Gasmesstechnik - Der flüchtigen Gefahr auf der Spur

Nicht zuletzt durch die steigende Zahl gefährlicher Substanzen im Produktionsprozess ist der sichere Umgang mit Gefahrstoffen in unserer Arbeits- und Alltagswelt zu einer großen Herausforderung geworden. Besonders von brennbaren, explosiven oder toxischen Gasen gehen große Gefahren aus.
Sie erfordern eine zuverlässige Gefährdungsanalyse, um Leben und Gesundheit von Menschen zu schützen, Umweltschäden zu vermeiden und Produktionsausfälle zu minimieren. Betriebe sind daher auf leistungsfähige und zugleich wirtschaftliche Gasmesstechnik angewiesen. Je nach Einsatzbereich, Gefahrentyp und Umgebungsbedingung gibt es daher unterschiedliche Messverfahren, Messgeräte-Typen und Kontrollelemente für Gaswarnanlagen, mit denen auch Sicherheitsmaßnahmen automatisch gesteuert werden können.

Gasmesstechnik und Gaswarnsysteme werden in sehr vielen Bereichen eingesetzt. Zum Beispiel bei der Laborgasüberwachung, der Reinraumüberwachung, in Industrieprozessen, in der  Öl-,Gas- und Petrochemie, bei der  Schwefelwasserstoffüberwachung in Kläranlagen und Deponien, bei der Methan- oder Erdgasüberwachung in Heizungsräumen, bei der Steuerung von Biogasanlagen oder bei der Tankstellenüberwachung.  Zum EX-Bereich gehört auch die Staubüberwachung in Säge- und Kalkwerken, bei der Schweißtechnik, in Braunkohlesilos oder in Getreidemühlen. Wichtig ist auch die Sauerstoff- und Kohlendioxidüberwachung in Krankenhäusern, im Bergbau, in Brauereien, Gaststätten u.a. Zudem gibt es zahlreiche Einsatzbereiche für mobile Gas-Messgeräte, z.B. bei der Feuerwehr, dem Katastrophenschutz, im Gefahrguttransport, Militär, Bergbau usw.

Gastypen und Auswahlkriterien für Gas-Messverfahren

Die Vielzahl an Gasen und flüchtigen chemischen Verbindungen werden in der Regel in drei Haupt-Gefahrengruppen eingeteilt: Den brennbaren und explosiven Gasen (EX), den toxischen Gasen und Dämpfen (TOX) sowie dem Sauerstoff (OX), der meist zur Kontrolle der Atemluft gemessen wird.  
Eine Überwachung dieser Gase erfolgt meist in Messbereichen, in denen sich gefährliche Konzentrationen bilden.  Bei den EX-Gasen, wie z.B. Methan oder Propangas, wird in der Regel im Bereich der unteren Explosionsgrenze (UEG) gemessen. Die Überwachung des MAK-Wertes (Maximale Arbeitsplatz Konzentration) von TOX-Gasen liegt meist im ppm-Bereich (engl: parts per million). Sauerstoff wird hingegen im Vol%-Bereich gemessen (in der Luft ca.  20,9 Vol %).

Entscheidend für eine sichere Gefahrenkontrolle ist die Auswahl des richtigen Messverfahrens. Dies ist von einer Reihe von Faktoren abhängig: Muss nur ein Gas oder mehrere Gasarten zugleich erfasst werden? Welcher Messbereich oder Explosionsgrenzen muss berücksichtigt werden? Liegt am Messort eine permanente Gaskonzentration vor?  Wie stark ist der Einfluss von Störfaktoren wie Temperatur, Feuchte oder Vibrationen?  Weitere Kriterien bei der Wahl des passenden Messverfahrens sind die Reaktionszeit, die Reichweite, die Vergiftungsgefahr durch Kontamination des Sensors, die Lebensdauer und Wartungsintensivität des Sensors (Kalibrierungs-Intervall) und damit natürlich auch die Kosten für das entsprechende Messgerät.

Überblick wichtiger Messverfahren

Elektrochemische Sensoren (EC) erfassen eine Veränderung des Ionenflusses, wenn ein Gas ins Innere der EC-Zelle gelangt. Das elektrochemische Verfahren wird vor allem bei der Überwachung der Umgebungsluft auf ein bestimmtes Gas eingesetzt.
Bei der Chemosorption (CS) wird der elektrische Widerstand innerhalb des Sensors in Abhängigkeit von der anliegenden Gaskonzentration verändert.
Die Katalytische Verbrennung (CC) oder Wärmetönung (WT) misst die Temperaturerhöhung, die durch die Reaktion von Gasmolekülen auf einem Katalysator entsteht. Ein zweiter Sensor gleicht Temperatur, Luftdruck  und Feuchte aus. Diese Technik wird vorrangig bei explosiven und brennbaren Gasen oder Dämpfen verwendet.
Das Wärmeleitungs-Prinzip (WL) misst hohe Konzentrationen (bis 100 Vol.-% ) brennbarer und toxischer Gase, ist aber nicht zur Überwachung der unteren Explosionsgrenze geeignet.
Das Infrarot-Messverfahren nutzt die Eigenschaft heteroatomigen Gase (z.B. CO2, CH4, NO2 und C2H2.), Licht in bestimmten Wellenlängenbereichen zu absorbieren.
Beim Photo-Ionisations-Detektoren (PID) spaltet ein starker UV-Lichtstrahl das Gasmolekül in geladene Teilchen auf. Der Entladestrom entspricht dann proportional der Gaskonzentration.
Mit speziellen mikrostrukturierten Elektroden, der Charge Carrier Injection (CI), kann die Ammoniakkonzentration exakter als bei Halbleitern oder EC-Sensoren bestimmt werden.
Für die Sauerstoffmessung wird auch eine elektrochemische Sauerstoffpumpzelle aus Zirkondioxid (ZD) eingesetzt.
Eine clevere Lösung zur „indirekten“ Gasmessung sind Ultraschall-Sensoren, die nicht warten, bis sich eine gefährliche Gaswolke angesammelt hat, sondern sofort auf das Ultraschallspektrum an sprechen, das durch Lecks bei unter Druck stehenden Gasbehältern entsteht.

Typen von Gasmessgeräten und Gaswarnanlagen

Neben der Auswahl des richtigen Messverfahrens ist auch der passende Messgeräte- bzw. Messanlagentyp zu berücksichtigen. Je nach Situation ist zu entscheiden, ob ein Ein- oder Mehrgasmessgerät zum Einsatz kommt. Außerdem unterscheidet man stationäre Gasmesser bzw. Gaswarnanlagen von tragbaren Gasmessgeräten und anderen Hilfsmitteln wie Probenahmepumpen , Gasprüfröhrchen oder speziellen Lecksuchsystemen.  
Eine Gaswarnanlage ist fest installiert und überwacht mit Hilfe von Gasdetektoren permanent gefährliche Gaskonzentrationen. Passive Gasdetektoren können dabei nur zusammen mit einer Gaswarnzentrale (i.R. desselben Herstellers) betrieben werden. Aktive Gasdetektoren – auch Transmitter genannt ­– formen die erfasste Gaskonzentration in ein auswertbares elektrisches Signal um und können als selbständige Gaswarnsysteme eingesetzt werden.  Das 4-20 mA Standard-Signal kann dabei auch an alle Gaswarnzentralen angeschlossen werden, die über ein entsprechendes Eingangsmodul verfügen. Tragbare Gasmessgeräte sind hingegen ein wichtiges Element im Personenschutz und können mobil in vielen Bereichen eingesetzt werden.
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Weitere wichtige Entscheidungskriterien bei der Wahl von Messtechnik ist neben dem Detektoren- und Sensorentyp auch die Ansprechzeit (Warnverzögerung), die Auswertungstechnik, der Ex-Schutz (Vermeidung elektrischer Zündungen), die Justierung / Kalibrierung sowie ggf. die Eichpflicht. Außerdem spielt die Qualität und Größe des Anzeigemonitors, der Datenspeicher, die Leistung des Akkus und der Ladestation, die Gehäusequalität (Schlagfestigkeit, Wasserdichte, Signalfarbgebung) sowie das Aufbewahrungssystem (Montageart, Tragegurte, Diebstahlschutz) eine Rolle.
Häufig dient Messtechnik zudem nicht nur zur Messwerterfassung, sondern sollen automatisierte Reaktionen auslösen,  wenn der kritische Grenzwert einer Gaskonzentration erreicht wird. Durch den Einbau von Alarmsystemen (akustisch, optisch), Schaltkreisen für die Steuertechnik (Not-Aus, Schleusenregelung, Gasdruckregeltechnik, Abluftkontrolle) wird das Messgerät zum Gaswarngerät und im Zusammenhang mit einer Gaswarnzentrale zu einem umfassenden Sicherheitssystem.

Planung und Umsetzung vom Fachmann

Die Anschaffung und Einrichtung  von Gasmesstechnik ist eine hochkomplexe Aufgabe, die auf jeden Fall von einem Fachmann durchgeführt werden sollte – nicht zuletzt wegen der Vielzahl gesetzlicher Bestimmungen die zu berücksichtigen sind.* Bei der Planung ist nicht nur der Gerätetyp, sondern auch die Anzahl und Positionierung der Gasdetektoren sowie die Festlegung von Alarmschwellen, Auswertungsmethoden und Alarmreaktionen zu berücksichtigen. Hierfür gibt es erfahrende Dienstleister – häufig auch Servicekräfte der Messtechnikhersteller ­– die Ihren Betrieb professionell gegen Gasunfälle absichern.

Link-Tipps

Produkte- und Lieferantenverzeichnis Gasmesstechnik und Gasmessgeräte (tandem-piazza.org)

Fachartikel zu Messverfahren in Gaswarnanlagen (Wikipedia)

Übersichtstabelle gefährlicher Gase (pdf, www.gasmessung.de)

Übersicht der Vorschriften zu Gefahrstoffen und EX-Schutz am Arbeitsplatz (abgs GmbH)

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* U.a. Explosionsschutzverordnungen und EG-, VDI- und VDE-Richtlinien, Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) und Gefahrstoff-Richtlinien, Bundes-Immissionsschutzgesetz (BimSchG), Chemikaliengesetz (ChemG), Technische Regeln für Gefahrstoffe (TRGS), Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV), Technischen Regeln Betriebssicherheit (TRBS) sowie Geräte- und Produktsicherheitsgesetzt (GPSG) und -Verordnungen (GPSGV)