von Fabio Seime
Wie die NDIR-Technologie von Micro-Hybrid die Kältemitteldetektion neu definiert
Die Detektion von Kältemittelgasen erfordert sowohl bei niedrigen Leckagekonzentrationen als auch bei hohen Belastungen eine zuverlässige Messleistung. Die NDIR-Sensortechnologie von Micro-Hybrid nutzt ein innovatives optisches Mehrfachreflexionsdesign, um Ammoniak und andere Kältemittel auch in kompakten Sensorgeometrien präzise zu messen. Das Ergebnis ist eine stabile Alternative zur elektrochemischen Sensorik für anspruchsvolle Anwendungen in der Kältetechnik und industriellen Sicherheit.
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Die Grenzen elektrochemischer und katalytischer Sensoren überwinden
Die Überwachung von Kältemittelgasen in industriellen Kühlsystemen ist entscheidend für die Sicherheit des Personals und die Effizienz der Anlagen. Während die optische Infrarotmessung für moderne fluorierte Kältemittel wie HFKW und HFO bereits etabliert ist, zählt Ammoniak (NH₃) seit Langem zu den Gasen, die mit kompakter Infrarottechnologie besonders schwer zu messen sind. Daher setzt ein großer Teil des Marktes bislang auf elektrochemische Sensorik.
Elektrochemische Sensoren sind aufgrund ihrer Verfügbarkeit und ihres bekannten Funktionsprinzips weit verbreitet. Ihre Einschränkungen sind jedoch ebenfalls bekannt. Der Betrieb basiert auf Elektroden, Membranen und kontinuierlichen chemischen Reaktionen. Dadurch reagieren die Sensoren grundsätzlich empfindlich auf Alterung, Feuchtigkeit, Verunreinigungen, Vergiftung und den Einfluss anderer Gase. Insbesondere Querempfindlichkeiten lassen sich nur schwer vollständig vermeiden und müssen häufig durch geeignete Kompensationsmaßnahmen ausgeglichen werden.
Warum ist NH₃ mit NDIR schwer zu messen?
Die NDIR-Technologie bietet ein grundsätzlich stabiles Messprinzip und wird für verschiedene Absorptionsbanden von Kältemitteln eingesetzt. Ammoniak stellt im Vergleich zu gängigen Kältemitteln jedoch besondere optische Anforderungen. NH₃ weist im relevanten Absorptionsbereich um 10,5 µm eine vergleichsweise geringe Absorption auf. Gleichzeitig liefern kompakte Infrarotquellen in diesem Spektralbereich nur eine begrenzte optische Leistung. Bei konventionellen optischen Designs mit geradem Strahlengang kann diese Kombination aus geringer Quellintensität und schwacher NH₃-Absorption zu Signalen führen, die für eine zuverlässige Detektion in kompakten Sensorgeometrien zu klein sind.
Ein neuer optischer Ansatz
Micro-Hybrid begegnet diesen Einschränkungen mit einem fortschrittlichen optischen Mehrfachreflexionsdesign. Dieser Ansatz vergrößert die effektive optische Weglänge innerhalb einer kompakten Bauform deutlich. Die daraus resultierende Signalverstärkung ermöglicht eine zuverlässige Detektion in den spezifischen Absorptionsbanden verschiedener Kältemittel. Dies schließt auch den anspruchsvollen NH₃-Bereich um 10,5 µm ein, ohne dass chemische Reaktionen, hohe Betriebstemperaturen oder große Sensorgehäuse erforderlich sind.
Neben Ammoniak unterstützt die NDIR-Technologie von Micro-Hybrid die Messung zahlreicher Kältemittelgase, die in gewerblichen und industriellen Kühlsystemen eingesetzt werden. Dazu gehören gängige fluorierte Kältemittel wie HFKW und HFO sowie natürliche Kältemittel wie CO₂ und Kohlenwasserstoffe. Jedes Gas besitzt charakteristische Infrarotabsorptionsbanden und kann mit einer geeigneten Kombination aus Emitter, optischer Weglänge, Filterkonfiguration und Detektor gezielt gemessen werden. Systementwickler erhalten damit eine flexible Grundlage für die Entwicklung von Lösungen zur Leckagedetektion und Prozessüberwachung in unterschiedlichen Kälteanlagen.
Ein neuer Leistungsmaßstab
Die daraus entstandene NDIR-Sensorplattform bietet Leistungsmerkmale, die mit elektrochemischen Technologien nur schwer zu erreichen sind:
- Großer Messbereich: 0 bis 30.000 ppm für die Detektion geringster Konzentrationen und den Einsatz in industriellen Umgebungen mit hohen Gaskonzentrationen.
- Hohe Empfindlichkeit: Nachweisgrenze ≤ 30 ppm am Nullpunkt.
- Schnelle Ansprechzeit: T90 < 30 Sekunden für die Echtzeitüberwachung.
- Hohe Auflösung: digitale Auflösung von 1 ppm.
- Hohe Messgenauigkeit: Eine präzise Messung ist für Gaswarnsysteme entscheidend, da ein zuverlässiges Alarmverhalten wichtiger ist als die reine Maximierung der Betriebsdauer.
- Ausgezeichnete Stabilität: Langzeitdrift ≤ ±450 ppm pro Jahr.
- Hohe Linearität: ≤ ±300 ppm über den gesamten Messbereich.
- Zuverlässige Wiederholbarkeit: ≤ ±150 ppm.
Fallstudie: Kältemittelmessung mit NDIR im Vergleich zu elektrochemischen Sensoren
Die Auswahl eines Kältemittelsensors beeinflusst weit mehr als nur den Messbereich. In Kälteanlagen und industriellen Sicherheitssystemen wirkt sich die eingesetzte Sensortechnologie auf die Zuverlässigkeit der Alarmierung, den Wartungsaufwand, die Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen und die langfristige Stabilität der Messwerte aus. Dies gilt unabhängig davon, ob synthetische Kältemittelgemische, Kohlenwasserstoffe, CO₂ oder Ammoniak überwacht werden.
Elektrochemische Sensoren sind eine etablierte und weitverbreitete Lösung für toxische Kältemittel wie NH₃. Sie messen Gase mithilfe chemischer Reaktionen, an denen Elektroden, Elektrolyt, Membranen und Gasdiffusionsstrukturen beteiligt sind. Dieses bekannte und kostengünstige Verfahren ist jedoch vom Zustand der internen Sensorchemie abhängig.
Alterung, Feuchtigkeit, Verunreinigungen und die Einwirkung hoher Gaskonzentrationen können das Sensorverhalten im Laufe der Zeit beeinflussen. Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Gasen können zudem Kompensationsmaßnahmen erforderlich machen. In sicherheitsrelevanten Anwendungen sind daher regelmäßige Überprüfungen, Kalibrierungen und eine geplante Erneuerung der Sensoren besonders wichtig.
Die NDIR-Gassensoren von Micro-Hybrid verfolgen einen anderen Ansatz. Sie messen Kältemittelgase optisch anhand ihrer Infrarotabsorption bei gasspezifischen Wellenlängen und kommen ohne verbrauchbare Sensorchemie aus. Das optische Mehrfachreflexionsdesign vergrößert die effektive optische Weglänge innerhalb eines kompakten Gehäuses. Dadurch entsteht selbst im anspruchsvollen NH₃-Absorptionsbereich um 10,5 µm ein ausreichend starkes Signal.
| Bewertungskriterium | Elektrochemischer Gassensor | NDIR-Kältemittelsensor |
|---|---|---|
| Messprinzip | Chemische Reaktion | Infrarotabsorption |
| Verbrauchbare Komponenten | Elektroden, Membranen und Elektrolyt altern im Laufe der Zeit | Keine verbrauchbare Sensorchemie |
| Umwelteinflüsse | Kann durch Feuchtigkeit, Verunreinigungen und Vergiftung beeinflusst werden | Stabiles optisches Messprinzip |
| Querempfindlichkeit | Kann eine Kompensation von Störgasen erfordern | Wellenlängenbasierte Messung unterstützt eine höhere Selektivität |
| Messbereich | Abhängig vom Sensormodell | 0 bis 30.000 ppm |
| Nachweisgrenze | Abhängig vom Sensormodell | ≤ 30 ppm am Nullpunkt |
| Ansprechzeit | Abhängig vom Sensormodell | T90 < 30 Sekunden |
| Langzeitdrift | Durch chemische Alterung beeinflusst | ≤ ±450 ppm pro Jahr |
| Typisches Servicekonzept | Regelmäßiger Austausch und erneute Kalibrierung | Typische Lebensdauer von mehr als 7 Jahren, Kalibrierung weiterhin empfohlen |
Beispiel: Gasdetektion in einer Kälteanlage
In einem Kältemaschinenraum muss ein Gaswarnsystem kleine Leckagen frühzeitig erkennen und auch bei einer größeren Gasfreisetzung zuverlässig funktionieren. Unabhängig davon, ob herkömmliche fluorierte Kältemittel oder natürliche Alternativen wie Ammoniak und CO₂ eingesetzt werden, muss die Messung trotz schwankender Umgebungstemperaturen, veränderlicher Luftfeuchtigkeit und allgemeiner industrieller Bedingungen stabil bleiben.
Die NDIR-Plattform von Micro-Hybrid verbindet eine Nachweisgrenze von ≤ 30 ppm mit einem Messbereich von 0 bis 30.000 ppm. Dadurch kann eine einzige Sensorarchitektur sowohl die frühzeitige Leckageerkennung als auch die Überwachung hoher Konzentrationen abdecken. Die Ansprechzeit T90 von weniger als 30 Sekunden unterstützt eine schnelle Alarmierung. Die digitale Auflösung von 1 ppm ermöglicht zudem eine präzise Ausgabe der gemessenen Konzentration.
Für Systementwickler liegt der wesentliche Vorteil in einem optischen Messprinzip, das für stabile und wiederholbare Messergebnisse ohne die Alterungsmechanismen elektrochemischer Sensoren ausgelegt ist. Die kompakte Bauform mit einem Durchmesser von 32 mm und einer Höhe von 16,8 mm sowie analoge und digitale Schnittstellen ermöglichen eine einfache Integration in bestehende Gaswarnsysteme für unterschiedliche Kältemittelanwendungen. Elektrochemische Sensoren bleiben eine bewährte Lösung. NDIR bietet jedoch eine überzeugende Alternative, wenn langfristige Messstabilität, genaue Alarmschwellen und die Beständigkeit gegenüber chemischer Sensoralterung entscheidend sind.
Für den industriellen Einsatz entwickelt
Der Sensor ist auf eine lange Lebensdauer in anspruchsvollen Umgebungen ausgelegt. Die Nutzungsdauer kann bis zu zehn Jahre betragen und liegt typischerweise bei mehr als sieben Jahren. Da der Betrieb ohne verbrauchbare Sensorchemie auskommt, werden häufige Alterungsmechanismen reduziert.
Überlastfestigkeit und automatische Fehlererkennung unterstützen einen zuverlässigen Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen. Die stabile Messleistung wird über einen großen Umgebungsbereich aufrechterhalten:
- Temperatur: −40 bis +60 °C
- Druck: 700 bis 1.200 hPa
- Luftfeuchtigkeit: bis zu 95 % relative Luftfeuchtigkeit, nicht kondensierend
Der grundlegende Vorteil der NDIR-Technologie
NDIR bestimmt die Gaskonzentration anhand der Infrarotabsorption bei gasspezifischen optischen Wellenlängen und nicht mithilfe chemischer Reaktionen. Dieses Messprinzip ermöglicht eine hohe Selektivität für verschiedene Kältemittelmoleküle, reduziert das Risiko von Querempfindlichkeiten und unterstützt eine stabile Messleistung ohne Verbrauchsmaterialien.
Anwendungen
Die Sensorplattform eignet sich für anspruchsvolle Aufgaben der Gasüberwachung entlang des gesamten Kältekreislaufs, darunter:
- Industrielle Kältemaschinenräume und Kühlhäuser mit NH₃, CO₂ oder fluorierten Kältemittelgemischen
- Überwachung und Leckagedetektion an gewerblichen HVAC/R-Kältemaschinen
- Industrielle Prozessgasüberwachung und Leckagebegrenzung
- Halbleiterfertigung und Chemikaliensicherheit in Reinräumen
Insbesondere für Entwickler von Sicherheitssystemen in der Kältetechnik ermöglicht die Kombination aus optischer Präzision, kompakter und nachrüstfreundlicher Bauform sowie hoher Signalqualität eine genaue und zuverlässige Überwachung natürlicher und synthetischer Kältemittel.
Eine neue Generation der optischen Kältemittelsensorik
Die optische Sensortechnologie von Micro-Hybrid ermöglicht eine leistungsfähige Kältemitteldetektion, auch bei anspruchsvollen Zielgasen wie Ammoniak. Damit bietet sie Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Technologien nur schwer zu erreichen sind. Sie steht für den Übergang zu einer stabilen und hochpräzisen Gasmessung in anspruchsvollen industriellen Umgebungen und sicherheitsrelevanten Anwendungen der Kältetechnik.
Der Wechsel von verbrauchbaren elektrochemischen Sensoren zu einem optischen Messprinzip bietet Entwicklern zuverlässige Messgenauigkeit, analoge und digitale Integrationsmöglichkeiten sowie eine konstante Langzeitleistung. Unabhängig davon, ob eine Anwendung die Erkennung geringster Leckagekonzentrationen, die Überwachung hoher Gaskonzentrationen oder eine zuverlässige Alarmierung in industriellen Kälteanlagen erfordert, bietet die NDIR-Plattform von Micro-Hybrid eine robuste Grundlage für präzise Messungen und eine praxisgerechte Systemintegration.
Besprechen Sie Ihre Anwendung mit unseren Experten
Jede Anwendung zur Überwachung von Kältemitteln stellt spezifische Anforderungen an Zielgas, Messbereich, Nachweisgrenze, Schnittstellen und Umgebungsbedingungen. Unsere Anwendungsexperten unterstützen Sie bei der Auswahl der passenden NDIR-Sensorkonfiguration und bei der Integration in Ihr System.
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