent der unteren Entflammbarkeitsgrenze (%LFL) und nicht in ppm an.

Die akustische Messtechnik funktioniert ähnlich wie Infrarotsensoren, nur dass in diesem Fall keine Absorption einer Lichtquelle stattfindet, sondern die Geschwindigkeit einer Schallwelle beim Durchgang durch die Messkammer verringert wird. Die Geschwindigkeit, mit der die Schallwelle die Strecke vom Sender zum Detektor durchläuft, wird mit der Gaskonzentration gleichgesetzt. Es wird zwar behauptet, dass die Auswirkungen von Umweltfaktoren im Vergleich zu herkömmlichen Technologien zur Erkennung von Kältemitteln geringer sind, aber die Bandbreite der nachweisbaren Gase scheint kleiner zu sein, die Messung von Teilen pro Million ist derzeit für Kältemittel nicht verfügbar und die Daten scheinen begrenzt zu sein, um einen aussagekräftigen Vergleich mit der Selektivität der Infraroterkennung anzustellen. Nichtsdestotrotz handelt es sich um eine interessante Entwicklung bei den Möglichkeiten zur Erkennung von Kältemittelgasen.

Molecular Property Spectrometer™ Gassensoren sind in Anwendungen zur Erkennung von Kältemittelgasen in Erscheinung getreten, wiederum gezielt und beschränkt auf die %LFL-Messung von brennbaren Kältemitteln (und anderen brennbaren Gasen). Der Hersteller rühmt sich mit einer sehr langen Lebensdauer des Sensors, der Unempfindlichkeit gegenüber Vergiftungen und der Vermeidung von Fehlalarmen. Die Vorteile bei der Erkennung von Kältemittelgasen scheinen den Vorteilen von Infrarot-Kältemittelsensoren nicht unähnlich zu sein, wenn auch für einen begrenzteren Bereich von Anwendungen. Es scheinen nur wenige Daten über das Messprinzip verfügbar zu sein, was einen Technologievergleich in Bezug auf die Anforderungen von Kältemittellecksuchanwendungen erschwert.

Elektrochemische Sensoren zur Erkennung von _NH3-Lecks

Halbleitersensoren und Sensoren mit katalytischen Kügelchen, wie sie üblicherweise für die Detektion brennbarer Gase verwendet werden, können verwendet werden, um hohe Konzentrationen von Ammoniak zu detektieren, die sich seiner LFL von 15%/Vol nähern.

Aufgrund der toxischen Wirkung von Ammoniak bei niedrigen Konzentrationen ist auch ein Nachweis auf niedrigerem Niveau erforderlich.

Die Standards und Vorschriften variieren von Land zu Land, aber die typischen Werte sind wie unten angegeben.

NH3-Konzentration in der Luft	Auswirkungen
25ppm	Grenzwert für Langzeitexposition – 8 Stunden TWA
35-50ppm	Grenzwert für kurzfristige Exposition – 15 Minuten, etwas körperliches Unbehagen
70-300ppm	Schwere Reizung von Nase, Rachen und Atemwegen, Gefahr von Flüssigkeitsansammlungen in der Lunge
300ppm	IDLH-Grenzwert (Unmittelbare Gefahr für Leben und Gesundheit)
5.000ppm	Schneller Atemstillstand
15-28%	Entflammbar, explosiv

Die Detektion auf niedrigerem Niveau wird durch die Verwendung elektrochemischer Sensoren erreicht, die speziell für verschiedene Messbereiche zugeschnitten werden können.

Beim Funktionsprinzip einer elektrochemischen Zelle für _NH3 diffundiert das Gas durch eine gasdurchlässige Membran zu einer Elektrode, wo es entweder reduziert oder oxidiert wird. Grundsätzlich besteht der Sensor aus einer Sensorelektrode/Arbeitselektrode, einer Gegenelektrode, einer Referenzelektrode und einem Elektrolyt.

Eine Redoxreaktion an der Sensor- und Gegenelektrode erzeugt ein elektrisches Signal, das proportional zur Ammoniakgaskonzentration ist.

2 _NH3 → _N2 + 6 ^H+ + 6 ^e-

_O2 + 4 ^H+ + 4 e- ^→ 2_H2O

Um die Stabilität zu erhöhen, hält eine Referenzelektrode eine konstante Spannung an der Sensorelektrode aufrecht, um den Abbau des Elektrolyten durch die Reaktion an der Elektrodenoberfläche zu kompensieren und die Lebensdauer des Sensors zu verlängern. Dennoch liegt die typische Lebensdauer der meisten elektrochemischen Sensoren für _NH3 bei etwa zwei Jahren. Es gibt jedoch inzwischen einige Kühlgasdetektoren auf dem Markt, deren _NH3-Sensoren sich in der Praxis bewährt haben und deren Lebensdauer mehr als fünf Jahre beträgt.

Generell gibt es einige Nachteile bei der Verwendung von Ammoniaksensoren, die Sie beachten sollten, um sicherzustellen, dass die richtigen Wartungsroutinen und Installationspraktiken ein effektives Kältemittelerkennungssystem ergeben. Die begrenzte Lebensdauer ist von entscheidender Bedeutung, und es lässt sich nicht vermeiden, dass die elektrochemischen Sensoren relativ hohe Kosten verursachen. Idealerweise sollte der Sensor, nicht der gesamte Gasdetektor, vor Ort ausgetauscht werden können. Die Sensoren können auch durch Verunreinigungen oder sogar durch zu hohe Ammoniakkonzentrationen vergiftet werden, und sie können durch sehr hohe oder sehr niedrige Luftfeuchtigkeit beeinträchtigt werden.

Dies wird durch die positiven Eigenschaften des _{NH3-Nachweises} mit elektrochemischen Sensoren ausgeglichen. Es besteht ein hohes Maß an Selektivität, und Fehlalarme sind unwahrscheinlich. Die Genauigkeit ist sehr gut, und entsprechend niedrige Ammoniakwerte können zuverlässig und effektiv nachgewiesen werden.

Die Auswahl des richtigen Sensors

Die Wahl des Kältemittelgasdetektors und der verwendeten Kältemittelsensortechnologie ist naturgemäß eine subjektive Entscheidung, die sowohl von den Anforderungen der Anwendung als auch von den Vorlieben des Benutzers abhängt. Sicher ist jedoch, dass es eine Auswahl gibt.

Spezialisierte Anbieter von Kältemittelgasdetektoren führen wahrscheinlich eine Reihe von Sensortypen, um die unterschiedlichen Anforderungen ihrer Kunden zu erfüllen. In den meisten Fällen gibt es bei der Gasdetektion kein Patentrezept. Daher ist es ratsam, das Gespräch mit einem Experten zu suchen, um die richtige Entscheidung für jeden Benutzer oder jedes Projekt zu treffen.

Über den Autor

Tom Burniston ist Marketing Director bei SAMON und Group Product Management Lead für die Safe Monitoring Group. Er verfügt über 20 Jahre Erfahrung im Bereich der Gasdetektion und war unter anderem in den Bereichen Marketing, internationaler technischer Vertrieb, Vertriebs- und Produktmanagement sowie strategische Planung tätig. Mit Erfahrungen in Branchen wie Kältetechnik, Öl und Gas, Mülldeponien und Biogas ist Tom erfahren in der Entwicklung neuer Produkte und Märkte, in der Produktpositionierung und in der Anpassung von Produkten an Industriestandards und Best Practices. Seine jüngsten Reisen haben ihn in die USA, nach Spanien, Italien und Deutschland geführt, wo er auf großen Konferenzen und Messen Informationen zur Kältetechnik präsentiert. Tom ist Absolvent der University of Leicester und wohnt in Großbritannien.