Eine Gaswarnanlage besteht aus Sensoren, einer Auswerteeinheit und Alarmausgängen. Sie misst brennbare, giftige oder sauerstoffverdrängende Gase in einem Bereich und warnt Menschen oder löst eine Sicherheitsmaßnahme aus, bevor die Konzentration gefährlich wird. In einer Prozessanlage, einer Verdichterstation oder einem Kältemaschinenraum ist sie oft das Einzige, was bemerkt, wenn ein Gas austritt, das niemand sehen oder riechen kann.

Im Datenblatt sehen die meisten Systeme gleich aus. Kabelgebunden oder per Funk, Wärmetönung oder Infrarot, eine Alarmschwelle oder zwei: Jede Entscheidung verändert, was das System erkennen kann, wie schnell die Warnung ankommt und wie viel Aufwand der laufende Betrieb kostet. Dieser Leitfaden geht diese Entscheidungen in der Reihenfolge durch, in der ein Sicherheitsverantwortlicher ihnen meist begegnet.

Kurz erklärt

  • Eine stationäre Gaswarnanlage schützt rund um die Uhr einen Bereich; ein tragbares Gaswarngerät schützt die Person, die es trägt.
  • Brennbare Gase werden als Prozentsatz der unteren Explosionsgrenze (UEG) gemessen, giftige Gase in Teilen pro Million (ppm).
  • Die Sensortechnik muss zum Gas passen: Infrarotsensoren können Wasserstoff nicht erkennen, und elektrochemische Zellen verbrauchen sich.
  • Funk-Gaswarngeräte sparen Verkabelungskosten, aber Batterielaufzeit und Meldeintervall werden Teil der Sicherheitsauslegung.

Was ist eine stationäre Gaswarnanlage?

Eine stationäre Gaswarnanlage ist fest installiert. Die Messköpfe sitzen dort, wo Gas wahrscheinlich auftritt: neben Verdichterdichtungen, Flanschen, Ventilverteilern, Tankluken oder dem Lufteinlass einer Messwarte. Jeder Messkopf ist mit einer Auswerteeinheit verdrahtet, traditionell über eine 4–20-mA-Stromschleife, bei der 4 mA kein Gas bedeutet und 20 mA das Ende des Messbereichs. Fällt der Strom deutlich unter 4 mA oder fließt gar kein Strom mehr, erkennt die Auswerteeinheit daran eine Störung am Messkopf oder an seinem Kabel, und das ist ein Grund, warum sich diese Konvention so lange gehalten hat.

Die Auswerteeinheit vergleicht jeden Messkopf mit seinen Alarmschwellen und schaltet Relais. Diese Relais lösen Hupen und Blitzleuchten aus, starten Absaugventilatoren oder schließen ein Absperrventil. Gerade diese letzte Art von Ausgang verändert die technische Auslegung. Löst der Alarm eines Messkopfs eine automatische Maßnahme aus, etwa das Abschalten eines Verdichters, wird die gesamte Kette vom Sensor bis zum Ventil zu einer Sicherheitsfunktion. In Prozessanlagen wird diese Funktion meist nach IEC 61511 ausgelegt und erhält einen Sicherheits-Integritätslevel (SIL), der Anforderungen an Redundanz, Wiederholungsprüfungen und Dokumentation stellt. Messköpfe in eingestuften Ex-Bereichen brauchen außerdem eine ATEX- oder IECEx-Zertifizierung für die Zone, in der sie sitzen.

Die Abschaltlogik arbeitet oft zusätzlich mit einer Votierung. Statt einen Verdichter abzuschalten, sobald ein einzelner Messkopf Alarm gibt, wartet die Auswerteeinheit, bis zum Beispiel zwei von drei Messköpfen im selben Bereich übereinstimmen. Ein driftender oder verschmutzter Sensor kann die Produktion dann nicht allein stoppen, während eine echte Freisetzung, die mehrere Messköpfe erreicht, die Anlage trotzdem abschaltet. Anzahl und Position der Messköpfe ergeben sich aus einer Betrachtung der wahrscheinlichen Leckstellen, der Lüftung und der Ausbreitung des Gases, nicht aus einer festen Abstandsregel.

Tragbare Gaswarngeräte erfüllen eine andere Aufgabe. Ein Mitarbeiter klemmt eines an den Kragen, und es warnt diese Person, wohin sie auch geht, auch in Tanks und Gruben, die kein stationärer Messkopf erreicht. Eine stationäre Anlage schützt den Ort. Die meisten Industriestandorte brauchen beides, und die Tabelle vergleicht beide mit einer stationären Funkanlage.

Kabelgebundene stationäre Anlage Stationäre Funkanlage Tragbares Gaswarngerät
Was sie schützt Einen Bereich, durchgehend Einen Bereich, durchgehend Die Person, die es trägt
Stromversorgung Von der Auswerteeinheit über die Schleife Batterie oder Solar Akku
Installationsaufwand Hoch: Kabeltrassen, Schutzrohre, zertifizierte Kabelverschraubungen Geringer: montieren und mit einem Gateway koppeln Minimal
Wohin Alarme gehen Relais der Auswerteeinheit und Abschaltlogik Über das Gateway an eine Auswerteeinheit oder Überwachungssoftware Eigene Hupe und Vibration des Geräts
Wiederkehrende Arbeit Kalibrierung, Sensortausch Dasselbe, plus Batteriewechsel Täglicher Begasungstest, Kalibrierung, Laden

Wie funktioniert eine kabellose Gaswarnanlage?

Eine kabellose Gaswarnanlage ersetzt das Signalkabel durch eine Funkverbindung. Jedes Gaswarngerät hat seine eigene Batterie, misst in einem festen Takt und überträgt die Messwerte an ein Gateway, das sie an eine Auswerteeinheit oder an Überwachungssoftware weitergibt. Industrielle Funkstandards wie WirelessHART und ISA100.11a sind in Prozessanlagen verbreitet, während energiesparende Weitverkehrsnetze wie LoRaWAN größere Außenbereiche mit weniger Gateways abdecken.

Der Zielkonflikt bei der Auslegung ist das Meldeintervall. Ein kabelgebundener Messkopf meldet kontinuierlich. Ein Batteriegerät, das jede Sekunde senden würde, hätte seine Batterie weit früher als geplant leer. Funk-Gaswarngeräte messen daher meist häufig, senden bei normalen Werten in einem langsameren Takt und melden sofort, wenn ein Messwert eine Alarmschwelle überschreitet. Achten Sie beim Vergleich von Produkten auf die ungünstigste Verzögerung zwischen dem Moment, in dem Gas den Sensor erreicht, und dem Moment, in dem der Alarm bei der Auswerteeinheit ankommt, auf die Batterielaufzeit bei dem Intervall, das Sie nutzen wollen, und darauf, wie das System ein Gerät anzeigt, das keine Daten mehr sendet.

Funk lohnt sich dort, wo Kabel teuer oder nur vorübergehend nötig sind: in Tanklagern, auf abgelegenen Bohrplätzen, bei Revisionsstillständen oder für zusätzliche Abdeckung in einer bestehenden Anlage, in der das Öffnen von Kabelwegen im Ex-Bereich einen Stillstand bedeuten würde.

Wie funktioniert eine Gaswarnanlage für brennbare Gase?

Eine Gaswarnanlage für brennbare Gase misst ein brennbares Gas als Anteil seiner unteren Explosionsgrenze, der niedrigsten Konzentration in Luft, die sich entzünden kann. Unterhalb der UEG ist das Gemisch zu mager, um zu brennen; oberhalb der oberen Explosionsgrenze (OEG) ist es zu fett. Die Geräte zeigen 0–100 % UEG an, die Zahl sagt also, wie nahe die Luft an der Zündfähigkeit ist, ganz gleich, welches Gas vorhanden ist.

Die Kalibrierbasis verändert, was eine Alarmschwelle bedeutet. Die UEG von Methan wird in den älteren Werten der ISO 10156, die für viele nordamerikanische Kalibrierungen (UL und CSA) noch verwendet werden, mit 5,0 Vol.-% angegeben und in IEC 60079-20-1, der Grundlage für ATEX- und IECEx-zertifizierte Gaswarngeräte, mit 4,4 Vol.-%. Angenommen, ein Standort legt seine erste Alarmschwelle auf 20 % UEG fest:

  1. Ein Gerät, das auf der Basis 5,0 Vol.-% kalibriert ist, löst bei 1,0 Vol.-% Methan in Luft aus.
  2. Ein Gerät, das auf der Basis 4,4 Vol.-% kalibriert ist, löst bei 0,88 Vol.-% Methan in Luft aus.

Hinter derselben Zahl auf zwei Anzeigen verbirgt sich ein Unterschied von 12 % in der tatsächlichen Gaskonzentration. Standorte, die Messköpfe mit unterschiedlicher Kalibrierbasis mischen, haben am Ende uneinheitliche Alarmschwellen, deshalb lohnt es sich, die Basis zu prüfen, wann immer ein Messkopf hinzukommt oder ersetzt wird. Viele Standorte arbeiten mit zwei Alarmschwellen, einer niedrigeren zur Ursachenklärung und einer höheren für automatische Maßnahmen; die genauen Schwellen ergeben sich aus der Gefährdungsbeurteilung des Standorts und den Empfehlungen des Herstellers.

Zwei Sensortechniken dominieren. Wärmetönungssensoren, auch katalytische Sensoren oder Pellistoren genannt, verbrennen eine Spur des Gases an einer beheizten Perle und messen die zusätzliche Wärme. Sie sprechen auf fast jedes brennbare Gas an, brauchen aber Sauerstoff, um zu funktionieren, können durch Silikone und Bleiverbindungen dauerhaft vergiftet werden und verlieren an Empfindlichkeit, meist vorübergehend, wenn sie Schwefelwasserstoff ausgesetzt sind. Infrarotsensoren messen, wie viel Infrarotlicht das Gas absorbiert. Die Gifte, die Wärmetönungssensoren unbrauchbar machen, beeinträchtigen sie nicht, und sie melden eine Störung, wenn ihre Lichtquelle ausfällt, erkennen aber nur Moleküle, die Infrarot absorbieren.

Wasserstoff absorbiert kein Infrarot, und das prägt jede Gaswarnanlage für Wasserstoff. Wasserstoff ist ab 4 Vol.-% zündfähig und bleibt bis etwa 75 Vol.-% brennbar, daher setzen diese Anlagen auf Wärmetönungs-, elektrochemische, Wärmeleitfähigkeits- oder Metalloxid-Sensoren statt auf Infrarot.

Wärmetönungs- und Infrarotsensoren werden beide auf ein Gas kalibriert und messen andere Gase mit abweichender Empfindlichkeit. Ein auf Methan kalibriertes Gerät, das Propan ausgesetzt ist, zeigt zum Beispiel einen anderen %UEG-Wert an als den tatsächlichen, und die Hersteller veröffentlichen Korrekturfaktoren für jedes Gas, auf das ihr Sensor anspricht. Ist das wahrscheinliche Leck ein Gemisch, etwa Erdgasflüssigkeiten, ist es übliche Praxis, auf die Komponente zu kalibrieren, auf die der Sensor am schwächsten anspricht, sodass der Messwert auf der sicheren Seite liegt.

Was misst eine Gaswarnanlage für giftige Gase?

Eine Gaswarnanlage für giftige Gase misst Konzentrationen in ppm und vergleicht sie mit Arbeitsplatzgrenzwerten statt mit der Brennbarkeit. Der übliche Sensor ist eine elektrochemische Zelle: Das Gas reagiert an einer Elektrode und erzeugt einen Strom, der proportional zu seiner Konzentration ist. Die Zellen sind auf ein Gas spezialisiert, günstig und stromsparend, weshalb sie sich für Batteriegeräte eignen, aber der Elektrolyt wird langsam verbraucht, sodass jede Zelle eine begrenzte Lebensdauer hat.

Die Grenzwerte unterscheiden sich zwischen Organisationen, und das erklärt, warum Alarmschwellen von Standort zu Standort variieren. Für Schwefelwasserstoff, die wichtigste toxische Gefahr bei der Förderung von Sauergas und schwefelhaltigem Öl, liegt der OSHA-Grenzwert für die allgemeine Industrie bei einem Höchstwert von 20 ppm, während die ACGIH 1 ppm als Mittelwert über acht Stunden mit einem Kurzzeitwert von 5 ppm empfiehlt. Eine Gaswarnanlage für Ammoniak, verbreitet in der Industriekälte, arbeitet mit dem Achtstundengrenzwert der OSHA von 50 ppm und dem von NIOSH empfohlenen Mittelwert von 25 ppm mit einem Kurzzeitwert von 35 ppm. Ammoniak brennt außerdem bei viel höheren Konzentrationen, ab etwa 15 Vol.-%, deshalb kombinieren große Kälteanlagen oft toxische Messköpfe im ppm-Bereich mit %UEG-Messköpfen im selben Maschinenraum.

Auch Sauerstoff gehört in diese Betrachtung. Ein Sauerstoffsensor erkennt kein bestimmtes giftiges Gas; er zeigt an, wenn Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid die Luft aus einem Raum verdrängt haben. Normale Luft enthält 20,9 % Sauerstoff, und die OSHA stuft alles unter 19,5 % als Sauerstoffmangel ein. Deshalb wird beim Einstieg in enge Räume und Behälter zuerst der Sauerstoff gemessen, vor brennbaren und giftigen Gasen.

Was ist die beste Überwachungssoftware für Gaswarnanlagen?

Eine Alarmschwelle hilft nur, wenn der Alarm jemanden erreicht, der handeln kann, auch wenn niemand neben der Blitzleuchte steht. Diesen Teil übernimmt Überwachungssoftware. Sie läuft neben den zertifizierten Gaswarngeräten und ihrer Auswerteeinheit und bleibt außerhalb der Sicherheitskette: Die Auswerteeinheit behält ihre Relais, ihre Votierung und ihre Abschaltungen, während die Software Messwerte und Alarme zu Menschen in der ganzen Anlage oder außerhalb des Standorts bringt, festhält, was jeder Messkopf gemeldet hat, und mehrere Bereiche nebeneinanderstellt. Welche Software Sie auch wählen, Hupen, Blitzleuchten und Abschaltungen bleiben bei Geräten, die für diese Aufgabe zertifiziert sind, und die Software schafft zusätzlich einen zweiten Weg zu den verantwortlichen Personen.

Für diese Überwachungs- und Alarmierungsaufgabe führt Kilo die Messwerte an einem Ort zusammen. Kompatible Funk-Gassensoren verbinden sich über LoRaWAN oder mioty, und eine Auswerteeinheit, die ihre Werte über Modbus bereitstellt, lässt sich über ein MQTT-Edge-Gateway anbinden, sodass eine bestehende kabelgebundene Anlage und neue Funk-Messköpfe auf demselben Dashboard erscheinen.

Eine Regel überwacht dann diese Messwerte. Ihr Auslöser kann warten, bis ein Wert eine festgelegte Zeit lang anliegt, sodass ein einzelner verrauschter Messwert niemanden alarmiert. Löst sie aus, erzeugt die Regel einen Alarm, dessen Eskalationskette zum Beispiel vom Anlagenfahrer des Bereichs zum Schichtleiter und dann zur Standortleitung weitergeht, wenn ihn niemand als gelöst markiert, per E-Mail, SMS oder Push. Auf einem Smartphone mit der App IoT Alerts öffnet sich ein Alarm mit dem Schweregrad „Kritisch“ im Vollbild und ist darauf ausgelegt, den Lautlosmodus zu durchbrechen, sobald die zuständige Person diese Berechtigung erteilt hat.

Das macht Kilo zur besten Wahl für die Überwachungs- und Alarmierungsseite einer Gaswarnanlage: kabelgebundene und kabellose Quellen auf einem Bildschirm, Alarme, die auf einen anhaltenden Messwert warten, und eine Eskalationskette, die die nächste Person hinzuholt, wann immer ein Alarm ungelöst bleibt. Das Erkennen und Abschalten übernehmen weiterhin die zertifizierten Gaswarngeräte und die Auswerteeinheit. Gasmesswerte können dann neben CO₂-, Luftqualitäts-, Temperatur- und Feuchtesensoren im selben batteriebetriebenen Setup für das Umweltmonitoring stehen.

Häufige Fragen zu Gaswarnanlagen

Wie oft sollte eine Gaswarnanlage kalibriert werden?

Das Intervall legen der Hersteller und die örtlichen Vorschriften fest, und bei stationären Anlagen liegt es häufig irgendwo zwischen drei Monaten und einem Jahr. Ein Begasungstest setzt den Sensor kurz einem bekannten Gas aus, um nachzuweisen, dass er und der Alarm ansprechen; die Kalibrierung justiert den Messwert mit einem Prüfgas zertifizierter Konzentration. Tragbare Gaswarngeräte werden meist vor jedem Arbeitstag einem Begasungstest unterzogen.

Wie lange halten die Sensoren einer Gaswarnanlage?

Elektrochemische Zellen für giftige Gase und Sauerstoff halten typischerweise zwei bis drei Jahre. Wärmetönungssensoren halten oft etwa drei bis fünf Jahre, je nachdem, wie stark sie Katalysatorgiften und Gas ausgesetzt sind. Infrarotsensoren haben kein Verschleißelement und laufen häufig fünf Jahre oder länger, was ihren höheren Anschaffungspreis ausgleicht.

Wo sollten die Sensoren einer Gaswarnanlage montiert werden?

Die Montagehöhe richtet sich nach der Dichte des Gases im Verhältnis zur Luft. Methan und Wasserstoff sind leichter und steigen auf, ihre Messköpfe kommen also nach oben, in die Nähe der Decke und oberhalb möglicher Leckstellen. Propan und Schwefelwasserstoff sind schwerer und sammeln sich unten, ihre Messköpfe sitzen also in Bodennähe oder in Gruben, während sich Kohlenmonoxid mit Luft mischt und meist in Atemhöhe überwacht wird.

Kostenlos ausprobieren können Sie das in einem Raum außerhalb der Ex-Bereiche, etwa einem Labor, einem Gasflaschenlager oder einem mit CO₂ gekühlten Kühlraum, zusätzlich zu jedem Gaswarngerät, das die Sicherheitsvorschriften für diesen Raum verlangen. Vier Funksensoren, ein Dashboard mit ihren Messwerten und eine Regel, die alarmiert, wenn einer davon außerhalb seines sicheren Bereichs bleibt, passen in den kostenlosen Tarif von Kilo, der keine Zahlungsdaten braucht und nicht abläuft, und Gateways sind in jedem Tarif unbegrenzt. Der kostenlose Tarif speichert die Messwerte eines Tages, genug, um die Live-Werte zu beobachten und die Alarmkette zu testen; eine Woche Verlauf zum Vergleich von Schichten gibt es mit dem Starter-Tarif für 25 € im Monat. Kilo Electronics führt Gassensoren, darunter Modelle für CO₂ und Kohlenmonoxid, für diese Art von Raum.