Wissens-Zwinker: Dichtemessung bei der Inertisierung

Bei der Inertisierung schützt ein Inertgas wie Stickstoff oder CO₂ vor Explosion, Korrosion oder anderen schädlichen Einflüssen. Der Prozess verdrängt Sauerstoff oder Gefahrstoffe aus dem System. Erst wenn deren Konzentration unterhalb der jeweiligen sicherheitsrelevanten Schwelle liegt – etwa unter 4 % bei Wasserstoff –, gilt das System als inertisiert und kann gefahrlos gewartet oder betrieben werden.

Warum dieser Test?

In klassischen Anwendungen wird unter Inertisierung meist verstanden, dass Sauerstoff verdrängt wird, um Reaktionen oder Explosionen zu verhindern. Sehr etabliert sind entsprechend dedizierte Sauerstoff-Sensoren. Genauso wichtig ist aber das Verdrängen von brennbaren, schädlichen oder explosiven Gasen, wenn ein System belüftet werden muss und Sauerstoff-Sensoren bieten leider keine Hilfe beim Monitoring der Gefahrstoffe selbst.  Eine sehr universell einsetzbare Messgrösse wäre die Dichtemessung zur Konzentrationsbestimmung. Dieser Messwert wäre auch komplementär zur existierenden O₂ Messung: Die Dichte von O₂ ist zu nahe an N₂ um vernünftig genutzt zu werden, aber der Dichteunterschied zu brennbaren Substanzen wie H₂, Methan oder LPG ist sehr hoch. In diesem Wissens-Zwinker betrachten wir einen beispielhaften Spülvorgang mit N₂ und lehnen uns an H₂ als Gefahrenstoff an.

Ergebnisse

Um Gefahrstoffe zu vermeiden, verwenden wir Helium als Imitat für Wasserstoff. Helium hat nach Wasserstoff die zweit-tiefste Dichte aller Rein-Gase und dient somit als best-möglich Alternative. Bei Umgebungsbedingungen hat H₂ ca. 0.08 kg/m³ und He ca. 0.16 kg/m³. Alle anderen Gase haben eine deutlich höhere Dichte, das am häufigsten verwendete Inertgas N₂ hat z.B. eine Dichte von ca. 1.14 kg/m³ und CO₂ sogar 1.81 kg/m³

Im Prüfaufbau verwenden wir einen DGF-I1, welchen wir auf die beiden Reingase N₂ und He abgeglichen haben. Er wurde in ein Rohrstück verbaut, welches gegen die Umgebungsluft offen ist. Das entspricht etwa der Einbausituation am Auslass eines Gas-Tanks oder einer Elektrolyse-Anlage. Dazu muss man anmerken, dass Atmosphärendruck für den Dichtesensor anspruchsvoller ist als Überdruck. Eine Erhöhung des Druckes reduziert den relativen Messfehler und somit das Rauschen in der Konzentrationsmessung. Der Test entspricht also dem «worst-case» in Sachen Präzision.

Der Sensor reagierte aber sehr rasch auf die angelegten Gasänderungen zwischen He und N₂ und erreichte zuverlässig die erwarteten Endwerte zwischen 100% He und 100% N₂. Die Kurven zeigen das typische asymptotische Verdünnungsverhalten eines Spülvorgangs:

Zusätzlich gezeigt ist die hypothetische Explosionsgrenze für H₂, welche bei 4% in Luft ist (dunkelblaue Linie), sowie der errechnete Dichtewert bei einer He Konzentration von 4% (dunkelbraune Linie). Da ich diese Werte sehr nahe an den Extremwerten befinden, hier noch ein Zoom-in:

Selbst das ungefilterte Rauschen des Sensors bei ca. 500 ms Messintervall ist deutlich tiefer als die typischerweise geforderte Genauigkeit von 1%. Weitere Datenverarbeitung wie z.B. ein gleitender Mittelwert kann das Signal noch weiter verbessern.

Die Messkampagne zeigt somit eindrücklich, dass die Dichtemessung zur präzisen Konzentrationsmessung von Gefahrstoffen bei der Inertisierung verwendet werden kann. Neben dem hier gezeigten Beispiel kann die Messgrösse aber für eine Vielzahl von Gaskombinationen verwendet werden. Melden Sie sich gerne mit Ihrer Inertisierungsaufgabe!

Vorgehen

2 Mass Flow controller von Vögtlin wurden verwendet um konstant 0.5 nl/min Durchfluss zu erzeugen (Helium und Stickstoff im Wechsel). Der DGF wurde folgendermassen angeschlossen:

Das Rohrstück war zu jeder Zeit offen gegen die Umgebung und der Druck somit ungefähr 1 bar. Der DGF-I1 wurde über die kostenfreie Remote Control Software konfiguriert und ausgelesen. Vor Start der Messreihe wurde der Sensor auf die Reingase abgeglichen. Ausgelesen wurden die Werte Temperatur, Druck, Dichte und Konzentration (Gemisch N₂/He) mit einer Rate von nominell 300 ms (real ca. 500 ms). Aus den Druck- und Temperaturwerten wurde mittels NIST REFPROP die Dichte für 100% N₂ sowie 96%N₂ / 4% He berechnet.

Fazit

Wir haben den Einsatz der Dichtemessung zur Überwachung der Inertisierung gezeigt. Inertgase wie Stickstoff oder CO₂ werden dabei zur Verdrängung von Sauerstoff und brennbaren Gasen eingesetzt, um Explosionen und Korrosion zu verhindern.

• Inertisierung schützt vor Gefahren: Inertgase verdrängen Sauerstoff oder brennbare Gase, sodass das System erst bei Unterschreitung sicherheitsrelevanter Konzentrationsschwellen, z. B. unter 4 % bei Wasserstoff, als inert gilt.
• Dichtemessung als universelle Messgröße: Neben Sauerstoffsensoren ermöglicht die Dichtemessung die Konzentrationsbestimmung von Gefahrstoffen, da Dichteunterschiede zwischen Inertgasen und brennbaren Gasen wie Wasserstoff oder Methan groß sind.
• Experimenteller Nachweis mit Helium: Helium dient als Wasserstoff-Ersatz wegen ähnlich niedriger Dichte. Ein DGF-I1 Sensor zeigte bei einem Spülvorgang mit Helium und Stickstoff schnelle, präzise Reaktionen auf Gaswechsel bei Umgebungsdruck, auch nahe der Explosionsgrenze von Wasserstoff.
• Präzision und Anwendung: Das Sensorsignal weist ein geringes Rauschen auf und erfüllt Genauigkeitsanforderungen von unter 1 %. Die Dichtemessung eignet sich somit gut zur Konzentrationsüberwachung von Gefahrstoffen bei der Inertisierung.

Welche Sensoren wurden verwendet?

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