Warnsysteme Gas & Rauch

1. Katalytisch beheizte Sensoren (GX-SE, GX-CFC, GX-B...)

Ein auf etwas über 300°C beheiztes Zinnoxid-Plättchen stellt den oberen Teil eines Spannungsteilers dar. Treffen Gasmoleküle auf, verringert sich der Widerstand und die Sensorspannung steigt an. Während der Aufheizphase pendelt die Sensorspannung um deutliche Werte, weshalb die Warngeräte in den ersten 3 - 5 Minuten alle eingehenden Spannungen ignorieren. In dieser Zeit wird auch ein höherer Strom benötigt. Geräte mit Display zeigen „preheating“.

2. NDIR Infrarot Sensoren (CO2-Ampeln, GX-D...)
Ein nichtdispersiver Infrarot Sensor stellt Kohlendioxid CO2 über ein optisches Verfahren fest. CO2 hat die Eigenschaft, infrarotes Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge (~4μm) abzudunkeln. Im Sensor strahlt eine Infrarot-LED durch ein Glas-Filter und dieses Licht dann durch die Messkammer auf einen IR-Helligkeitssensor. Je weniger Licht bei diesem Sensor ankommt, desto mehr CO2 befindet sich in der Messkammer, die über eine Feuchtigkeit abweisende Membran mit der Aussenluft verbunden ist. Die von Schabus verwendeten 2-Strahlsensoren messen zusätzlich die von der IR-LED abgegebene Lichtleistung, um Messfehler durch gealterte Lichtquellen zu kompensieren. Ein leistungsfähiger μController steuert den Prozess und gibt entweder eine dem CO2-Gehalt entsprechende Sensorspannung, eine Pulsbreitenmodulation (GX-D250) oder direkt UART aus, die die verschiedenen Warngeräte auswerten, anzeigen und mit akustischem Alarm und / oder Relaisschaltung reagieren.

3. Elektro-chemische Sensoren (GX-C1pro, GX-C...)
Ein elektro-chemischer Sensor stellt Kohlenmonoxid CO über eine chemische Reaktion mit reinem Wasser fest. Der Sensor besteht hauptsächlich aus seinem Wassertank, der über eine Aktivkohle-Scheibe und ein winzig kleines Loch mit der Außenluft verbunden ist. Bei der Reaktion von CO mit H2O entstehen CO2, Wasserstoff und zwei freie Elektronen. Die Anzahl der Elektronen stellen also ein direktes Maß für die CO-Konzentration dar und können amperometrisch gemessen werden. Dabei bewegt sich der Elektronenstrom im unteren nA-Bereich, etwa 1,5 nA / ppm CO. Einen solchen Sensor kann man also nicht direkt an ein Warngerät anschließen, vielmehr muss die Mess-Elektronik ganz nah am Sensor sitzen und äußerst feinfühlig und präzise ausgelegt sein. Operationsverstärker sorgen für die Umwandlung in eine kalibrierte Spannung, die Auswertung erfolgt dann via ADC in einem 32bit-μController. Den Erfolg dieser aufwendigen Entwicklung der Messzelle hat sich Elektrotechnik Schabus beim TÜV Süd nach DIN 50291 überprüfen lassen, Stabilität und Präzision wurden dem System bescheinigt und alle angebotenen CO-Warngeräte tragen diese Messzelle mit dem elektrochemischen Sensor.

Fangen wir mit Stadtgas an, das es so gar nicht mehr gibt. Es entstand aus Kohlevergasung und enthielt einen recht hohen Anteil an giftigem Kohlenmonoxid, siehe Seite 74. Stadtgas gab es bis etwa Ende der 70er Jahre, in Westberlin bis Mitte der 90er. Es wurde sukzessive umgestellt auf das nicht ganz so giftige Erdgas. Dazu mussten die Verbrennungsanlagen umgebaut werden, es brauchte andere Dichtungen und Ventile. Der Name „Stadtgas“ ist in der Bevölkerung aber nach wie vor präsent, deshalb bezeichnen wir unseren Sensor für brennbare Gase noch immer als Stadt- und Erdgassensor (SE). Erdgas, das Gas, das uns heute unsere Stadtwerke und Gasversorger zum Heizen, Warmwasserbereiten und Kochen liefern, ist ein natürlich vorkommendes Gas, das hauptsächlich als Nebenprodukt bei der Ölförderung anfällt, aber auch aus reinen Erdgasfeldern stammt, die kein Öl liefern. Der Hauptbestandteil von Erdgas ist das leicht entzündliche Gas Methan mit bis zu 90% Volumenanteil. Weitere Stoffe sind neben Butan und Propan, verschiedene Spuren von Schwefelverbindungen, Ethan, CO2, Edelgase, Stickstoff und Wasserdampf. Einmal gefördert wird Erdgas von giftigen und unbrauchbaren Stoffen wie Wasser, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid gereinigt und in unser Gasversorgungssystem eingespeist, nicht ohne es vorher wiederum mit den Schwefelverbindungen Thioether oder Alkanthiol zu versetzen, damit das Gas seinen typischen Geruch erhält, den wir ganz natürlich als Gasgeruch wahrnehmen. Ohne diese Zusatzstoffe hätte Erdgas überhaupt keinen Geruch. Jedes brennbare Gas, das verkauft wird, muss mit diesen Stoffen zur Geruchsbildung versetzt werden. Den besten Gassensor tragen wir also bereits mitten im Gesicht: unsere Nase. Nun befindet sich unsere Nase zum Glück nicht immer genau dort, wo Gas unbeabsichtigt austreten könnte. An den verschiedenen Verbindungen unserer Gasleitung, am Übergabepunkt, am Gashahn, am Zähler und direkt an Heizung, Herd oder Therme. Hier, meist in den sog. Heiz- und Wirtschaftsräumen (HWR), aber auch in der Küche direkt am Gasherd, kommen die „Stadt- und Erdgas Warnmelder“ von Elektrotechnik Schabus ins Spiel. Sie stellen sofort fest, ob Gas austritt und warnen mit einem lauten durchdringenden Ton vor einem Leitungsdefekt und schalten bei Bedarf ein angeschlossenes Magnetabsperrventil ab, so dass kein weiteres Gas nachströmen kann. Da Erdgas zum größten Teil aus dem sehr leichten Methan besteht, ist es leichter als Luft und verflüchtigt sich bei Austritt sofort nach oben. Ein GX-SE Sensor muss also im Raum oben angebracht werden, um sofort das Gas zu detektieren. Aber nicht ganz oben, sondern etwa 30 cm unterhalb der Decke, denn es gibt in den Ecken die sog. Totraumbildung. Luft, die sich in den Ecken und Kanten an der Decke befindet, kann nicht entweichen und verdrängt das Gas. Gas aus Flaschen (Butan/Propan) ist schwerer als Luft, also wird der Sensor 15-30 cm über den Boden gesetzt.

Es gibt die Bezeichnung „untere Explosionsgrenze“, sie wird UEG abgekürzt und in Prozent angegeben. Explosiv wird ein Gas-Luft-Gemisch erst, wenn 100% erreicht sind. Dazu muss man wissen, dass nicht die reine ausgetretene Gasmenge entscheidend ist, wie etwa bei CO leicht in ppm auszudrücken, sondern immer noch weitere Größen eine Rolle spielen. Sei es die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder der Sauerstoffgehalt, denn jede Verbrennung benötigt zwingend Sauerstoff, sonst brennt nichts. Ist die Luftfeuchtigkeit höher, ist weniger Sauerstoff vorhanden, ist die Temperatur höher, sind insgesamt auch weniger Teilchen im Raum, die miteinander reagieren können. Diese drei Größen werden von unseren SE-Sensoren berücksichtigt und in eine Spannung umgesetzt, die von den Warngeräten erfasst wird. Nun könnte man sofort, wenn auch nur ein Molekül erfasst wird oder realistischer bei z.B. nur 3% UEG warnen, also alarmieren, doch ein solches Verhalten würde kein Kunde auf Dauer akzeptieren. Bis 5% UEG kommt ein vermeintlicher Fehlalarm häufiger vor, als man es mit einem Gasleitungsdefekt in Verbindung bringen dürfte. Die Sensoren könnten das schon, aber wer will eine Warnung, wenn offene Farb- und Lackdosen ausgasen oder jemand mit frisch lackierten Nägeln oder frisch aufgetragenem Parfüm am Sensor vorbei geht? Lösungsmittel sind neben vielen anderen haushaltsüblichen Stoffen den Kohlenwasserstoffen des Stadt- und Erdgases nämlich sehr ähnlich und werden von den Sensoren ebenso gut erfasst. Einige der vielen DIN-Normen, die sich mit der Detektion von Erdgas im Wohnbereich befassen, empfehlen eine Warnung spätestens bei Erreichen der 20% UEG Grenze. Da unsere Sensoren Flüssiggas (LPG mit hohem Anteil an Butan und Propan) ebenso erfassen, haben wir uns auf eine Frühwarnstufe von 12% UEG geeinigt. Immer rechtzeitig, damit es nicht gefährlich wird, aber ausreichend tolerant, um häufige Fehlarme zu vermeiden. Und natürlich innerhalb der Norm.

Kohlenmonoxid wird nicht geliefert. Es entsteht bei jeder Verbrennung, bei der nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht. Jedes Gas-Molekül (z.B. CH4 = Methan) benötigt zwei Sauerstoff-Moleküle (O2) zur vollständigen Verbrennung, es entsteht dann neben zwei Wasser-Molekülen (H2O) ein Kohlendioxid-Molekül (CO2), das nicht annähernd so gefährlich ist wie ein Kohlenmonoxid-Molekül (CO). Gas ist stark und will unbedingt verbrennen. Steht nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung, so teilen sich zwei Gas-Moleküle ein Sauerstoff-Molekül und es entsteht eben neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid.

CH4 + 2 O2 -----> CO2 + 2 H2O (vollständig)
oder
2 CH4 + O2 -----> 2 CO + 4 H2 (unvollständig)

Dabei muss genügend Sauerstoff am Ort der Verbrennung sein und nicht irgendwo im Raum. So erklärt sich leicht, warum CO in wohl jeder Verbrennungseinrichtung (Therme, Heizung, ...) entsteht. Eine durch Staub verstopfte Düse reicht bereits aus. Oder ein nachträglich dicht gedämmtes Haus. Das ist bei Sichtverbrennung gut zu erkennen, wenn Sie einen gelben Anteil in der Flamme sehen. Eine vollständige Verbrennung mit ausreichend Sauerstoff zeigt sich stets blau, wobei ein gelber Anteil darin nicht immer leicht zu erkennen ist. Übrigens: Methan-Gas ist hier nur beispielhaft genannt, natürlich trifft das auch für alle anderen Verbrennungen zu, wie Butan, Propan, Öl, Papier, Karton, Holz und Pellets. Alle Verbrennungen benötigen ausreichend Sauerstoff!

Jede Zelle unseres Körpers verbrennt ebenfalls Sauerstoff, um richtig arbeiten zu können. Dafür atmen wir Sauerstoff ein, der an das Hämoglobin (rote Blutkörperchen) in den Lungenbläschen andockt und mit dem Blutkreislauf zu den Zellen transportiert wird. Hier wird die Verbrennung vorgenommen: Das Sauerstoffmolekül wird dem Blutkörperchen entnommen und das aus der (vollständigen) Verbrennung stammende Kohlendioxid-Molekül CO2 wird zum Abtransport wieder an das Blutkörperchen angeheftet, das es zum Ausatmen zur Lunge transportiert. Wenn wir nun aber CO im Luftgemisch einatmen wird es kritisch. Das Hämoglobin erkennt nur das Sauerstoffteilchen O im CO und dockt es rd. 300x so stark wie reinen Sauerstoff an. Die Zelle kann mit CO aber nichts anfangen und schickt es wieder zurück zur Lunge zum Ausatmen. Dort findet allerdings kein Austausch statt, denn es hängt ja bereits ein Sauerstoff O stark am Hämoglobin, wir atmen das CO also nicht so einfach wieder aus. Das passiert durchschnittlich erst nach ca. 20 Minuten, das CO reichert sich im Blut mit jedem Atemzug an, gleichzeitig gibt es immer weniger Blutkörperchen, die noch Sauerstoff aufnehmen können. Das ist das toxische am Kohlenmonoxid. Fehlender Sauerstoff stoppt die Arbeit der Zellen, v.a. die des ZNS, des Herzens und des Gehirns, man wird müde, schläft ein und stirbt im schlimmsten Fall. Durch Ersticken trotz Atmung. Bei einer akuten CO-Vergiftung hilft nur reiner Sauerstoff, idealerweise in einer Druckkammer