Betrouwbare meettechniek voor waterstof - uitdagingen en oplossingen

Vergeleken met andere gassen heeft waterstof bijzondere chemische en fysische eigenschappen. Het is het lichtste element in het universum en heeft een extreem hoog diffusievermogen. Dat betekent dat het in veel materialen kan binnendringen, wat bij sensoren kan leiden tot materiaalmoeheid en ondichtheid. Bovendien is waterstof zeer reactief: de kleinste hoeveelheden zuurstof zijn al voldoende om explosieve mengsels te vormen. Druksensoren en niveaumeetinstrumenten moeten daarom niet alleen uiterst nauwkeurig werken, maar ook zijn beschermd tegen diffusie en verbrossing.

Ondanks de eenvoudige atomaire structuur van slechts één proton en één elektron heeft waterstof complexe chemische eigenschappen. Met name problematisch zijn:

• Hoge reactiviteit: waterstof vormt met zuurstof explosieve mengsels - de ontstekingsenergie is 15 keer zo laag als die van methaan.
• Diffusievermogen: de kleine moleculen dringen binnen in metalen materialen, wat tot lekkage kan leiden. Bij oliegevulde druksensoren kan het bijvoorbeeld zover komen dat de olievulling te sterk uitzet.
• Verbrossing door waterstof: waterstof hoopt zich in metalen op bij de korrelgrenzen, wat op termijn kan leiden tot verzwakking en zelfs tot plotselinge breuk van het materiaal.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, kiezen fabrikanten van waterstofmeettechniek voor speciale materialen zoals RVS 316L en innovatieve coatings zoals goud-rodium.

Waterstof wordt of onder zeer hoge druk, of bij extreem lage temperaturen opgeslagen. Deze omstandigheden vormen een aanzienlijke belasting voor de meettechniek. Waterstof wordt vaak bij 400 tot 700 bar opgeslagen, bijvoorbeeld in hogedruktanks of compressorsystemen. De uitdaging daarbij is:

• sensoren moeten bestand zijn tegen extreme druk zonder dat dit ten koste gaat van de nauwkeurigheid.
• Materiaalmoeheid door verbrossing ten gevolge van waterstof moet worden voorkomen.
• Diffusie kan de stabiliteit van drukmeetcellen op termijn aantasten.

Voor deze toepassingen biedt VEGA robuuste oplossingen zoals de VEGABAR 83, die drukken tot 1000 bar kan meten. De olievrije metalen meetcel voorkomt drift als gevolg van waterstofdiffusie, terwijl de goud-rodiumcoating extra bescherming biedt.
 
Om het volume te verminderen, wordt waterstof bovendien vloeibaar gemaakt en in vloeibare vorm opgeslagen. Hiervoor wordt het gas gekoeld tot temperaturen tussen -240 en -253 °C. De extreme temperaturen vormen een bijzondere uitdaging voor de meettechniek:

• sensoren moeten bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt stabiel werken.
• Afdichtingsmaterialen moeten extreem lage temperaturen kunnen weerstaan zonder bros te worden.
• Warmtebruggen moeten worden vermeden, want de kleinste temperatuurverschillen kunnen leiden tot verdamping.

Hier vertrouwt VEGA op geleide radarsensoren van de VEGAFLEX-serie, die ook bij lage diëlektrische constanten betrouwbare niveaumetingen mogelijk maken.

VEGA ontwikkelt sensoren die speciaal zijn ontwikkelt voor waterstoftoepassingen en die zelfs onder extreme omstandigheden betrouwbaar werken. De belangrijkste kenmerken zijn:

• CERTEC®-meetcellen: keramische meetcellen, die geen scheidingsmembraanolie nodig hebben en dus geen diffusieproblemen kennen.
• Goud-rodiumcoatings: verminderen de diffusie van waterstof in metalen sensoronderdelen en voorkomen materiaalmoeheid.
• Temperatuur- en drukcompensatie: staat garant voor nauwkeurige meetwaarden, ook in dynamische processen.
• Diffusiedichte afdichtingssystemen: voorkomen waterstoflekkage bij procesaansluitingen.

Voor industrieel gebruik in hogedruksystemen is de VEGABAR 83 ideaal, terwijl de VEGABAR 82 met keramische meetcel speciaal is ontworpen voor agressieve media zoals kaliumhydroxide in elektrolysers.

Veiligheid is een centraal aspect van waterstoftechniek. Het explosiebereik van waterstof is erg groot: mengsels met zuurstof of lucht zijn explosief bij waterstofgehaltes van 4 tot 77 volumeprocent. Bovendien heeft waterstof een extreem lage ontstekingsenergie. Om risico's tot een minimum te beperken, worden voorzorgingsmaatregelen op meerdere niveaus toegepast:

1. Primaire explosieveiligheid: voorkomen van explosieve mengsels, bijvoorbeeld door een veilige scheiding van waterstof en zuurstof in elektrolysers.
2. Secundaire explosieveiligheid: wegnemen van ontstekingsbronnen door gebruik te maken van intrinsiek veilige sensoren met lage elektrische energie.
3. Tertiaire explosieveiligheid: schadebeperkende maatregelen voor het geval er toch een ontsteking plaatsvindt.

De VEGA-sensoren zijn gecertificeerd volgens ATEX, IECEx en SIL en kunnen dus veilig worden gebruikt in explosiegevaarlijke omgevingen en in veiligheidsfuncties.

Hoe draagt digitalisering bij aan de proceszekerheid?
Naast het pure meten biedt moderne sensortechniek aanvullende digitale functies die bijdragen aan de bedrijfszekerheid. VEGA-sensoren beschikken over:

• Zelfdiagnosefuncties: permanente bewaking van de sensorstatus om afwijkingen in een vroeg stadium te detecteren.
• Digitale gegevensoverdracht: naadloze integratie in Industrie 4.0-systemen via IO-Link- en HART-protocollen.
• Externe toegang via Bluetooth: onderhoud en parametrering vanaf een veilige afstand.

Bovendien maakt het VEGA Inventory System een voorspellende voorraadbewaking mogelijk om knelpunten te voorkomen en de bevoorrading op tijd in te plannen.

Waterstof stelt hoge eisen aan de meettechniek - van hogedruktoepassingen en cryogene techniek tot explosieveiligheid. VEGA biedt met duurzamedruksensoren, niveaumeetinstrumenten en digitale oplossingen een betrouwbare basis voor efficiënte en veilige waterstofprocessen. Dankzij innovatieve materiaaltechnologieën, geavanceerde compensatiesystemen en digitale analysetools zet VEGA de nieuwe standaard in de waterstoftechniek. Zo kan deze veelbelovende energiedrager optimaal worden benut - veilig, nauwkeurig en efficiënt.