ABGS GmbH

Aehnelt & Braune Gaswarn- & Systemtechnik

Die ABGS GmbH ist ISO 9001 und DIN SPEC 77224 zertifiziert
 

[Fachartikel] Kalibrierung von Gaswarnanlagen – Teil 1

10. November 2016 | ABGS GmbH | Kategorie Wissen

Fachartikel-ReiheDie Kalibrierung einer Gaswarnanlage erfolgt erstmalig im Rahmen der Inbetriebnahme und danach regelmäßig bei der Wartung/Service.
Kalibrierung (Feldüberprüfung mit Gas): Die Aufgabe von Prüfgas auf den Sensor, um das Antwortsignal oder die Alarmauslösung zu überprüfen, ohne dabei Nullpunkt und Empfindlichkeit zu justieren.
Erstjustierung: Die erste Justierung für einen spezifischen Stoff, einen Messbereich und eine Anwendung, die vom Hersteller vor der Auslieferung oder vor der Inbetriebnahme am Einsatzort durchgeführt wird.
Justierung: Weitere Einstellungen, die regelmäßig vorgenommen werden, um den Nullpunkt und die Empfindlichkeit des Sensors mit einem bekannten Prüfgasgemisch zu überprüfen und einzustellen, ohne dass die bei der Erstjustierung eingeführten Parameter Gasart; Messbereich und spezielle Anwendung verändert werden.
In der Praxis wird allerdings in den Begriff der Kalibrierung die Justierung mit eingeschlossen.

Durch den Vorgang der Kalibrierung wird eine Beziehung zwischen der eigentlich gemessenen physikalischen Größe und der beaufschlagten Gaskonzentration hergestellt, beim
Wärmetönungssensor: Zuordnung von Wheatstone-Brückenspannung in mV und Gaskonzentration in % UEG
infrarot-optischen Sensor: Zuordnung von integraler Adsoption in % und Gaskonzentration in % UEG, % V/V oder ppm
elektrochemischen Sensor: Zuordnung von Sensorstrom in uA und Gaskonzentration in ppm bzw. % V/V beim Sauerstoffsensor
Wärmeleitfähigkeitssensor: Zuordnung von Wheatstone-Brückenspannung in mV und Gaskonzentration in % V/V
Halbleitersensor: Zuordnung von Wheatstone-Brückenspannung in mV und Gaskonzentration in ppm

Nullgas ist ein Prüfgas, das weder brennbare Komponenten noch störende Verunreinigungen enthält. In der Regel wird atmosphärische Luft, in Sonderfällen auch synthetische Luft (20,9 % V/V Sauerstoff, Rest Stickstoff) verwendet.
Standard-Prüfgas ist ein Gemisch des zu messenden brennbaren Gases oder Dampfes in Luft. Die Volumenkonzentration beträgt etwa zwei Drittel des Messbereichsendwertes, jedoch nicht mehr als etwa 50% UEG.
Alarm-Prüfgas ist ein Gemisch des zu messenden brennbaren Gases oder Dampfes in Luft. Die Volumenkonzentration liegt beim Alarmpunkt (Alarmpunktkonzentration).

Nullpunktkalibrierung
Die Nullpunktkalibrierung mit Umgebungsluft ist die am häufigsten durchgeführte, denn hierbei wird einem für die Raumluftüberwachung eingesetzten Sensor genau die Luft angeboten, der er auch während seines Betriebes (im Normalzustand) ausgesetzt ist. Der Nullpunkt eines Kohlendioxid-Sensors kann wegen des CO2-Gehaltes der Umgebungsluft natürlich nur mit synthetischer Luft oder Stickstoff kalibriert werden. Der Nullpunkt eines Sauerstoffsensors wird mit Stickstoff kalibriert und die Empfindlichkeitskalibrierung ist mit Umgebungsluft (20,9 % V/V Sauerstoff unter Normalbedingungen) möglich.

Kalibrierung von Wärmetönungssensoren
Das Prüfgas befindet sich im Gemisch mit synthetischer Luft in Druckgasflaschen (bis 150 bar Fülldruck) oder Druckdosen (Fülldruck ca. 12 bar). Daraus wird das Prüfgas, ggf. unter Zwischenschaltung eines geeigneten Druckminderers, mit einem konstanten Durchfluss über einen Adapter an den Sensor herangeführt. Nach Stabilisierung der Anzeige wird mit der Verstärkung der nachfolgenden Anzeige-Elektronik der erforderliche Wert nachjustiert.

Kalibrierung von infrarot-optischen Sensoren
Das Prüfgas befindet sich im Gemisch mit synthetischer Luft. Der Zusammenhang zwischen der beaufschlagten Gaskonzentration und der eigentlich gemessenen physikalischen Größe ist bei infrarot-optischen Sensoren mehr oder weniger unlinear. Es werden deshalb drei unterschiedliche Linearisierungsarten verwendet:

  • Methan-Linearisierung, nur für Methan anwendbar
  • Ethen-Linearisierung, für eine Gruppe von Zielgasen anwendbar
  • Propan-Linearisierung, für eine Gruppe von Zielgasen anwendbar

Eine individuelle Korrektur bzw. Anpassung der gewählten Linearisierungskennlinie an das Zielgas erfolgt durch einen Korrekturfaktor. Wie anschließend bei den elektrochemischen Sensoren beschrieben, ist auch bei den infrarot-optischen Sensoren eine Ersatzkalibrierung möglich.

Kalibrierung von elektrochemischen Sensoren
Das Prüfgas befindet sich im Gemisch mit Stickstoff.
Ampullen-Kalibrierung:
Hierbei handelt es sich um Glasampullen mit einer Sollbruchstelle, deren Inhalt von einer solchen Konzentration ist, dass sich bei Freisetzung des Ampulleninhalts in der Kalibrierflasche eine homogene Konzentration ausbildet, die der Aufschrift der Ampulle entspricht. Die Kalibrierflasche wird dann mit der dafür vorgesehenen Öffnung dichtschließend auf den Sensor gesetzt. Der Fehler der Ampullenkalibrierung liegt zwischen 15 % und 35 %. Diese Begasung ohne Durchfluß und Strömung bildet am besten die Diffusionsverhältnisse nach.
Druckgasflaschen-Kalibrierung:
Druckgasflaschen enthalten das Zielgas in einer sinnvollen Konzentration in einem Gemisch mit Stickstoff. Die Gewährleistung auf die Stabilität der angemischten Konzentration beträgt bei niedrigen Konzentrationswerten nur 3 Monate bis 6 Monate. Die Entnahme des Gases aus der Druckflasche erfolgt über einen Druckminderer. Am Durchflussregler wird ein Wert von ca. 0,5 Liter pro Minute eingestellt. Die Begasung erfolgt über einen Sensoradapter. Der Fehler der Druckgasflaschen-Kalibrierung liegt zwischen 2 % und 5 %.
Druckdosen-Kalibrierung:
Viele Gasgemische sind auch in sogenannten Druckdosen standardmäßig erhältlich. Es handelt sich dabei um Aluminiumbehälter mit einem Volumen von 1 Liter Gas bei einem Fülldruck von 12 bar, entspannt also 12 Liter Gasgemisch. Die Entnahme des Gases aus der Druckdose erfolgt über ein spezielles Entnahmeventil. Die Stabilität der Konzentration und der Fehler der Kalibrierung entsprechen denen der Druckgasflaschen-Kalibrierung. Bei kleinen Messstellenzahlen ist, im Hinblick auf die kurze Haltbarkeitszeit der Gemische, das geringere Volumen der Druckdose gegenüber einer Druckgasflasche ein Vorteil.
Ersatzkalibrierung:
Einige Sensorhersteller geben für bestimmte Sensortypen Kalibrierfaktoren (in speziellen Gaselisten) an, die den Zusammenhang zwischen Zielgas und Ersatzprüfgas herstellen. Das bedeutet in der Praxis, dass der Sensor mit einem einfach zu beschaffenden und handhabbaren Ersatzprüfgas kalibriert wird, dessen Konzentration entsprechend des Kalibrierfaktors auf eine Konzentration des Zielgases umgerechnet werden kann. Zum Fehler der Druckgasflaschen-Kalibrierung mit dem Ersatzprüfgas von 2 % bis 5 % kommt noch ein möglicher Fehler von bis zu 20% durch die Umrechnung auf das Zielgas hinzu.

Kalibrierung von Wärmeleitfähigkeitssensoren
Das Prüfgas befindet sich im Gemisch mit synthetischer Luft. Bei Gaskonzentrationen im V/V-Bereich gelten die Ausführungen für die Kalibrierung von Wärmetönungssensoren sinngemäß.

Kalibrierung von Halbleitersensoren
Das Prüfgas befindet sich im Gemisch mit synthetischer Luft. Bei Gaskonzentrationen im ppm-Bereich gelten die Ausführungen für die Kalibrierung von Wärmetönungssensoren sinngemäß.

Häufig benötigte Kalibriergas-/Trägergaskonzentrationen für Wärmetönungs-(WT), infrarot-optische-(IR) und elektrochemische Sensoren (EC):

Gas
KonzentrationTrägergasVerwendeter Sensor
Ammoniak NH350 ppm und 500 ppmStickstoff N2EC
n-Butan C4H107.000 ppm = 50% UEGLuftIR, WT
Chlor Cl25 ppmStickstoff N2EC
Distickstoffmonoxid N2O500 ppmStickstoff N2IR
Ethylen C2H41,15 %V/V = 50 % UEGLuftIR, WT
Flourwasserstoff HF20 ppmStickstoff N2EC
n-Hexan C6H145.000 ppm = 50% UEGLuftIR, WT
Kohlenstoffmonoxid CO200 ppmStickstoff N2EC
Kohlenstoffdioxid CO25.000 ppmStickstoff N2IR
Methan CH42,2 %V/V = 50 % UEGLuftIR, WT
Propan C3H88.500 ppm = 50% UEGLuftIR, WT
Sauerstoff O210 %V/V und 20 %V/VStickstoff N2EC
Schwefeldioxid SO210 ppmStickstoff N2EC
Schwefelwasserstoff H2S20 ppm und 200 ppmStickstoff N2EC
Stickstoff N2
( Nullgas )
100 %V/V
Stickstoffdioxid NO210 ppmLuftEC
Stickstoffmonoxid NO50 ppmStickstoff N2EC
Wasserstoff H21.000 ppm und
2,0%V/V = 50% UEG
LuftEC, WT

wird fortgesetzt

Bezug auf geltende Normen, Richtlinien, Verordnungen und Regeln:
Merkblatt T 021 (DGUV Information 213-056) Gaswarneinrichtungen für toxische Gase/Dämpfe und Sauerstoff, Merkblatt T 023 (DGUV Information 213-057) Gaswarneinrichtungen für den Explosionsschutz

Literatur: Wolfgang Jessel, Gase-Dämpfe-Gasmesstechnik

Gastautor: Dipl.-Ing. Dieter Seyfert

Dieser Artikel erscheint in unserer monatlichen Fachartikel-Reihe über ausgewählte Themen der Gaswarntechnik, Gasmesstechnik, Gebäudetechnik und Sicherheitstechnik. Sie können diese Artikel über den RSS-Button abonnieren. Eine Einbindung in fremde Webseiten ist nur ungekürzt und mit Quellenangabe und Link zu diesem Artikel gestattet.

© 2016 ABGS GmbH – Dipl.-Ing. Dieter Seyfert

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