Forscher entwickeln Online-Massenspektrometer und detektieren Wasserstoff

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit ihrem Prototyp ist es Fraunhofer-Forscher gelungen, unter anderem Wasserstoff innerhalb von 200 ms zu detektieren.

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Der Prototyp des mobilen, ultraschnellen Wasserstoffsensors wurde von Forschern am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT entwickelt.
Der Prototyp des mobilen, ultraschnellen Wasserstoffsensors wurde von Forschern am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT entwickelt.
(Bild: Fraunhofer ICT)

Wasserstoffgas lässt sich unterschiedlich messen. Auch eine schnell wechselnde Konzentration des Wasserstoffs im hohen Prozentbereich lässt sich qualitativ mit guten Sensoren innerhalb von wenigen Sekunden nachweisen. Es gibt jedoch keinen kommerziell erhältlichen Wasserstoffsensor, der dynamische Wasserstoffimpulse Millisekunden genau auflöst und analysieren kann.

In der Sicherheitstechnik und beim Explosionsschutz gelten insbesondere für Wasserstoffgas hohe Anforderungen. Brände und Explosionen von Wasserstoff können katastrophale Auswirkungen haben. Deshalb muss in der Regel sichergestellt sein, dass die herrschenden Wasserstoffkonzentrationen deutlich außerhalb des zündfähigen Bereichs liegen.

Konzentration möglichst online messen

Vermieden werden sollten Schäden, die durch kleine Wasserstoffbrände entstehen. Sie treten auf, wenn geringe Mengen an Wasserstoff den explosionsfähigen Konzentrationsbereich kurzzeitig überschreiten und dann durchzünden bzw. abbrennen. Dabei sollte die Wasserstoffkonzentration möglichst online gemessen werden können. Je schneller sich die Konzentration des Wasserstoffs messen lässt, desto einfacher ist es, die Umgebung bzw. die technische Anlage vor Schäden zu schützen.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe haben ein Messsystem entwickelt, das Gase jeglicher Art sehr schnell analysiert. Das Online-Massenspektrometer detektiert Wasserstoff mit einer t90%-Ansprechzeit von 200 ms. Das dynamische Nachweisverhalten gilt über den gesamten messbaren Konzentrationsbereich hinweg von 1 ppm bis zu 100 Prozent Wasserstoff.

Die Probenahme erfolgt über eine zwei Meter lange, beheizte Ansaugkapillare aus Edelstahl, die mit synthetischem Quarzglas innenbeschichtet ist. Die Einlasskapillare werden bis auf 200 °C beheizt, sodass sich Gasgemische mit hohem Feuchtegehalt problemlos ohne Kondensation messen lassen.

Abtastraten von bis 1000 Hz

Ein weiterer Vorteil ist die geringe Probengasmenge des Online-Massenspektrometers. Der Gasverbrauch beträgt fünf sccm; das entspricht fünf Milliliter Gas pro Minute bei Atmosphären- bzw. Umgebungsdruck.

Die Analyse der Gase erfolgt im Hochvakuum, welches von einer Turbomolekularpumpe bereitgestellt wird. Dieser Vakuumpumpstand entnimmt kontinuierlich eine geringe Gasmenge aus dem Prozessgas. Die Ansaugkapillare wird in-situ in den Prozess integriert. Somit entfällt jegliche Installationstechnik, mit der das Probengas von der Entnahmestelle zur Nachweiseinheit transportiert werden muss. Die Ansaugkapillare ist flexibel biegbar und kann beliebig und hermetisch dicht in eine technische Anlage integriert werden.

Über den Analogausgang wird der Messwert ständig online als Spannungswert von 0 bis 10 V ausgegeben. Abtastraten von 1000 Hz sind realisierbar. Die Messwerte werden mit der Massenspektrometer-Software auch über einen PC weitergegeben.

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