Elektrochemische, Infrarot- und Laser-Gasanalysatoren: Vor- und Nachteile sowie Auswahlkriterien

Für alle industriellen Prozesse besteht ein dringender Bedarf an präzisen Gaswarnsystemen. Sie schützen Arbeiter in Gefahrenbereichen, tragen zur Einhaltung von Umweltauflagen bei und fördern die Prozessoptimierung. Die Auswahl des richtigen Gaswarngeräts wird jedoch von vielen als besonders schwierig empfunden. Angesichts der Vielzahl verfügbarer Gaswarntechnologien unterscheiden sich die Geräte in ihrer Terminologie und Leistungsfähigkeit.

Die Wahl des falschen Gaswarngeräts kann schwerwiegende Folgen haben. Der Einsatz eines ungeeigneten Geräts birgt Verletzungsrisiken, finanzielle Einbußen, Messfehler und die Verschwendung von Unternehmensressourcen. Die Konsequenzen können technischer, finanzieller und strategischer Natur sein.

Laser-, elektrochemische und Infrarot-Gasdetektionsgeräte basieren auf unterschiedlichen Prinzipien und Technologien und erfüllen verschiedene Funktionen. Daher ist es entscheidend, die Unterschiede zwischen den einzelnen Geräten zu verstehen. Der folgende Artikel bietet einen präzisen Vergleich, Auswahlkriterien und Anwendungsbeispiele, um die Leser hoffentlich zu fundierten Entscheidungen anzuregen.

Darüber hinaus bietet es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten und vernachlässigte Auswahlkosten für Gasdetektionsgeräte, um den Leser über die langfristige Eignung des idealen Gasdetektionsgeräts aufzuklären.

Die entscheidende Rolle der Gasanalyse in der Industrie

Für den sicheren und effizienten Betrieb industrieller Anlagen ist die Gasüberwachung unerlässlich. In Umgebungen mit hohen Sicherheitsanforderungen wird sie zur Erkennung gefährlicher und/oder brennbarer Gase eingesetzt. Dies ist insbesondere in Sicherheitsbereichen und bei Gaslecks relevant. Durch eine angemessene Gasüberwachung können die betroffenen Industrieunternehmen zudem die Vorschriften von Regierung und lokalen Behörden einhalten und Umweltschäden vermeiden.

Neben der Einhaltung von Sicherheits- und Konformitätsvorschriften ist die Überwachung und Analyse von Industriegasen auch für eine effektive Prozesssteuerung notwendig.

Neben Sicherheit, Konformität und Regulierung sind die Überwachung und Analyse von Industriegasen entscheidend für eine effektive Prozesssteuerung. Die Aufrechterhaltung der optimalen Konzentration von Industriegasen führt zu einer maximalen und stabilen Produktion, reduziertem Abfall und erhöhter Effizienz. Die Gasüberwachung und -analyse ist auch für die Qualitätssicherung in der Industrie unerlässlich, wenn die Gaszusammensetzung der überwachten Systeme die Qualität des Endprodukts beeinflusst.

Elektrochemische, Infrarot- und Lasertechnologien sind die drei wichtigsten Arten von Gasüberwachungs- und Analysesystemen. Jede Technologieform ist auf bestimmte Gase, Umgebungen und Präzisionsanforderungen zugeschnitten und basiert auf unterschiedlichen Analyseprinzipien.

1. Elektrochemische Gasanalysatoren: Funktionsprinzipien, Stärken und Grenzen

Funktionsweise elektrochemischer Sensoren

Elektrochemische Gasanalysegeräte detektieren Gase durch chemische Reaktionen in Elektroden innerhalb einer Sensorzelle. Das Gas strömt in den Sensor und reagiert an der Arbeitselektrode. Diese Reaktion setzt Elektronen frei oder nimmt sie auf, wodurch ein Ladungsfluss im System entsteht. Anhand dieser Ladung lässt sich die Gaskonzentration messen.

Diese Sensoren bestehen aus einer Arbeitselektrode, einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode, die in einem Elektrolyten eingebettet sind. Ein stabiles und selektives Messgas durchdringt eine Membran. Im Sensor ändert sich das elektrochemische Verhalten des Gases bei der Oxidation von Kohlenmonoxid und das des Sensors bei der Reduktion von Sauerstoff.

Typische Anwendungen von elektrochemischen Sensoren

Persönliche Sicherheits-Gaswarngeräte nutzen elektrochemische Analysatoren für niedrige Gaskonzentrationen. Sie bilden die Grundlage für tragbare und stationäre Gaswarnsysteme und dienen der Überwachung des Eindringens toxischer Gase in geschlossenen Räumen. Sie erfassen Emissionen. Ihr Einsatz ist in medizinischen Einrichtungen und Laboren weit verbreitet, wo die Gasmessung in niedrigen Konzentrationen unerlässlich ist.

Vorteile

Elektrochemische Sensoren sind hochempfindliche Gassensoren, insbesondere bei der Detektion niedriger Gaskonzentrationen. Sie erkennen Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff mit hoher Selektivität. Zudem sind sie kostengünstig und verbrauchen wenig Strom, da sie batteriebetrieben sind.

Zunächst müssen die Gasart und -konzentration sowie die Feldbedingungen definiert werden, wenn ein Sensor ausgewählt werden soll.

Nachteile

Alle Sensoren unterliegen einer Alterung aufgrund der allmählichen Erschöpfung des Elektrolyten, der Degradation der Elektroden und anderer Faktoren wie Querempfindlichkeit, Drift und sich ändernden Umgebungsbedingungen.

Zur Minimierung von Abweichungen und zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit ist außerdem eine Kalibrierung erforderlich. Die Sensoren weisen systembedingte Flexibilitäts- und Geschwindigkeitsbegrenzungen auf, da jeder Sensor für die Detektion eines einzelnen Gases ausgelegt ist.

Es ist sinnvoll, die vom Hersteller bereitgestellten Daten zur Querempfindlichkeit zu prüfen, da es Umgebungen gibt, in denen mehrere Gase vorhanden sind und daher Querempfindlichkeitswerte auftreten, die dazu beitragen können, Fehlmessungen zu vermeiden.

Unsere abschließende Perspektive

Aufgrund der Einschränkungen durch die Multigas-Funktionalitäten, die Lebensdauer und die Querempfindlichkeit (z. B. gegenüber Umgebungs- und Driftempfindlichkeit) sind elektrochemische Analysatoren aufgrund ihrer Einfachheit, Kosteneffizienz und Effektivität für den Einsatz in verschiedenen Sicherheits- und Überwachungsanwendungen vorgesehen.

2. Infrarot-Gasanalysatoren (IR): Funktionsprinzipien, Stärken und Grenzen

Funktionsweise von NDIR-Sensoren

Nichtdispersive Infrarot-Analysatoren (NDIR) Die Konzentration bestimmter Zielgase lässt sich durch die Absorption von Infrarotlicht (IR) messen. Zielgase wie Kohlendioxid und andere Kohlenwasserstoffe absorbieren IR-Strahlung nur bei bestimmten Wellenlängen. Einfache NDIR-Sensoren bestehen aus einer Infrarotlichtquelle und einer Probenzelle mit dem Zielgas.

Im Inneren des Sensors dient ein optischer Filter zur Auswahl der Wellenlänge des Zielgases. Dieses Infrarotlicht wird dann auf einen Detektor gerichtet. Eine Erhöhung der Konzentration des zu messenden Gases im Sensor führt zu einer erhöhten Absorption des Infrarotlichts und einer entsprechenden Verringerung der den Detektor erreichenden Infrarotlichtmenge. Aus dieser Verringerung der Infrarotlichtmenge im Vergleich zu einem Referenzsignal lässt sich die Gaskonzentration im Sensor bestimmen.

Typische Anwendungen

Die NDIR-Sensortechnologie ist hochentwickelt für die Überwachung der Kohlendioxidkonzentration in Gewächshäusern und Klimaanlagen. NDIR-Sensoren eignen sich auch hervorragend zur Detektion anderer Kohlenwasserstoffe wie Propan und Methan und können daher zur Überwachung der Konzentration explosiver Gase eingesetzt werden. Weitere industrielle Anwendungen umfassen die Emissionsüberwachung, die Lecksuche in Kältemitteln und die Steuerung von Anlagen.

Vorteile

Ein wesentlicher Vorteil der NDIR-Technologie ist ihre lange Lebensdauer. Da sie keine Verbrauchsmaterialien wie Elektrolyte benötigt, hält sie in der Regel deutlich länger als elektrochemische Sensoren. Sie funktioniert auch in sauerstofffreien Umgebungen einwandfrei, was für bestimmte industrielle Prozesse wichtig ist.

NDIR-Sensoren zeichnen sich im Allgemeinen durch schnellere Reaktionszeiten und Unempfindlichkeit gegenüber chemischen Einflüssen aus, was ihre Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen erhöht. Ihre Messstabilität und Wiederholgenauigkeit machen sie zu einer verlässlichen Wahl für die kontinuierliche Überwachung.

Nachteile

NDIR-Sensoren messen in der Regel mehrere Gase gleichzeitig und nicht nur ein bestimmtes. Da die Gase Infrarotstrahlung bei ähnlichen Wellenlängen absorbieren, kommt es häufig zu gegenseitigen Störungen. Im Vergleich zu herkömmlichen elektrochemischen Sensoren sind sie tendenziell teurer.

Sie stoßen auch bei der Messung von Gasen, die nicht infrarotabsorbierend sind, wie Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff, an ihre Grenzen. Zusammen mit Wasserdampf führt das Vorhandensein infrarotabsorbierender Gase dazu, dass Wasserdampf die Messgenauigkeit dieser Sensoren beeinträchtigt. Das bedeutet, dass Infrarotstrahlung und Luftfeuchtigkeit eine möglichst vollständige Absorption und Speicherung von Wasserdampf erfordern.

Die Anforderungen der NDIR-Sensoren an die Umgebungsbedingungen, insbesondere extreme Konzentrationen dieser Elemente, sollten berücksichtigt werden. Diese können die Fähigkeit der Sensoren, Gase präzise zu messen, mitunter einschränken.

Unsere abschließende Perspektive

NDIR-Sensoren sind robust und übertreffen die Konkurrenz in der Regel bei der Messung von Gasen. Der Preis der Sensoren hängt von ihrer Langlebigkeit und Robustheit ab. Auch die Grenzen der Gassensoren sollten beim Kauf berücksichtigt werden, um festzustellen, ob sie ihren Zweck erfüllen.

3. Laser-Gasanalysatoren: Funktionsprinzipien, Stärken und Grenzen

Wie laserbasierte Detektion funktioniert

Laser-Gasanalysatoren Dabei kommen einige der fortschrittlichsten optischen Messverfahren zum Einsatz. Das gebräuchlichste ist die modifizierte abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS). In diesem Aufbau erzeugt der Diodenlaser einen Lichtstrahl, der auf die Absorptionslinie eines Zielgases abgestimmt wird. Dieser Lichtstrahl durchdringt anschließend die Gasprobe, wobei nur das Zielgas den Strahl absorbiert.

Das System besteht aus einer abstimmbaren Laserquelle, einem optischen Pfad (punktförmig oder offen) und einem Detektor. Der Gasanalysator kann die Gaskonzentration sehr genau bestimmen, indem er die Abnahme der Lichtintensität im optischen Pfad an der Absorptionslinie des abstimmbaren Lasers misst.

Da der abstimmbare Laser auf eine extrem schmale Linie eingestellt ist, stören andere Gase in der Gasprobe die Messung kaum oder gar nicht.

Typische Anwendungen

Laseranalysatoren finden breite Anwendung in Bereichen, die hohe Präzision und schnelle Reaktionszeiten erfordern. Dazu gehören die Überwachung von Zaunlinien und die Fernerkundung großer Gebiete, die Spurengasanalyse in sehr niedrigen Konzentrationen sowie die Erkennung flüchtiger Emissionen in der Öl-, Gas- und Chemieindustrie.

Sie werden auch in Umgebungen mit hochreinen Gasen, in Systemen zur Optimierung der Verbrennung und in der Umweltüberwachung eingesetzt, wo Messungen über große Entfernungen erforderlich sind.

3. Vorteile

• Sehr hohe Spezifität, die den Nachweis eines einzelnen Zielgases mit minimalen Störungen ermöglicht.
• Sehr kurze Reaktionszeit, die Echtzeitüberwachung und -steuerung ermöglicht
• Sehr hohe Empfindlichkeit, die den Nachweis von Gasen im ppm- und sogar ppb-Bereich ermöglicht.
• Ermöglichen Sie die Überwachung langer Entfernungen im offenen Pfadnetz.
• Sehr stabil, mit sehr geringer Signaldrift und sehr niedrigen Basisliniensignalen
• Sehr geringe Anzahl an Unterkomponenten, was zu einem geringen Wartungsaufwand führt.

Nachteile

• Teurer als die elektrochemischen und die Infrarotanalysatoren
• Schwieriger bei Installation, Ausrichtung und insbesondere Kalibrierung
• Offene Wegesysteme können durch Nebel, Regen, Staub und große Hindernisse beeinträchtigt werden.
• Im Allgemeinen sind Open-Path-Systeme so konzipiert, dass sie nur ein einziges Zielgas von Interesse detektieren können.

Unsere abschließende Perspektive

Laser-Gasanalysegeräte bieten die unübertroffene Möglichkeit, präzise, ​​schnell und gezielt Messungen durchzuführen, was sich in vielen industriellen und umwelttechnischen Anwendungen als äußerst nützlich erweist. Aufgrund der hohen Kosten und der komplexen Technologie ist jedoch praktische Erfahrung der entscheidende Faktor.

Vergleich: Elektrochemische, Infrarot- und Laser-Gasanalysatoren

Wie wählt man das richtige Gasanalysegerät aus?

1. Definieren Sie Ihre Anforderungen

• Wie viele Zielgase müssen Sie messen?
• Geben Sie den erwarteten Konzentrationsbereich an (ppb, ppm oder %).
• Berücksichtigen Sie die Umgebungsbedingungen. Wie heiß oder feucht ist es? Wie staubig ist es? Gibt es mögliche Störungen?
• Wofür werden Sie das Gas verwenden? Zur Detektion, Steuerung, Prozessierung, Emissionskontrolle oder für Sicherheitszwecke?
• Wie schnell benötigen Sie eine Gasdetektion? Handelt es sich um ein OSHA-konformes System?

2. Technologie den Bedürfnissen anpassen

Nutzen Sie die Vergleichskriterien, um zu beurteilen, welche Technologie am besten geeignet ist. Wägen Sie wichtige Faktoren wie Genauigkeit, Gasspezifität, Reaktionszeit, Lebensdauer und Kosten ab.

Beispielsweise eignen sich elektrochemische Verfahren für die gezielte Überwachung niedriger Konzentrationen, NDIR-Systeme sind gut für Kohlenwasserstoffe und CO₂ geeignet, während Lasersysteme ideal für hochpräzise oder ferngesteuerte Detektion sind.

3. Berücksichtigen Sie die Gesamtbetriebskosten.

Der Anschaffungspreis ist nicht alles. Berücksichtigen Sie auch die Kosten für Wartung, Sensoraustausch und Ausfallzeiten. Oftmals führen höhere Anfangsinvestitionen langfristig zu geringeren Kosten.

4. Sicherstellen der Einhaltung

Wählen Sie Analysegeräte, die den relevanten Branchenstandards und lokalen Vorschriften für Sicherheits- und Umweltüberwachung entsprechen. Dies ist unerlässlich, um Strafen zu vermeiden und eine zuverlässige Berichterstattung zu gewährleisten.

5. Vor der Bereitstellung validieren

• Scheuen Sie sich nicht, den Hersteller um etwas Hilfe zu bitten.
• Um sicherzugehen, dass die Ergebnisse korrekt sind, sollten Sie den Analysator testen.
• Scheuen Sie sich nicht, um Hilfe bei Fragen zu Schulungen, der Abschreibung von Lagerverkäufen und unnötigen Dienstleistungen zu bitten.

6. Strukturierte Entscheidungsunterstützung

Ein präziseres Entscheidungsinstrument, das sich auch in komplexen Situationen bewährt, könnte ein einfaches Entscheidungshilfsmittel sein. Für die Gasauswahl könnte beispielsweise eine Checkliste, die auf die jeweiligen Umgebungsbedingungen, das Gas und das Budget zugeschnitten ist, die Standardisierung innerhalb der Abteilung fördern und Fehlentscheidungen bei der Gasauswahl vermeiden helfen.

7. Häufige Missverständnisse aufklären

Annahmen unter bestimmten Umständen sollten vermieden werden, da eine Technologie in mancher Hinsicht überlegen sein kann. Jede Technologie hat je nach Anwendungsfall ihre Vor- und Nachteile. Rationale Entscheidungen müssen auf dokumentierter, nachgewiesener und quantifizierbarer Leistung basieren und nicht auf individuellen Präferenzen.

Abschluss:

Die Wahl zwischen elektrochemischen, Infrarot- (NDIR) und Laser-Gasanalysegeräten hängt von den zu analysierenden Gasen, der erforderlichen Empfindlichkeit, den Umgebungsbedingungen und den Gesamtbetriebskosten ab. Elektrochemische Sensoren sind kostengünstig für die Sicherheitsüberwachung einzelner Gase (z. B. O₂, CO, H₂S). Infrarot-Analysegeräte bieten eine längere Lebensdauer und zuverlässige Leistung für CO₂ und Kohlenwasserstoffe. Laser-Analysegeräte liefern unübertroffene Geschwindigkeit, Spezifität und Spurengasdetektion für anspruchsvolle industrielle und umwelttechnische Anwendungen. Wählen Sie die Technologie passend zu Ihren praktischen Anforderungen und nicht nur nach dem Anschaffungspreis.