Unsichtbare Risiken erfordern präzise Sensorik: Elektrochemische Gassensoren für die industrielle Sicherheit

Gefährliche Gase sind oft unsichtbar, schwer zu erkennen und können sich schnell ausbreiten.

In den Bereichen chemische Verarbeitung, Energie, Stromerzeugung, Metallurgie, Umweltschutz, kommunale Infrastruktur und Bergbau können Industriearbeiter mit einer Vielzahl von toxischen, brennbaren oder sauerstoffarmen Umgebungen in Kontakt kommen.

Schwefelwasserstoff kann sich in der Nähe von chemischen Anlagen und Abwasseranlagen ansammeln. Kohlenmonoxid kann bei Verbrennungs- und metallurgischen Prozessen entstehen. Ammoniak kann in Kälteanlagen und chemischen Anlagen austreten. Auch in unterirdischen Versorgungsräumen, Tanks und anderen geschlossenen Bereichen kann Sauerstoffmangel auftreten.

Sobald diese Risiken auftreten, bietet die alleinige Fokussierung auf menschliche Inspektionen möglicherweise keine ausreichende Abdeckung oder Reaktionszeit.

Die kontinuierliche Gasüberwachung ermöglicht es dem Sicherheitssystem, Konzentrationsänderungen in Echtzeit zu erkennen und Warnungen auszugeben, bevor gefährliche Zustände erreicht werden. Sie liefert außerdem die erforderlichen Daten für Belüftung, Geräteabschaltung, Fernbenachrichtigung, Evakuierung und Notfallmaßnahmen.

Aus diesem Grund sind Hochleistungsgassensoren zu zentralen Sensorkomponenten geworden in:

• Feste Gaswarnsysteme;
• tragbare Gaswarngeräte;
• persönliche Sicherheitsmonitore;
• Instrumente für beengte Räume;
• Mehrgasdetektionsgeräte;
• industrielle IoT-Überwachungsterminals;
• Werkweite Sicherheitsmanagementplattformen.

Die Arbeitssicherheit wandelt sich von einer reaktiven Haltung nach einem Vorfall hin zu einer frühzeitigen Risikoerkennung.

Warum elektrochemische Sensoren so häufig zur Erkennung toxischer Gase eingesetzt werden

Für unterschiedliche Ziele und Anwendungen eignen sich verschiedene Gasdetektionsprinzipien.

Bei toxischen Gasen wie CO, H₂S, NH₃, SO₂, Cl₂ und NO₂ hat sich die elektrochemische Sensorik zu einer der etabliertesten und am weitesten verbreiteten Technologien entwickelt.

Das Funktionsprinzip beruht auf einer kontrollierten elektrochemischen Reaktion.

Wenn das Zielgas durch die gasdurchlässige Membran in den Sensor eintritt, erreicht es die Arbeitselektrode und nimmt an einer spezifischen Oxidations- oder Reduktionsreaktion teil. Diese Reaktion erzeugt einen elektrischen Strom, der von der Gaskonzentration abhängt.

Das Signal wird dann von der Detektorelektronik verstärkt, kompensiert und in einen Konzentrationswert umgewandelt.

Dieses direkte Messprinzip bietet mehrere Vorteile für die industrielle Überwachung toxischer Gase:

• hohe Empfindlichkeit bei Konzentrationen im ppm-Bereich;
• relativ schnelle Reaktion;
• gute Ausgangslinearität;
• Energieeffizient;
• kompakte Sensorstruktur;
• Eignung für die kontinuierliche Überwachung;
• bequeme Integration in stationäre und mobile Geräte.

Diese Eigenschaften ermöglichen es elektrochemischen Sensoren, kleine Konzentrationsänderungen zu erkennen und die für industrielle Sicherheitssysteme erforderlichen Frühwarndaten zu liefern.

Gängige Industriegase, die mit elektrochemischen Sensoren nachgewiesen werden

Kohlenmonoxid

Kohlenmonoxid kann bei unvollständiger Verbrennung, in Öfen, Kesseln, Motoren, metallurgischen Prozessen und bei Arbeiten in geschlossenen Räumen entstehen.

Da CO farb- und geruchlos ist, ist der Nachweis mittels Instrumenten unerlässlich.

Typische Anwendungen sind:

• Stahl- und Hüttenwerke;
• Heizräume;
• Tiefgaragen;
• Generatorräume;
• Tunnel;
• beengte Räume;
• tragbare persönliche Monitore.

Schwefelwasserstoff

Schwefelwasserstoff wird häufig mit der petrochemischen Produktion, der Abwasserbehandlung, Abwasserkanälen, der Zellstoff- und Papierherstellung, dem Bergbau und beengten Räumen in Verbindung gebracht.

Selbst relativ niedrige Konzentrationen erfordern eine sorgfältige Überwachung.

H₂S-Sensoren können integriert werden in:

• Überwachungsgeräte für die Abwasserbehandlung;
• tragbare Detektoren für beengte Räume;
• fest installierte Industriealarmanlagen;
• Rohrleitungs- und Prozessbereichsüberwachungssysteme;
• Sicherheitsausrüstung für kommunale Versorgungsunternehmen.

Ammoniak

Ammoniak wird in der industriellen Kältetechnik, der Düngemittelproduktion, der chemischen Verarbeitung und in der Landwirtschaft eingesetzt.

Ein Ammoniaksensor kann helfen, Leckagen in folgenden Bereichen zu erkennen:

• Kühlhäuser;
• Kälteanlagen;
• Anlagen zur Düngemittelproduktion;
• Bereiche der chemischen Verarbeitung;
• Vieh- und Landwirtschaftsanlagen.

Schwefeldioxid

Schwefeldioxid kann bei Verbrennungsprozessen, beim Schmelzen, bei der chemischen Produktion und bei der Umweltüberwachung auftreten.

SO₂-Sensoren unterstützen:

• industrielle Emissionsüberwachung;
• Prozessleckerkennung;
• Umweltüberwachung;
• persönliche Schutzausrüstung;
• Giftgaswarnanlagen repariert.

Chlor

Chlor findet breite Anwendung in der Wasseraufbereitung, Desinfektion, chemischen Produktion und industriellen Verarbeitung.

Die Cl₂-Überwachung ist besonders wichtig in folgenden Situationen:

• Wasseraufbereitungsanlagen;
• Chemikalienlager;
• Desinfektionsgeräte;
• Chlordosiersysteme;
• Kommunale Einrichtungen.

Stickstoffdioxid

Stickstoffdioxid kann durch Verbrennungsanlagen, Motoren, Schweißprozesse und industrielle Emissionen entstehen.

Typische Anwendungen sind:

• Tunnel- und Parkplatzbelüftung;
• industrielle Emissionsüberwachung;
• Überwachung des Verbrennungsprozesses;
• tragbare Giftgaswarngeräte;
• Arbeitsschutzausrüstung.

Sauerstoff

Die Sauerstoffmessung dient dazu, sauerstoffarme oder sauerstoffreiche Bedingungen zu identifizieren.

Es ist besonders wichtig in:

• Panzer;
• Brunnen;
• unterirdische Räume;
• Prozessbehälter;
• Bergwerke;
• Abwasseranlagen;
• andere beengte Arbeitsumgebungen.

Die industrielle Gasdetektion stellt höhere Anforderungen an die Sensorleistung.

Bei der industriellen Gasdetektion geht es nicht einfach nur um die Messung der Konzentration.

Reale Betriebsumgebungen können Folgendes umfassen:

• schnelle Temperaturänderungen;
• hohe Luftfeuchtigkeit oder Kondensation;
• Staub;
• Vibration
• mehrere Gase gleichzeitig vorhanden;
• korrosive Atmosphären;
• lange Zeiträume ununterbrochenen Betriebs;
• niedrige Grenzwerte für die berufsbedingte Exposition;
• abgelegene oder schwer zu wartende Installationspunkte.

Bei einem vollständigen Gasdetektor wirkt sich die Sensorleistung direkt aus auf Folgendes aus:

• Alarmgenauigkeit;
• Fehlalarmwahrscheinlichkeit;
• Risiko verpasster Alarme;
• Kalibrierungsintervall;
• Akkulaufzeit;
• Wartungsanforderungen;
• langfristige Datenzuverlässigkeit.

Eine hohe Anfangsempfindlichkeit allein genügt nicht. Der Sensor muss zudem während seiner gesamten vorgesehenen Betriebsdauer eine stabile Leistung erbringen.

Zu den wichtigsten Bewertungsfaktoren gehören:

Sensoranforderungen	Bedeutung für den fertigen Detektor
Sensitivität	Erkennt Änderungen niedriger Gaskonzentrationen
Selektivität	Verringert die Reaktion auf nicht-zielgerichtete Gase
Reaktionszeit	Bietet frühere Warnung
Reproduzierbarkeit	Sorgt für gleichbleibende Messwerte
Langzeitstabilität	Verringert Abdrift und Wartungsaufwand
Anpassungsfähigkeit an die Umwelt	Unterstützt wechselnde Temperaturen und Luftfeuchtigkeit.
Chargenkonsistenz	Vereinfacht die Kalibrierung in der Massenproduktion
Leistungsaufnahme	Unterstützt tragbare und am Körper tragbare Geräte
Mechanische Größe	Ermöglicht kompakte Detektorkonstruktionen

Elektrochemisches Gassensor-Portfolio von Winsen

Wir haben mehrere elektrochemische Gassensorplattformen für verschiedene industrielle Anlagenstrukturen und Leistungsanforderungen entwickelt.

Unser Portfolio umfasst:

• ME2-Serie;
• ME3-Serie;
• ME4-Serie;
• MEu-Reihe;
• SMX Miniatur-Industriegassensorserie;
• elektrochemische Gassensormodule;
• Mehrgasdetektionsmodule.

Die verfügbaren Produkte decken viele gängige, überwachte Industriegase ab, darunter:

• CO;
• H₂S;
• NH₃;
• SO₂;
• NO₂;
• Cl₂;
• O₂;
• H₂;
• PH₃;
• HCl;
• HF;
• O₃ und andere Zielgase.

Diese Produktstruktur ermöglicht es Geräteherstellern, ein Sensorelement oder ein integriertes Modul entsprechend der erforderlichen Größe, Leistung, Intelligenz und Entwicklungsfähigkeit auszuwählen.

ME2-Serie

Die ME2-Serie bietet kompakte elektrochemische Sensorlösungen für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Es kann Produkte wie die folgenden unterstützen:

• Alarmanlagen für Haushalte und Gewerbebetriebe;
• tragbare Instrumente;
• kompakte Überwachungsterminals;
• Eingebaute Sicherheitsvorrichtungen.

ME3-Serie

Die ME3-Serie ist für ein breites Spektrum an Anwendungen zur Erkennung toxischer Gase konzipiert und eignet sich für viele herkömmliche stationäre und tragbare Detektorplattformen.

Die Produktformate unterstützen verschiedene Gase und Messanforderungen und sind somit eine flexible Option für die Entwicklung industrieller Anlagen.

ME4-Serie

Die ME4-Serie findet breite Anwendung in industriellen Geräten zur Erkennung toxischer Gase.

Seine standardisierte Industriestruktur eignet sich für Anwendungen, die eine zuverlässige Langzeit-Gasüberwachung erfordern, darunter:

• Feste Sender;
• tragbare Gaswarngeräte;
• Geräte zur Umweltüberwachung;
• Industrielle Sicherheitsterminals.

MEu-Serie

Die MEu-Serie bietet eine kompaktere Bauweise bei gleichzeitiger Beibehaltung der für die professionelle Gasdetektion erforderlichen Leistung.

Es unterstützt die fortschreitende Miniaturisierung von:

• Handinstrumente;
• tragbare Monitore;
• Mehrgasdetektoren;
• Kompakte Industrieterminals.

SMX Miniaturisierte intelligente Industriegassensoren

Da industrielle Anlagen immer kleiner und intelligenter werden, benötigen Kunden zunehmend Sensorprodukte, die Gaserkennung, Signalverarbeitung und Diagnosefunktionen integrieren.

Die Serien SMX und SMX100 sind für diese Entwicklungsrichtung konzipiert.

Je nach Konfiguration kann die intelligente Sensorplattform Folgendes unterstützen:

• Werkskalibrierung;
• algorithmenbasierte Kompensation;
• Fehlerselbstdiagnose;
• digitaler UART-Ausgang;
• Energiesparende Betriebsmodi;
• kompakte, kontaktbasierte Installation;
• vereinfachter Austausch und Wartung.

Die flache Miniaturstruktur hilft Geräteherstellern, leichtere und kompaktere Produkte zu entwickeln, ohne die komplette Signalaufbereitungsschaltung und den Kompensationsalgorithmus von Grund auf neu aufbauen zu müssen.

Typische Anwendungen sind:

• tragbare industrielle Detektoren;
• tragbare Sicherheitsvorrichtungen;
• Inspektionsroboter;
• unbemannte Überwachungstechnik;
• Überwachung unterirdischer Versorgungsleitungen;
• Intelligente Industrieterminals.

Elektrochemische Sensormodule

Für Kunden, die einen einfacheren Integrationsprozess benötigen, bieten wir auch Sensormodule an, die das elektrochemische Sensorelement mit Signalverarbeitungsschaltungen und eingebetteten Algorithmen kombinieren.

Im Vergleich zur Verwendung eines einzelnen Sensorelements kann ein integriertes Modul dazu beitragen, Folgendes zu reduzieren:

• Entwicklung analoger Schaltungen;
• Signalverstärkungsarbeiten;
• Entwicklung der Vergütung;
• Kalibrierungsaufwand;
• Zeit zum Debuggen;
• Produktentwicklungsrisiko.

Durch die standardisierte digitale oder analoge Ausgangsausgabe lässt sich das Modul zudem einfacher an den Host-Controller anschließen.

Mehrgasdetektionsmodule

Viele industrielle Umgebungen bergen mehr als eine potenzielle Gefahr.

Ein Monitor für beengte Räume muss beispielsweise Folgendes messen:

• Sauerstoff;
• Kohlenmonoxid;
• Schwefelwasserstoff;
• Brennbares Gas.

Multi-Gas-Module integrieren mehrere Sensorkanäle in ein System und helfen Kunden so bei der Entwicklung kompakter Instrumente mit zentralisierter Signalverarbeitung und Kommunikation.

Typische industrielle Anwendungen

Stationäre Gaswarnsysteme

Fest installierte Gaswarngeräte befinden sich in der Nähe von Lagerbereichen, Rohrleitungen, Produktionsanlagen und anderen Hochrisikobereichen.

Der Sensor überwacht kontinuierlich die umgebende Atmosphäre und kann Folgendes auslösen:

• akustische und optische Alarme;
• Abluftventilatoren;
• Lüftungssysteme;
• Notabschaltung;
• Benachrichtigung der Leitstelle;
• Datensätze der Cloud-Plattform.

Tragbare Gasdetektoren

Tragbare Messgeräte ermöglichen es dem Personal, wechselnde Standorte zu inspizieren und Arbeitsbereiche zu betreten, wobei sofortige Konzentrationsinformationen vorliegen.

Typische Anwendungen sind:

• Wartungsinspektion;
• Einstieg in beengte Räume;
• Pipelinepatrouille;
• Notfallmaßnahmen;
• Untersuchung der Leckagequelle;
• Überwachung der Exposition am Arbeitsplatz.

Sicherheit in beengten Räumen

Tanks, Abwasserkanäle, Brunnen, Tunnel, Gruben und unterirdische Versorgungsräume können giftige Gase oder unzureichenden Sauerstoff enthalten.

Ein Detektor für geschlossene Räume kombiniert üblicherweise mehrere Sensorkanäle, um Folgendes zu identifizieren:

• Sauerstoffmangel;
• Risiko durch brennbare Gase;
• Kohlenmonoxid;
• Schwefelwasserstoff oder andere giftige Gase.

Die kontinuierliche Personenüberwachung bietet den Arbeitern eine wichtige Warnebene beim Betreten und während des Betriebs.

Industrielle IoT-Überwachung

Gassensoren können mit verteilten Endgeräten, Gateways und Cloud-Plattformen verbunden werden.

Dies ermöglicht den Betreibern den Zugriff auf:

• Konzentrationsdaten in Echtzeit;
• Alarmstatus;
• historische Trends;
• Gerätestatus;
• Wartungsberichte;
• regionale Risikokarten.

Durch die Verknüpfung von Sensordaten mit industriellen Sicherheitsmanagementsystemen kann sich die Gasdetektion von isolierten Alarmen zu einem vernetzten Risikomanagementinstrument weiterentwickeln.

Umwelt- und Kommunalüberwachung

Elektrochemische Sensoren können auch Anwendungen wie die folgenden unterstützen:

• Überwachung der Abwasserbehandlung;
• Sicherheit des Abwassernetzes;
• Industriegrenzüberwachung;
• Umweltinspektion;
• städtische Versorgungsinfrastruktur;
• Geruchs- und Emissionsüberwachung.

Von der Gasdetektion bis zum datengestützten Sicherheitsmanagement

Die Rolle des Gassensors verändert sich.

Es dient nicht mehr nur als Sensorelement in einem lokalen Alarm. Seine Konzentrationsdaten können nun umfassendere Sicherheitsmanagementfunktionen unterstützen.

Ein vernetztes industrielles Überwachungssystem kann Sensordaten nutzen, um:

1. abnormale Konzentrationsänderungen erkennen;
2. Vergleich der Messwerte von mehreren Standorten;
3. Belüftung aktivieren oder Abschaltlogik aktivieren;
4. Mitarbeiter vor Ort und Remote-Manager benachrichtigen;
5. Das Ereignis zur späteren Analyse protokollieren;
6. wiederkehrende Risiken identifizieren;
7. Unterstützung von vorbeugender Instandhaltung und Prozessverbesserung.

Dadurch wird die Gasdetektion von einer reaktiven Alarmfunktion in eine Quelle betrieblicher Sicherheitsinformationen umgewandelt.

Wie man einen elektrochemischen Gassensor auswählt

Bestätigen Sie das Zielgas

Unterschiedliche Gase erfordern unterschiedliche Elektrodenmaterialien, Filter und Sensorstrukturen.

Ein für CO entwickelter Sensor kann nicht automatisch auch für NH₃, H₂S oder Cl₂ verwendet werden.

Messbereich definieren

Der gewählte Bereich sollte die zu erwartende Konzentration abdecken und gleichzeitig eine ausreichende Auflösung um die Alarmschwelle herum gewährleisten.

Ein unnötig breiter Messbereich kann die nutzbare Auflösung bei niedrigen Konzentrationen verringern.

Bewerten Sie die Kreuzinterferenzen.

Industrielle Umgebungen können mehrere Gase oder Dämpfe gleichzeitig enthalten.

Das Projekt sollte Folgendes bewerten:

• zu erwartende Hintergrundgase;
• Reinigungsmittel;
• Lösungsmittel;
• Prozessemissionen;
• Abgaskomponenten;
• Luftfeuchtigkeit und Temperatur.

Berücksichtigen Sie die Umgebungsbedingungen

Bestätigen Sie das Erwartete:

• Betriebstemperatur;
• Feuchtigkeit;
• Druck;
• Luftstrom;
• Kondensationsgefahr;
• Vibration
• Staubbelastung.

Produktformular auswählen

Wählen zwischen:

• blankes Sensorelement;
• intelligenter Sensor;
• Signalverarbeitungsmodul;
• Mehrgasmodul.

Die richtige Option hängt von der Hardware, den Algorithmen und den Kalibrierungsmöglichkeiten des Kunden ab.

Plankalibrierung und -wartung

Der vollständige Detektor sollte eine definierte Strategie für Folgendes beinhalten:

• Null-Verifizierung;
• Spannenkalibrierung;
• Stoßtests;
• Sensorfehlerdiagnose;
• Austauschintervalle;
• Prüfung der Alarmfunktion.

Häufig gestellte Fragen

Warum werden elektrochemische Sensoren häufig für toxische Gase eingesetzt?

Sie bieten eine hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Konzentrationen, eine relativ schnelle Reaktionszeit, eine gute Linearität, eine kompakte Größe und einen geringen Stromverbrauch.

Welche Gase können die elektrochemischen Sensoren von Winsen nachweisen?

Das Produktangebot umfasst CO, H₂S, NH₃, SO₂, NO₂, Cl₂, O₂, H₂, PH₃, HCl, HF, O₃ und andere Industriegase.

Sind elektrochemische Sensoren für tragbare Detektoren geeignet?

Ja. Aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs und ihrer kompakten Größe eignen sie sich hervorragend für tragbare und am Körper tragbare Gasdetektionsgeräte.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem Sensor und einem Modul?

Ein Sensorelement erzeugt das elektrische Grundsignal. Ein Modul integriert üblicherweise den Sensor mit Verstärkung, Kompensation, Algorithmen und standardisiertem Ausgang, wodurch der Entwicklungsaufwand für den Kunden reduziert wird.

Kann ein elektrochemischer Sensor mehrere Gase nachweisen?

Ein einzelnes Sensorelement ist normalerweise für ein Zielgas optimiert, obwohl es zu Querreaktionen kommen kann. Mehrgasmessgeräte verwenden im Allgemeinen mehrere dedizierte Sensoren.

Wo können intelligente SMX-Sensoren eingesetzt werden?

Sie eignen sich für kompakte tragbare Detektoren, Wearables, intelligente Sicherheitsterminals, Roboter und andere miniaturisierte industrielle Überwachungsgeräte.

Fazit: Präzise Sensorik ist der Beginn der Frühwarnung.

Die Risiken von Industriegasen sind zwar unsichtbar, aber ihre Konzentrationsänderungen lassen sich messen.

Zuverlässige Gassensorik gibt Sicherheitssystemen die Zeit und die Daten, die sie benötigen, um zu reagieren, bevor eine Gefahrensituation zu einem Unfall wird.

Mit den Serien ME2, ME3, ME4, MEu und SMX sowie elektrochemischen und Multigasmodulen bieten wir flexible Sensorlösungen für stationäre Detektoren, tragbare Instrumente, Geräte für beengte Räume und vernetzte industrielle Sicherheitsplattformen.

Frühwarnung beginnt mit präziser Datenerfassung. Präzise Datenerfassung beginnt mit einem zuverlässigen Sensor.