Industrie 5.0

Bei brennbaren Gasen wird die Sicherheitskette über die untere Explosionsgrenze ausgelegt. Die Alarmschwellen liegen dort im Prozentbereich — bei Wasserstoff also bei mehreren tausend ppm. Ein Sensor, der ppb auflöst, ist für diese Aufgabe nicht empfindlicher als nötig, sondern um Grössenordnungen zu empfindlich. Die Frage ist deshalb eine andere: Was fängt man mit dem Bereich darunter an?

Was das Datenblatt zusichert — und was nicht

Wir stellen das an den Anfang, weil es über die Belastbarkeit jeder weiteren Aussage entscheidet.

Nur für CO nennt das Datenblatt unter den hier relevanten Gasen einen zugesicherten Wert. Für die übrigen sind Messwerte und Prüfbedingungen projektbezogen zu bestimmen — das ist Teil der Machbarkeitsprüfung, nicht ein Detail danach.

Die Rechnung mit der Explosionsgrenze

Wasserstoff ist ab 4 Volumenprozent in Luft zündfähig. Gaswarnanlagen alarmieren üblicherweise bei 10 bis 20 Prozent dieses Werts, damit Zeit zum Eingreifen bleibt.

8 000 ppm sind 0,8 Volumenprozent. Ein Sensor, der Stoffe im ppb-Bereich unterscheidet, arbeitet vier Grössenordnungen darunter. Für die Sicherheitsfunktion bringt das nichts — dort zählt nicht, wie früh man etwas sieht, sondern dass die Meldung zuverlässig, geprüft und zugelassen ist.

Der Nutzen liegt woanders: in der Zeit davor. Ein Leck beginnt nicht bei 0,8 Volumenprozent. Es beginnt klein und wächst. Wer die Anlage im Bereich weit unterhalb der Alarmschwelle beobachtet, sieht eine Undichtigkeit als Trend, bevor sie eine Sicherheitsfrage wird — und kann sie in einer geplanten Wartung beheben statt in einer Abschaltung.

Das eigentliche Problem ist die Querempfindlichkeit

Übliche Sensoren für brennbare Gase — katalytische Wärmetönungssensoren wie einfache MOx-Elemente — antworten auf alles Brennbare. Sie messen, dass etwas Brennbares da ist, nicht was. In einer Anlage, in der Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid und Lösungsmitteldämpfe gleichzeitig vorkommen können, führt das zu genau den zwei Fehlern, die man nicht will:

• Fehlalarm. Ein Reinigungsvorgang, ein Lösungsmittel, ein Fahrzeug in der Halle — und die Anlage meldet ein Leck, das es nicht gibt. Wiederholt sich das, wird die Meldung ignoriert.
• Verwechslung. Ein Methanaustritt wird als Wasserstoffaustritt gemeldet oder umgekehrt. Die Gegenmassnahme ist aber nicht dieselbe: Wasserstoff steigt sofort auf und sammelt sich unter der Decke, schwerere Gase verhalten sich anders.

Der NZGS 2 setzt hier an. Vier Sensorelemente auf einem Chip von 1,15 × 1,15 mm, zwei verschiedene Schichten, unterschiedliche Arbeitstemperaturen — ein Gasereignis erzeugt vier Signalverläufe, und der Stoff wird aus deren Verhältnis bestimmt statt aus der Höhe eines einzelnen Ausschlags. Das Verfahren steht auf der Technologieseite.

Kohlenmonoxid: der Fall mit belegter Zahl

Unter den industriell relevanten Gasen ist CO das einzige mit einer zugesicherten Nachweisgrenze: 900 ppb, also rund 0,9 ppm. Erkannt wird es über die Wolframtrioxid-Schicht.

Das ist eine brauchbare Grössenordnung für die Frage, ob eine Verbrennung sauber läuft. Ein Kessel, ein Brenner oder ein Ofen, der zu wenig Luft bekommt, zeigt das im CO-Gehalt des Abgases, lange bevor es ein Sicherheitsthema wird. Als Kanal für Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung ist das der belastbarste Teil dieser Anwendung.

Explosionsschutz ist eine Konstruktionsfrage

Ein Punkt, der früh geklärt gehört: Der NZGS 2 arbeitet mit zwei beheizten Elementen bei Heizerspannungen von 1,8 bis 2,2 V und rund 70 mW. Ein beheiztes Bauteil in einer möglicherweise explosionsfähigen Atmosphäre ist kein Zubehörthema.

Keine Sicherheitsfunktion

Das ist die zweite Abgrenzung, und sie ist ebenso wichtig. Ortsfeste Gaswarnanlagen für brennbare Gase unterliegen eigenen Normen, unter anderem der Reihe EN 60079-29. Sie verlangen Selbstüberwachung, definierte Ansprechzeiten, regelmässige Funktionsprüfung mit Prüfgas und eine Zulassung.

Der NZGS 2 erfüllt diese Anforderungen nicht und ist nicht dafür gedacht. Er liefert einen Messwert. Wer eine Sicherheitsfunktion braucht, nimmt eine zugelassene Anlage — und kann den Sensor daneben für die Beobachtung des Bereichs darunter einsetzen. Nach unseren Bedingungen verlangt der Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen ohnehin eine gesonderte schriftliche Vereinbarung.

Wo der Sensor tatsächlich passt

• Früherkennung schleichender Undichtigkeiten an Verschraubungen, Ventilen und Dichtungen — weit unterhalb der Alarmschwelle, als Trend über Tage und Wochen.
• Zustandsüberwachung von Verbrennungsprozessen über den CO-Gehalt, mit belegter Nachweisgrenze.
• Unterscheidung, welches Gas austritt, wo mehrere brennbare Gase in derselben Anlage vorkommen.
• Verteilte Messung an vielen Punkten, wo Bauraum und Leistungsaufnahme über die Machbarkeit entscheiden: QFN-8 mit 2,8 × 2,8 × 1,6 mm, rund 70 mW.

Was der Sensor nicht leistet

• Er ersetzt keine zugelassene Gaswarnanlage und keine Sicherheitsfunktion nach EN 60079-29.
• Er bringt für Wasserstoff keine zugesicherte Nachweisgrenze mit. Die Zahl entsteht erst aus einer Messkampagne mit Ihrem Gemisch.
• Er ist nicht Ex-zertifiziert. Die Zündschutzart entsteht auf Geräteebene, nicht am Bauteil.
• Er altert und ist empfindlich. Basislinienverschiebung ist kompensierbar, wenn Temperatur und Feuchte mitgemessen werden. Silikonverbindungen vergiften die Zinndioxid-Schicht irreversibel — in Industrieumgebungen ein realistisches Risiko, das bei Gehäuse, Dichtungen und Klebstoffen bedacht werden muss.

Wie ein Projekt beginnt

Weil für die meisten Gase dieser Anwendung keine zugesicherten Werte vorliegen, steht am Anfang zwingend eine Messung. Das Evaluation Kit mit Auswerteelektronik und Software nimmt die vier Signalverläufe auf, extrahiert die Merkmale und zeigt, ob sich Ihre Zielgase im Merkmalsraum von den Störgrössen Ihrer Anlage trennen lassen.

Gebraucht werden Referenzluft, die Zielgase in bekannten Konzentrationen und die Störgrössen, die am Einbauort realistisch vorkommen — in Industrieumgebungen typischerweise Lösungsmittel, Abgase und Reinigungsmittel. Dazu Temperatur und Feuchte über den erwarteten Bereich. Alle Kennwerte des Bauteils stehen im Datenblatt-Auszug.

Explosionsgrenzen nach allgemein anerkannten sicherheitstechnischen Kennzahlen; Sensorkennwerte nach NANOZ NZGS 2, Datenblatt Rev. 3.3.0. Normverweise dienen der Einordnung und ersetzen keine sicherheitstechnische Beurteilung des konkreten Geräts.