Durch die stetige Weiterentwicklung der eigenen Technologie zur Herstellung von Druckmesszellen in Dünnschichttechnik kann die Sensor-Technik Wiedemann GmbH (STW) eine wohl einzigartige Lösung zur Messung von Zustandswerten von Wasserstoff darstellen.
H2 – ein Molekül mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und ebenso vielfältigen Herausforderungen
Es gehört heute zum allgemeinen Stand der Technik, Wasserstoff sicher zu handhaben. In der Luft- und Raumfahrttechnologie, der Erdölraffinerie, in der Halbleiterfertigung, als Schutzgas beim Plasmaschweißen, in der Metallveredelung oder auch als Quelle der Energie in Brennstoffzellen findet sich Wasserstoff heutzutage in vielen kommerziellen und industriellen Bereichen wieder. Mit der Liste der möglichen Anwendungen wächst auch in signifikantem Maße die Nachfrage nach geeigneter Sensorik. Allerdings gibt es zwei besondere Herausforderung an Produkte im direkten Kontakt mit Wasserstoff: die Wasserstoffversprödung und die Permeation durch Wasserstoffionen.
Durch Wasserstoffversprödung kommt es zu einer Korrosion des Metalls, was einer Materialermüdung gleichkommt. Es kommt zu Rissbildungen und schließlich zum Versagen des Materials.
Bei der Permeation wandern Wasserstoffionen durch verschiedene Werkstoffe hindurch. Es müssen also nicht nur medienberührende Materialen bei der Auswahl berücksichtigt werden, sondern vielmehr auch Komponenten, die sich z.B. hinter einer Sensormembrane befinden, also nicht unmittelbar mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommen. Diese problematischen Eigenschaften von Wasserstoff schränken die Auswahl von möglichen Werkstoffen derart stark ein, dass viele Hersteller von H2-kompatibler Sensorik diese nur mit einer Vielzahl von Einschränkungen, z.B. bei der Genauigkeit oder auch der Lebensdauer, anbieten können.
Die Lösung
STW verfügt über eine wohl einzigartige Dünnschichttechnologie, die es ermöglicht, das Material mit den geringsten Einschränkungen in Bezug auf Wasserstoff zur Herstellung ihrer eigenen Messzellen und Sensoren zu beschichten: 316L. Diese Legierung ist hervorragend beständig gegen die Versprödung durch Wasserstoff und nebenbei noch auf Rang 2 der weltweit produzierten Edelstähle und somit auch noch günstig in der Beschaffung. Durch die Beschichtung von Messzellenrohlingen mit TiON (Titanoxynitrid) lassen sich Messzellen mit einem hohen k-Faktor (Verstärkungsfaktor) herstellen, die es wiederum ermöglichen, Verstärkerschaltungen mit einem hohen Signal-Rausch-Abstand einzusetzen.
Um einer Permeation von Wasserstoffionen, die durch eine erhöhte Temperatur und hohen Druck begünstigt wird, entgegen zu wirken, können Messzellen mit einer höheren Membranstärke ausgelegt werden. Allerdings bringt eine stärkere Membrane auch eine Reduzierung des Ausgangssignals der Druckmesszelle mit sich. Für diesen Anwendungsfall hat STW ein weiteres Schichtpaket entwickelt, welches durch angepasste Funktionsschichten einem zu klein werdenden Signal durch einen entsprechend höheren k-Faktor entgegenwirkt. Diese Entwicklung aus dem STW eigenen Reinraum bringt auch bei hohen Temperaturen eine bezahlbare Lösung zur Herstellung von Sensorik für Wasserstoffanwendungen.
Wasserstoffkompatibles STW-Messtechnikportfolio
Die wasserstoffgeeigneten Messzellen und Sensoren aus der 316L-Gruppe ergänzen das schon vorhandene M01-Drucktransmitter-Portfolio, das bereits 1,5 Millionen Varianten umfasst, um die Möglichkeit, Druck und Temperatur von Wasserstoff messen zu können. Auf den Einsatz kostspieliger Druckmittler wurde dabei verzichtet. Der verwendete Edelstahl, wie auch die Funktionsschichten der Wheatstone’schen Messbrücke der Dünnschichtmesszellen, haben die aufwendigen Dauer- und Lastwechseltests mit dem Medium Wasserstoff sehr gut bestanden. Die Kunden von STW können sich jetzt im Druckbereich von 3,5 bis 900 bar einen passenden Transmitter für das Medium Wasserstoff zusammenstellen. Unter anderem stehen 20 Druckanschlüsse, 10 elektrische Stecker und 9 elektrische Schnittstellen zu Auswahl. Qualifizierungen nach UL, CE, E1, ASIL, SIL, PL, geeicht, (ATEX in Vorbereitung) sind möglich.
Wasserstoff messen und trotzdem robust bleiben
Die Überdruckfestigkeit bleibt auch mit der wasserstofffesten Variante auf sehr hohem Niveau. Beispielsweise kann die 3,5 bar-Variante bis zu 20 bar überlastet werden, ohne Schaden zu nehmen. Da sowohl die Messzelle, als auch der Druckkanal aus dem Edelstahl 316L bestehen, kommt das Medium mit keinem anderen Material in Berührung und keine Dichtung beeinträchtigt die ausgezeichnete Medienresistenz. Berstdruck, Genauigkeit, Umwelteigenschaften, Lastwechselfestigkeit und EMV-Eigenschaften entsprechen weitestgehend dem Niveau der M01-Reihe.
H2 – ein Molekül mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und ebenso vielfältigen Herausforderungen
Es gehört heute zum allgemeinen Stand der Technik, Wasserstoff sicher zu handhaben. In der Luft- und Raumfahrttechnologie, der Erdölraffinerie, in der Halbleiterfertigung, als Schutzgas beim Plasmaschweißen, in der Metallveredelung oder auch als Quelle der Energie in Brennstoffzellen findet sich Wasserstoff heutzutage in vielen kommerziellen und industriellen Bereichen wieder. Mit der Liste der möglichen Anwendungen wächst auch in signifikantem Maße die Nachfrage nach geeigneter Sensorik. Allerdings gibt es zwei besondere Herausforderung an Produkte im direkten Kontakt mit Wasserstoff: die Wasserstoffversprödung und die Permeation durch Wasserstoffionen.
Durch Wasserstoffversprödung kommt es zu einer Korrosion des Metalls, was einer Materialermüdung gleichkommt. Es kommt zu Rissbildungen und schließlich zum Versagen des Materials.
Bei der Permeation wandern Wasserstoffionen durch verschiedene Werkstoffe hindurch. Es müssen also nicht nur medienberührende Materialen bei der Auswahl berücksichtigt werden, sondern vielmehr auch Komponenten, die sich z.B. hinter einer Sensormembrane befinden, also nicht unmittelbar mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommen. Diese problematischen Eigenschaften von Wasserstoff schränken die Auswahl von möglichen Werkstoffen derart stark ein, dass viele Hersteller von H2-kompatibler Sensorik diese nur mit einer Vielzahl von Einschränkungen, z.B. bei der Genauigkeit oder auch der Lebensdauer, anbieten können.
Die Lösung
STW verfügt über eine wohl einzigartige Dünnschichttechnologie, die es ermöglicht, das Material mit den geringsten Einschränkungen in Bezug auf Wasserstoff zur Herstellung ihrer eigenen Messzellen und Sensoren zu beschichten: 316L. Diese Legierung ist hervorragend beständig gegen die Versprödung durch Wasserstoff und nebenbei noch auf Rang 2 der weltweit produzierten Edelstähle und somit auch noch günstig in der Beschaffung. Durch die Beschichtung von Messzellenrohlingen mit TiON (Titanoxynitrid) lassen sich Messzellen mit einem hohen k-Faktor (Verstärkungsfaktor) herstellen, die es wiederum ermöglichen, Verstärkerschaltungen mit einem hohen Signal-Rausch-Abstand einzusetzen.
Um einer Permeation von Wasserstoffionen, die durch eine erhöhte Temperatur und hohen Druck begünstigt wird, entgegen zu wirken, können Messzellen mit einer höheren Membranstärke ausgelegt werden. Allerdings bringt eine stärkere Membrane auch eine Reduzierung des Ausgangssignals der Druckmesszelle mit sich. Für diesen Anwendungsfall hat STW ein weiteres Schichtpaket entwickelt, welches durch angepasste Funktionsschichten einem zu klein werdenden Signal durch einen entsprechend höheren k-Faktor entgegenwirkt. Diese Entwicklung aus dem STW eigenen Reinraum bringt auch bei hohen Temperaturen eine bezahlbare Lösung zur Herstellung von Sensorik für Wasserstoffanwendungen.
Wasserstoffkompatibles STW-Messtechnikportfolio
Die wasserstoffgeeigneten Messzellen und Sensoren aus der 316L-Gruppe ergänzen das schon vorhandene M01-Drucktransmitter-Portfolio, das bereits 1,5 Millionen Varianten umfasst, um die Möglichkeit, Druck und Temperatur von Wasserstoff messen zu können. Auf den Einsatz kostspieliger Druckmittler wurde dabei verzichtet. Der verwendete Edelstahl, wie auch die Funktionsschichten der Wheatstone’schen Messbrücke der Dünnschichtmesszellen, haben die aufwendigen Dauer- und Lastwechseltests mit dem Medium Wasserstoff sehr gut bestanden. Die Kunden von STW können sich jetzt im Druckbereich von 3,5 bis 900 bar einen passenden Transmitter für das Medium Wasserstoff zusammenstellen. Unter anderem stehen 20 Druckanschlüsse, 10 elektrische Stecker und 9 elektrische Schnittstellen zu Auswahl. Qualifizierungen nach UL, CE, E1, ASIL, SIL, PL, geeicht, (ATEX in Vorbereitung) sind möglich.
Wasserstoff messen und trotzdem robust bleiben
Die Überdruckfestigkeit bleibt auch mit der wasserstofffesten Variante auf sehr hohem Niveau. Beispielsweise kann die 3,5 bar-Variante bis zu 20 bar überlastet werden, ohne Schaden zu nehmen. Da sowohl die Messzelle, als auch der Druckkanal aus dem Edelstahl 316L bestehen, kommt das Medium mit keinem anderen Material in Berührung und keine Dichtung beeinträchtigt die ausgezeichnete Medienresistenz. Berstdruck, Genauigkeit, Umwelteigenschaften, Lastwechselfestigkeit und EMV-Eigenschaften entsprechen weitestgehend dem Niveau der M01-Reihe.
