Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...

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Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Nationales Metrologieinstitut

Abteilung 3
Chemische Physik und
Explosionsschutz
Abteilungsbericht 2020
Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...
Abteilung 3
Chemische Physik und
Explosionsschutz
Dr. B. Güttler
Telefon: (0531) 592-3010
E-Mail: bernd.guettler@ptb.de

Fachbereich 3.1
Allgemeine und
Anorganische Chemie
Dr. R. Stosch
Telefon: (0531) 592-3100
E-Mail: rainer.stosch@ptb.de

Fachbereich 3.2
Biochemie
Prof. Dr. G. O´Connor
Telefon: (0531) 592-3200
E-Mail: gavin.oconnor@ptb.de

Fachbereich 3.3
Physikalische Chemie
Prof. Dr. R. Fernandes
Telefon: (0531) 592-3300
E-Mail: ravi.fernandes@ptb.de

Fachbereich 3.4
Analytische Chemie
der Gasphase
Prof. Dr. V. Ebert
Telefon: (0531) 592-3400
E-Mail: volker.ebert@ptb.de

Fachbereich 3.5
Explosionsschutz in der
Energietechnik
Dr. D. Markus
Telefon: (0531) 592-3500
E-Mail: detlev.markus@ptb.de

Fachbereich 3.6
Explosionsgeschützte
Sensorik und Messtechnik
Dr. F. Lienesch
Telefon: (0531) 592-3600
E-Mail: frank.lienesch@ptb.de

Fachbereich 3.7
Grundlagen des
Explosionsschutzes
Dr. M. Beyer
Telefon: (0531) 592-3700
E-Mail: michael.beyer@ptb.de

Auszug aus dem PTB-Organigramm   Explosion einer Büschelentladung beim Vergleich der
(Dezember 2020)                  Mindestzündenergie mit der übertragenen Ladung
Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz

Zu den Aufgaben der Abteilung 3 Chemische Physik
und Explosionsschutz gehört die Erforschung der
Grundlagen zum primären, sekundären und tertiären
Explosionsschutz, der Aufbau der metrologischen
Infrastruktur zu Prüfanforderungen im Explosions-
schutz, Entwicklung und Validierung von Prüfverfah-
ren und die sicherheitstechnische Bewertung von Ge-
räten. Im Explosionsschutz ist es das „primäre“ Ziel,
explosionsfähige Atmosphäre zu vermeiden. Dazu
müssen die verschiedenen Kenngrößen von Substan-
zen bestimmt werden, die explosionsfähige Gemische
bilden können. Lassen sich explosionsfähige Atmo-
sphären nicht vermeiden, gilt es für den „sekundären
Explosionsschutz“, Zündquellen zu vermeiden. Neue
Technologien wie Smartphones und Tablets müssen
entsprechend bewertet werden. Kommt es dennoch zu
Explosionen begrenzt der „tertiäre“ Explosionsschutz
die Auswirkungen, z. B. indem anlaufende Explosio-
nen in einem sehr früher Stadium gestoppt werden.
                                                         Bild 1: Untersuchung hybrider Gemische in der 20-l-Kugel
Die dreistufige Evaluierung ermöglicht den sicheren
Betrieb von Anlagen mit Explosionsgefahren, z. B.
in chemischen und petrochemischen Anlagen. Die           transfer durch Patente und Normen, das vom BMWi
Abteilung 3 trägt mit Forschung, Gremientätigkeiten      gefördert wird, wird das Verbundvorhaben NEX-HYS
und Dienstleistungen auf allen drei Gebieten dazu        zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen
bei, Umwelt und Gesellschaft vor den Folgen unbe-        hybrider Gemische bearbeitet. Ziel des Verbund-
absichtigter Explosionen zu schützen. Die wichtigen      projektes ist es, labortechnische Verfahren zur Bestim-
aktuellen Arbeiten auf den drei Gebieten werden im       mung sicherheitstechnischer Kenngrößen für hybride
Folgenden beschrieben.                                   Gemische bis zur Normungsreife zu entwickeln und
                                                         mittelfristig eine europäische Normung für hybride
                                                         Gemische zu initiieren. Folgende, technisch wichtige
Sicherheitstechnische Kenngrößen für
                                                         Kenngrößen werden untersucht: Die untere Explo-
explosionsfähige hybride Gemische                        sionsgrenze, die Sauerstoffgrenzkonzentration, der
                                                         maximale Explosionsdruck, der maximale zeitliche
Hybride Gemische aus Staub, Brenngas und Luft
                                                         Druckanstieg und die Mindestzündtemperatur. Um
spielen in der Prozesstechnik bei Trocknungs- und
                                                         eine schnelle allgemeine Verfügbarkeit der Ergebnisse
Transportprozessen eine wichtige Rolle. Für diese Ge-
                                                         zu gewährleisten, ist im Rahmen des Vorhabens in
mische lassen sich die sicherheitstechnischen Kenn-
                                                         Kooperation mit dem DIN die Erstellung einer Vor-
größen nicht nach den etablierten Verfahren für die
                                                         norm (DIN SPEC) geplant.
Einzelkomponenten bestimmen. Aus bisherigen For-
schungsarbeiten ist bekannt, dass hybride Gemische
teilweise zündempfindlicher sind, erweiterte Explosi-    Datenbank Chemsafe – Verlässliche
onsbereiche aufweisen und die Auswirkungen von Ex-       Kenngrößen für den Explosionsschutz
plosionen heftiger ausfallen können als bei Brennstof-
fen, die nur in einem Aggregatzustand vorliegen. Die     Brennbare Gase und Flüssigkeiten können in Mi-
entsprechenden Kenngrößen können nicht durch eine        schung mit Luft explosionsfähige Gemische bilden.
einfache Kombination der jeweiligen Werte der Rein-      Der Explosionsschutz erfordert deshalb geeignete
substanzen ermittelt werden. In einigen Fällen würde     Maßnahmen für die sicherere Handhabung und
dies zu einer Unterschätzung des Explosionsrisikos       die Bewertung der Gefahren bei der Verarbeitung,
und der Explosionsheftigkeit führen. Im Rahmen des       Lagerung, Beförderung und Entsorgung. Diese
WIPANO-Programms für Wissens- und Technologie-           Maßnahmen werden anhand der spezifischen Stoffei-
                                                                                                                    1
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Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3

Bild 2: Die frei zugängliche Datenbank CHEMSAFE stellt zuverläs-
sige sicherheitstechnische Kenngrößen bereit
                                                                   Bild 3: Bespielhafte elektrische Entladungen an zwischen einem
                                                                   Wolframdraht (Anode, Durchmesser ca. 200 µm) und einem Kad-
genschaften ausgelegt. Die CHEMSAFE-Datenbank                      miumblock (Kathode)
ist seit mehr als 40 Jahren eine zuverlässige Quelle für
die Kenngrößen solcher Stoffe. In dieser Datenbank
werden von Experten der PTB und der Bundesan-                      dem Funkenprüfgerät (FPG), durchgeführt. Dieses
stalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)                     bildet elektrische Entladungen nach, die innerhalb der
bewertete Explosionsschutz-Kenngrößen brennbarer                   zu bewertenden Geräte bei verschiedenen Betriebs-
Gase und Flüssigkeiten in Zusammenarbeit mit der                   oder Fehlerzuständen auftreten können. Das Fun-
Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechno-                  kenprüfgerät ist jedoch komplex in der Anwendung
logie e.V. (DECHEMA) veröffentlicht. Auf der Basis                 und basiert auf zufälligen Prozessen, welche sehr stark
dieser Datensammlung wird kontinuierlich weiterer                  streuen.
Forschungs- und Normungsbedarf ermittelt und ent-
sprechend umgesetzt. Im Jahr 2017 wurde die Open                   Die Untersuchungen dieser relevanten zündenden
Access-Version dieser Datenbank eingeführt, die sich               elektrischen Entladungen (vgl. Bild 3) zeigen, dass es
zunehmender Beliebtheit erfreut (www.chemsafe.ptb.                 verschiedene multiphysikalische Prozesse gibt, die
de). CHEMSAFE wird kontinuierlich weiterentwickelt                 miteinander interagieren. So bestehen die hier be-
und enthält derzeit bewertete Eigenschaften für etwa               trachteten elektrischen Entladungen nach den neueren
3000 Flüssigkeiten, Gase und Gemische.                             Erkenntnissen aus Nichtgleichgewichts-Metalldampf-
                                                                   Plasmen. Bei der elektrischen Entladung und der
                                                                   Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre spielen
Zündfähigkeit elektrische Entladungen
                                                                   u. a. elektrische, thermodynamische und material-
                                                                   spezifische Eigenschaften eine wichtige Rolle. Die
Elektrische Entladungen gelten als potenzielle Zünd-
                                                                   aktuellen Untersuchungen befassen sich dabei mit der
quelle von explosionsfähigen Atmosphären. Die
                                                                   Entstehung und Ausbreitung einer Explosion, welche
Bewertung der Zündfähigkeit ist daher ein wichtiger
                                                                   durch die Betrachtung des Temperaturfeldes und der
Aspekt zur Einschätzung des Risikos einer Explosion.
                                                                   Strahlung erfolgt. Hierbei werden u. a. spektrosko-
Hierzu ist das Verständnis der physikalischen Prozes-
                                                                   pische und Schlieren Verfahren angewendet. Diese
se von großer Hilfe.
                                                                   Ergebnisse sollen dann als Eingangsparameter für die
                                                                   Modellbildung genutzt werden.
Die Zündschutzart Eigensicherheit „i“ findet Anwen-
dung in der Automatisierungs- und Verfahrenstech-
nik wie z. B. Sensoren, Aktoren und Anzeigen. Die
Bewertung der Zündfähigkeit elektrischer Entladun-
gen wird mit Hilfe eines genormten Versuchsaufbaus,
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Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz

Elektro-Thermische Charakterisierung                                          Polarisationswiderstand, der durch eine geringere
von Lithium-Ionen-Zellen                                                      Viskosität des Elektrolyten steigt. Die entnehmbare
                                                                              Kapazität der Zelle sinkt mit geringerer Manteltempe-
Der Betrieb von mobilen Geräten in explosionsfähigen                          ratur. Eine sicherheitstechnische Bewertung umfasst
Atmosphären erfordert auch die sicherheitstechnische                          auch den vorhersehbaren Fehlbetrieb, so dass Unter-
Bewertung der Batterien. Zur elektrothermischen                               suchungen bei Überladung und Überentladung der
Charakterisierung von Lithium-Ionen-Zellen wäh-                               Zellen durchgeführt wurden.
rend des Ladens oder Entladens bei verschiedenen
Umgebungstemperaturen und Stromstärken wurden
                                                                              Zündgefahrenbewertung der
drei verschiedene Charakterisierungsmethoden, die
Kalorimetrie, die elektrochemische Impedanzspektro-                           optischen Strahlung (LED)
skopie und das Stromimpulsverfahren angewandt und
                                                                              Die optische Strahlung von beispielweise LEDs in
miteinander verglichen. Die kalorimetrische Bestim-
                                                                              Smartphones oder Tablets kann als Zündquelle in
mung der Wärmekapazität der Zelle ergab einen Wert
                                                                              explosionsfähigen Atmosphären wirksam werden,
von cZelle = 0,99 J/gK. Sie ist relevant für thermische
                                                                              sodass deren Bewertung folglich ein wichtiger Aspekt
Modelle der Zelle.
                                                                              ist. Das Ziel der Forschungsarbeiten ist es, eine Bewer-
                                                                              tungsmethodik über die Messung einer Temperatur in
Der irreversible Anteil der Wärmeleistung, bedingt
                                                                              einem Prüfkörper herzustellen. Hierzu werden Prüf-
durch die ohmschen Verluste, kann bestimmt und
                                                                              körper (Partikel) angefertigt, die die optische Strah-
verglichen werden. Die irreversible Wärmeleistung
                                                                              lung absorbieren und deren Temperatur erhöhen. Die
aus dem Stromimpulsverfahren lässt sich jedoch erst
                                                                              Partikel werden im Strahlengang der LED positioniert
nach einer ausreichenden Relaxationszeit bestimmen.
                                                                              und deren Temperatur mit einem Thermoelement ge-
                                                                              messen. Die beispielhafte Thermografiemessung zeigt
Der Verlauf des Innenwiderstands über dem SoC
                                                                              die Temperaturverteilung eines erwärmten Partikels
der Zelle wurde ebenfalls aus allen drei Methoden
                                                                              (siehe Bild 5).
identifiziert und zeigt eine SoC-Abhängigkeit (Bild 4).
Der mit sinkendem SoC ansteigende Innenwider-
                                                                              An der Vorderseite des Partikels trifft folglich eine
stand hängt mit dem Konzentrationsgradienten der
                                                                              stärkere Erwärmung auf. Zur Bestimmung der
Lithium-Ionen in der Zelle zusammen. Auch die
                                                                              Zündfähigkeit werden die Prüfkörper zusätzlich in
Auswirkungen der Temperaturabhängigkeit konnte
                                                                              einer explosionsfähigen Atmosphäre positioniert. Der
anhand der Kalorimetrie deutlich gemacht werden.
                                                                              Wirkmechanismus ist die Erwärmung des Partikels
Es stellt sich heraus, dass die Wärmeleistung, die
                                                                              durch die emittierte Strahlung, die wiederum zu einer
irreversible Wärmeleistung und der Innenwiderstand
                                                                              Entzündung der explosionsfähigen Atmosphäre füh-
mit sinkender Manteltemperatur steigt. Dies liegt am
                                                                              ren kann. Die ermittelte Partikeltemperatur wird für

                         0

                       -0,5
  Wärmelesitung in W

                        -1

                       -1,5

                        -2

                       -2,5
                              0   20        40              60           80            100
                                                 SoC in %
                                                                                                  Bild 4: Vergleich zwischen drei Varianten
                                                                                                  der Berechnung der irreversiblen Wärme-
                                       2h        U 0,1 C         Kalo
                                                                                                  leistung

                                                                                                                                          3
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Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3

                                                                              Bild 5: Aufgenommene Temperaturver-
                                                                              teilung auf der Oberfläche des 1 mm
                                                                              Partikels, mit der Thermografiekamera aus
                                                                              einem ca. 70° Winkel

die sicherheitstechnische Beurteilung der optischen        kann beschrieben werden, dass die Ladung einer
Strahlung einer LED herangezogen. Die Bewertungs-          Polarität dieser Doppelschicht in der äußeren Schicht
kriterien der Zündfähigkeit der LEDs sind die maxi-        des Tropfens zu finden ist. Die entgegengesetzte
mal zulässige Partikeltemperatur sowie der minimale        Ladung zeigt in das Tropfeninnere. Die Bildung von
Abstand zwischen der LED und dem Partikel. Die Me-         Überschussladungen erfolgt, wenn die äußere Schicht
thodik bietet eine einfache Handhabung für die Praxis      vom Tropfenrumpf abgerissen wird. Dieser mechani-
und kann als Bewertungsgrundlage für die optische          sche Zerfall wird durch den Austritt aus der Düse, der
Strahlung von LEDs herangezogen werden.                    hydrodynamischen Instabilität im Strahl und letzt-
                                                           endlich durch den Aufprall auf die Behälterwandung
Aus dieser Datenbasis wird mithilfe der logistischen       hervorgerufen. Es muss untersucht werden, ob die
Regression ein maximal zulässiger Temperaturgrenz-         beschriebene Ladungstrennung ausreichend ist, um
wert von 315 °C für ein 1 mm Partikel vorgeschlagen.       Entladungen zu generieren, die potenziell in der Lage
Eine Temperaturmessung für die IPhone SE LED               sind, eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden.
ergibt Partikeltemperaturen von ca. 50 °C und liegt        Ziel dieser Forschung ist es, die Höhe und Polarität
deutlich unterhalb der maximal zulässigen Tempera-         der elektrostatischen Ladungstrennung messtechnisch
tur.                                                       nachzuweisen und „Worst-Case“-Parameter zu be-
                                                           nennen.
Zündgefahren durch elektrostatische
                                                           Für erste Untersuchungen dient eine Modellanord-
Aufladung – Ladungstrennung beim                           nung, bestehend aus einem leitfähigen 1 m³ Behälter,
Versprühen von Wasser                                      der speziell für die Montage eines Feldstärkenmess-
                                                           gerätes und einer ortsaufgelöst messenden Poten-
Beim Prozess der Behälterreinigung wird Wasser als         tialmesssonde konstruktiv angepasst wurde. Durch
häufigstes Reinigungsmedium eingesetzt. Wasser be-         diese Modellanordnung wird die Ladungstrennung im
sitzt als polare Flüssigkeit die Eigenschaft elektrische   Behälter in Abhängigkeit der Düsenausrichtung und
Doppelschichten zur umgebenden Luft auszubilden.           Düsengeometrie untersucht. Die Modellanordnung
Die Ausbildung der elektrischen Doppelschicht ist          wurde bereits mit einer Warmwasseraufbereitung
abhängig von der Salinität des Wassers. Allgemein          erweitert. Diese Erweiterung erlaubt es, Wasser unter-

Bild 6: Modellanordnung zur Untersuchung
der elektrostatischen Ladungstrennung
beim Hochdruckversprühen von Wasser

4
Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz

schiedlicher elektrischer Leitfähigkeit (vollentsalztes
Wasser, Trinkwasser, Meerwasser) bei Temperaturen
bis 60 °C zu versprühen.

Einsatzgrenzen von
Flammendurchschlagsicherungen bei
erhöhtem Druck

Zwecks Prozessoptimierung finden Prozesse in che-
mischer und petrochemischer Industrie zunehmend
unter nicht-atmosphärischen Bedingungen statt. Eine
Erhöhung von Druck, Temperatur oder O2-Konzen-
                                                          Bild 7: Druckverlauf der Detonation in Abhängigkeit vom eingestell-
tration kann einen erheblichen Einfluss auf Explo-        ten Anfangsdruck p tb
sionsvorgänge haben (Bild 7) und müssen bei der
Konzipierung des Explosionsschutzes im Rahmen der
gesetzlichen Anforderungen berücksichtigt werden.
Die aktuelle Norm DIN EN ISO 16852 (Flammen-              Ausblick auf künftige
durchschlagsicherungen - Leistungsanforderungen,          Herausforderungen – 5G-Netze und
Prüfverfahren und Einsatzgrenzen) enthält jedoch          Wasserstoff-Technologie
keine Anforderungen für nicht-atmosphärische
Bedingungen. In einem von der PTB koordinierten
                                                          Neue Technologien bringen in der Regel neue Her-
Forschungsprojekt wird an der Entwicklung eines
                                                          ausforderungen für den Explosionsschutz mit sich.
Prüfverfahrens für Flammendurchschlagsicherungen
                                                          Aufgrund der zunehmenden Automatisierung und der
auf Beständigkeit gegen Detonationen bei erhöhten
                                                          damit einhergehenden Kommunikation der Geräte
Ausgangsdrücken gearbeitet. Gemeinsam mit Part-
                                                          nimmt die Verwendung von Funknetzen in explosi-
nern aus Forschung und Industrie werden erstmals
                                                          onsfähigen Bereichen stetig zu. Für die Einführung
Vergleichsmessungen für stabile und instabile De-
                                                          des 5G-Netzes müssen noch Grundlagen geschaffen
tonationen an unterschiedlichen Prüfeinrichtungen
                                                          werden, die eine sicherheitsrelevante Bewertung tech-
durchgeführt, um die Einsatzgrenzen des derzeitigen
                                                          nischer Grenzwerte für elektromagnetische Felder so-
Prüfverfahrens aufzuzeigen. Anschließend folgt eine
                                                          wie deren Auswirkung hinsichtlich potenzieller Zünd-
Weiterentwicklung des Prüfverfahrens, um eine
                                                          quellen ermöglichen. Um die (künftigen) „5G-Geräte“
Verbesserung der Reproduzierbarkeit zu erzielen. Im
                                                          für explosionsgefährdete Bereiche zu evaluieren, sind
Weiteren wird der Einfluss des Ausgangsdrucks auf
                                                          sowohl Fehlerzustände zu berücksichtigen, als auch
die Wirksamkeit von Detonationsrohrsicherungen
                                                          die Quellen, die außerhalb des Ex-Bereiches betrieben
untersucht, um basierend auf diesen Erkenntnissen
                                                          werden, aber in den explosionsgefährdeten Bereich
ein Prüfverfahren für Detonationen bei erhöhten
                                                          hinein strahlen. Eine weitere Herausforderung kommt
Ausgangsdrücken zu entwickeln, das in die Normung
                                                          mit der Wasserstoff-Technologie. Verschiedenste
einfließen soll. Das Projekt wird durch die Förder-
                                                          Geräte und Verfahren verlassen hier aktuell den
maßnahme „WIPANO – Wissens- und Technologie-
                                                          Labormaßstab. Energietechnische Großanlagen sind
transfer durch Patente und Normen“ vom Projektträ-
                                                          geplant oder werden schon umgesetzt. Dies lässt viele
ger Jülich (PTJ) gefördert.
                                                          neue sicherheitstechnischen Fragestellungen erwarten,
                                                          die mit den vorhandenen Mitteln und Erfahrungen
                                                          nicht umfassend zu lösen sein werden.

                                                                                                                           5
Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3

In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung
Grundlagen der Metrologie                                    Wachstumshormon (GH), das eine zentrale Rolle
                                                             im Stoffwechsel innehat. Die Ergebnisse stellen die
Messunsicherheit von absoluten Isotopenverhält-              Eignung der an der PTB entwickelten Methoden als
nissen – Excel®-basiertes Tool zur Berechnung der            Referenzmessverfahren unter Beweis. Für Hämoglo-
Messunsicherheit von Kalibrierfaktoren erarbeitet            bin kamen sogar zwei in der PTB entwickelte komple-
Bei der Messung von Isotopenverhältnissen mit                mentäre Methoden zum Einsatz. Die Abweichungen
Massenspektrometern werden grundsätzlich nur Sig-            vom Mittelwert der teilnehmenden Laboratorien
nalintensitätsverhältnisse erhalten, die weit außerhalb      betragen 1 % (LC-MS) bzw. 3 % (LC-ICP-MS) für Hä-
ihrer Messunsicherheit von den interessierenden              moglobin, sowie 3 % bzw. 6 % für Wachstumshormon
Isotopenverhältnissen abweichen. Für die Berechnung          in zwei verschiedenen Proben. Ziel der PTB ist es,
der zur Korrektur notwendigen Kalibrierfaktoren              für diese Analyten Referenzwerte in Ringvergleichen
wurde bereits im Vorjahr ein Tool vorgestellt. Als           für klinische Laboratorien zur Verfügung zu stellen.
wichtige Ergänzung hierzu hat die AG 3.11 ein weite-         (C Arsene, christian.arsene@ptb.de, C. Brauckmann,
res Software-Tool im Rahmen des EMPIR-Projektes              C. Swart, FB 3.2, christine.brauckmann@ptb.de)
16ENV06 entwickelt, das auf Monte-Carlo-Methoden
basierend die Messunsicherheit dieser Kalibrierfak-          Key-Comparison zur Reinheitsbestimmung
toren bereitstellt. (L. Flierl, O. Rienitz, FB 3.1, lukas.   primärer Peptid- Referenzmaterialien
flierl@ptb.de, olaf.rienitz@ptb.de)                          Die PTB hat erfolgreich an einer Studie zur Identifi-
                                                             zierung und Quantifizierung von Verunreinigungen
Entwicklung einer Primärmethode zur Bestimmung               in einem primären Referenzmaterial teilgenommen,
des C-reaktiven Proteins                                     das für die Kalibrierung von „Glycohämoglobin“
Das C-reaktive Protein (CRP) ist ein wichtiger Para-         (HbA1c) benötigt wird. Hierbei handelt es sich um
meter, um den Schweregrad einer akuten Entzündung            ein Peptid, das die letzten sechs Aminosäuren des Hä-
im menschlichen Körper zu beurteilen. In Koopera-            moglobins (beta-Kette) umfasst und sich als „Snippet“
tion mit dem nationalen Metrologieinstitut Chinas            zur Quantifizierung des Proteins eignet. Es existiert
wird nach dem letztjährigen Besuch eines chinesi-            in zwei Formen, eine ist unverändert (VHLTPE),
schen Gastwissenschaftlers gegenwärtig basierend auf         die andere durch Glucose modifiziert (glc-VHTLP).
dem Prinzip der Isotopenverdünnungs-Massenspek-              Beide Formen können auf enzymatischem Weg aus
trometrie eine Primärmethode für CRP entwickelt.             Patientenproben gewonnen werden. Das Stoffmen-
Hierfür wird ein flüssigchromatographisches Verfah-          genverhältnis (HbA1cM) charakterisiert den Grad
ren zur Anreicherung von Signaturpeptiden des CRP            der Glykierung des Hämoglobins („Langzeit-Blutzu-
nach dem tryptischen Verdau des Serums angewen-              cker“). Es wird im Zusammenhang mit Diagnose und
det. In einem Messvergleich soll die neue Methode            Behandlung von Diabetes mellitus gemessen. In der
dem vom chinesischen Partnerinstitut entwickelten            zweiten Stufe der Studie soll das so charakterisierte
Messverfahren gegenübergestellt werden, das sich un-         Material als Kalibrator für die HbA1c-Messung in
terscheidet indem das CRP zur Anreicherung vor dem           Serumproben verwendet werden. (R. Ohlendorf,
tryptischen Verdau mittels spezifischer Antikörper           C. Arsene, FB 3.2, cristian.arsene@ptb.de)
aus dem Serum extrahiert wird. (C. Arsene, A. Henri-
on, FB 3.2, christian.arsene@ptb.de)                         Neuaufbau eines erweiterten, primären
                                                             Gasfeuchtenormals
Erfolgreiche Organisation und Teilnahme an                   Zur Stärkung von Dienstleistung und Forschung baut
­CCQM-Ringversuchen zur quantitativen                        die Arbeitsgruppe 3.41 im Rahmen eines bewilligten
 Bestimmung von Proteinen                                    Größtgeräteantrags ein neues primäres Feuchtenor-
 Im Rahmen der BIPM (CCQM) – Strategie zur                   mal auf. Basierend auf dem thermodynamischen Prin-
 Entwicklung von Primärverfahren für die Messung             zip soll die Anlage einen Frost-/Taupunktbereiches
 von Proteinbiomarkern hat die PTB als Pilotlabora-          von –40 bis +95 °C abdecken, und so den Arbeits-
 torium zwei Studien organisiert. Messgrößen waren           bereich des bisherigen Normals deutlich erweitern.
 Hämoglobin in Blut, ein häufig im Labor gemessener          Nach Abschluss der Planungs- und Entwurfsphase
 klinischer Basisparameter („Blutbild“), sowie Serum-        befindet sich die Komponenten der Anlage zurzeit im

8
Aufbau. Neben der Fertigung zentraler Komponenten      dienen. Dabei konnten in der Vergangenheit neben
im wissenschaftlichen Gerätebau und dem Zusam-         den Kohlenwasserstoffen in der Regel nur die Stick-
menbau der anlagenspezifischen Systeme, gehören        stoff- und Kohlenstoffdioxidanteile mit den in der
dazu die Montage der Messsysteme zur Rückführung,      PTB nach dt. Eichrecht geprüften Analysengeräten
Überwachung und Automatisierung der Anlage. Für        bestimmt werden. Mit der neusten Gerätegeneration
das Jahr 2021 ist die Inbetriebnahme der Gesamtan-     kann nun neben Sauerstoff und Helium auch Wasser-
lage und anschließend deren Validierung geplant.       stoff analysiert und bei der Brennwertermittlung be-
(F. Bubser, R. Deschermeier, FB 3.4, regina.descher-   rücksichtigt werden. Geräte bis 15 bzw. 20 % Wasser-
meier@ptb.de)                                          stoffanteile sind zum neuen Standard geworden und
                                                       wurden im Rahmen der PTB-Konformitätsbewertung
                                                       als geeignet für den Einsatz im geeichten Betrieb be-
Metrologie für die Gesellschaft
                                                       wertet. Die PTB unterstützt damit die Bereitstellung
                                                       der Messtechnik für die Einspeisung von größeren
Europäisches Metrologie Netzwerk „TraceLabMed“
                                                       Mengen regenerativ erzeugten Wasserstoffs in deut-
verstärkt Zusammenarbeit mit strategisch wichtigen
                                                       sche Erdgasnetze. (Dr. B. Anders, FB 3.3, E-Mail: bert.
Partnern
                                                       anders@ptb.de)
Für das von der PTB koordinierte Netzwerk stand
2020 ganz im Zeichen der Corona-Pandemie: ge-
                                                       2D-Strömungsmodell zur Berechnung der
plante Workshops und Konferenzen konnten nicht
                                                       wirksamen Querschnittsfläche von
realisiert werden, gemeinsame Treffen waren nicht
                                                       Kolben-Zylinder-Systemen
möglich. Trotz Absage eines Stakeholderworkshops,
                                                       Ein neues 2D-Strömungsmodell wurde entwickelt,
der gemeinsam mit der Europäischen Organisation
                                                       um die wirksame Querschnittsfläche von Kolben-
für Externe Qualitätssicherung (EQALM) und der
                                                       Zylinder-Systemen von Kolbenmanometern ba-
Griechischen Gesellschaft für Klinische Chemie und
                                                       sierend auf ihren dimensionellen Eigenschaften zu
Biochemie (GSCC-BC) geplant war, konnte in Zu-
                                                       berechnen. Die wirksame Querschnittsfläche eines
sammenarbeit mit der GSCC-CB, der Unterstützung
                                                       Kolben-Zylinder-Systems ist sein Hauptparameter,
von EQALM und durch intensive Bemühungen der
                                                       der in erster Linie die Unsicherheit des mit dem
EMN-Mitglieder ein gemeinsamer online Workshop
                                                       Kolbenmanometer gemessenen Drucks bestimmt.
im Rahmen des Jahrestreffens der GSCC-CB realisiert
                                                       Mithilfe des 2D-Strömungsmodells kann der mit der
werden. Die positive Rezeption dieser Veranstaltung
                                                       axialen Nicht-Symmetrie eines Kolben-Zylinder-Sys-
mit mehr als 350 Teilnehmern ist eine wichtige
                                                       tems verbundene Unsicherheitsbeitrag beseitigt und
Grundlage für die weitere Zusammenarbeit mit
                                                       die Unsicherheit der wirksamen Querschnittsfläche
klinischen Gesellschaften und Ringversuchsanbietern
                                                       verringert werden. Das 2D-Strömungsmodell wurde
zum Zweck der Priorisierung und der Förderung me-
                                                       angewendet, um die wirksame Querschnittsfläche
trologisch rückführbarer, Europäischer Ringversuche.
                                                       von 3 Öl- und 4 Gasbetriebenen Kolben-Zylinder-
Der Austausch mit klinischen Gesellschaften wurde
                                                       Systemen zu berechnen, die an der PTB als Primär-
darüber hinaus durch die Ernennung von Milena
                                                       normale für Absolut- und Überdrücke in Gasen von
Quaglia (LGC; UK) als Repräsentantin des EMNs in-
                                                       1 Pa bis 7 MPa und in Flüssigkeiten von 300 kPa bis
nerhalb des „Committe on Traceablity in Laboratory
                                                       10 MPa angewendet werden. Der Vorteil des 2D-
Medicine“ (C-TLM) der Internationalen Gesellschaft
                                                       Strömungsmodells in Abhängigkeit von der geometri-
für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin
                                                       schen Perfektion der Kolben-Zylinder-Systeme wurde
(IFCC) wesentlich gestärkt. (D. Auerbach, R. Stosch,
                                                       demonstriert. Mithilfe dieses 2D-Strömungsmodells
FB 3.1, TraceLabMed@euramet.org)
                                                       wurde der Unsicherheitsbeitrag aufgrund der axialen
                                                       Nicht-Symmetrie der dimensionellen Eigenschaften
Wasserstoffmessung wird zum Standard im
                                                       der Kolben-Zylinder-Systeme eliminiert und schließ-
geschäftlichen Verkehr
                                                       lich die kombinierte Unsicherheit der wirksamen
Prozessgaschromatographen (PGC) bestimmen seit
                                                       Querschnittsfläche um 2 % bis 70 % reduziert.
fast 30 Jahren in Erdgasnetzen aus der Gaszusam-
                                                       (W. ­Sabuga, FB 3.3, E-Mail: wladimir.sabuga@ptb.de)
mensetzung die Brennwerte und andere Gasbeschaf-
fenheitskenngrößen, die als Abrechnungsgrundlage
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3

STELLAR: Stable isotope metrology to enable            zur direkten Realisierung metrologisch rückgeführter
climate action and regulation                          Stoffmengenanteile. (O. Werhahn, I. Prokhorov,
Das EMPIR-Projekt 19ENV05 STELLAR tritt seit           J. Nwaboh, Z. Qu, V. Ebert, FB 3.4, olav.werhahn@
Sep. 2020 die Nachfolge des EMPIR-Projektes SIRS       ptb.de)
an. Beide Projekte werden/wurden vom NPL ko-
ordiniert, und in beiden Projekten wird das für die    MesSBAR: Automatisierte luftgestützte Messung
Feldanwendungen wichtige Workpackage „Optischen        der Schadstoff-Belastung in der erdnahen
Methoden“ von der PTB geleitet. Dabei geht es jetzt    Atmosphäre in urbanen Räumen
in STELLAR um die optische Isotopenverhältnis-         In dem von der TU-Braunschweig koordinierten
Spektroskopie (OIRS) zur Bestimmung der δ13C,          Forschungsprojekt werden mehrere Drohnen zu
δ18O, δ17O und δ2H-Werte in CO2 und CH4. Darüber       einem modularen, flugfähigen Schadstoff-Messsystem
hinaus bringt AG 3.11 wichtige Erkenntnisse aus dem    aufgebaut, um die 3D-Verteilung von Feinstaub, Ruß,
Avogadro-Projekt in STELLAR ein, um eine zukünf-       NOx und Ozon bspw. an Bundesfernstraßen und im
tige SI-Rückführung von Isotopenverhältnissen in       Umfeld von Städten und Ballungsräumen bis in eine
Gasen zu ermöglichen. (O. Werhahn, J. Nwaboh, V.       Höhe von einem Kilometer zu erfassen. Das Projekt
Ebert, FB 3.4, volker.ebert@ptb.de)                    wird vom BMVI im Rahmen der Förderrichtlinie Mo-
                                                       dernitätsfonds („mFUND“) gefördert. Der Fachbe-
MetCLIMVOC: Metrology for climate relevant             reich 3.4 arbeitet an der Entwicklung von Konzepten
volatile organic compounds                             für eine metrologische Rückführung der NO2- und
Im EMPIR-Projekt MetCLIMVOC, 19ENV06, ko-              der Feinstaubsensoren. Hierzu wurde in AG 3.42 eine
ordiniert vom METAS (CH), wird seit Juni 2020 an       NO2-Prüf- und Kalibrierstrecke auf Basis gasförmiger
der Verbesserung spektroskopischer Atmosphären-        Referenzstandards aufgebaut, während die AG 3.43
fernerkundungsmethoden und -retrievals gearbeitet.     an der Entwicklung mobiler, präparativer Feinstaub-
Ziel der Arbeiten ist, in enger Kooperation mit der    standards auf Basis von Plasmazerstäubern arbeitet.
Universität York, genauere spektrale Molekülpara-      (A. Nowak, O. Werhahn, V. Ebert, FB 3.4 volker.
meter zu bestimmen, um so die die Güte der Ferner-     ebert@ptb.de)
kundungsmethoden zu steigern und sie metrologisch
abzusichern. (Gang Li, Mi Eon Kim, V. Ebert, FB 3.4,   13th International Symposium on Hazards, Preven-
volker.ebert@ptb.de)                                   tion and Mitigation of Industrial Explosions als
                                                       Diskussionsforum im Web realisiert
Erfolgreicher Abschluss der EMPIR-Projekte             Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braun-
Biomethane, IMPRESS2 und SIRS                          schweig und die Otto-von-Guericke-Universität Mag-
Im Jahr 2020 kommt es (Corona-bedingt etwas ver-       deburg waren vom 27. bis 31. Juli 2020 Gastgeber des
spätet) zum erfolgreichen Abschluss der drei EMPIR-    Symposiums. Anstatt einer Präsenzkonferenz wurde
Projekte Biomethane, IMPRESS2 und SIRS. Während        kurzfristig ein virtuelles Diskussionsforum organi-
es bei SIRS um die optische Isotopenverhältnis-        siert. 575 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
Spektroskopie (OIRS) zum Nachweis von δ13C, δ18O       aus 38 Ländern nahmen teil. (M. Beyer, FB 3.7, mi-
in CO2 ging, hatten Biomethane und IMPRESS2            chael.beyer@ptb.de)
den gemeinsamen Analyt Chlorwasserstoff (HCl)
im Fokus. SIRS findet eine Fortsetzung im EMPIR-       Sicherheitstechnische Kenngrößen für
Projekt STELLAR (s. oben), wohingegen Biomethane       explosionsfähige hybride Gemische
und IMPRESS im Projekt-Cluster „HCl“ auch im           Hybride Gemische brennbarer Substanzen mit
Rahmen des METAMC2-Projektes fortgeführt wer-          Luft haben andere Explosionseigenschaften als die
den. Gemeinsamkeit aller HCL-Clusterprojekte, ist      jeweiligen Reinstoffe. Um die sicherheitstechnischen
die Entwicklung applikations-spezifisch optimierter    Kenngrößen des Explosionsschutzes reproduzierbar
optischer Gas-Standards (OGS) für den Einsatz          bestimmen zu können, wird zurzeit ein normungs-
als Transferstandards in der Gasmetrologie. OGS        fähiges Verfahren im Rahmen eines WIPANO Pro-
arbeiten – ähnlich dem Ozon-Primärnormal – als         jektes des Bundeswirtschaftsministeriums entwickelt
gaskalibrationsunabhängiger „Instrumentenstandard“     (NEX-HYS). (V. Heilmann, A. Taiwo, W. Hirsch,

10
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz

H. Großhans, S. Zakel, U. Krause, FB 3.7, vanessa.       wurde eine Methode zur Überprüfung der Einsetz-
heilmann@ptb.de)                                         barkeit entwickelt, mit der die berechnete elektrische
                                                         Feldstärke eines Flachstrahls bekannten Potentials mit
Zündtemperaturen brennbarer Flüssigkeiten bei            der gemessenen elektrischen Feldstärke verglichen
erhöhtem Sauerstoffanteil in der Luft                    werden kann. (F. Baumann, FB3.7, florian.baumann@
Die Zündtemperatur ist eine wichtige Größe zur           ptb.de, M. Thedens, FB 3.7 martin.thedens@ptb.de)
sicherheitstechnischen Beurteilung brennbarer Gase
und Flüssigkeiten. Sowohl für Luft als auch für reinen   Messmethoden zum Erfassen der Ladungstrennung
Sauerstoff als Oxidationsmittel existieren hierfür       beim Versprühen von Wasser unter hohem Druck
bereits umfangreiche Daten. Nun wurden die Zünd-         Ein Hochdruckwasserstrahl erzeugt stets positiv und
temperaturen im technisch wichtigen, aber bisher         negativ geladene Tropfen im Behälter. Bei Messungen
kaum untersuchten Bereich zwischen 21 Vol% und           der elektrischen Feldstärke kann es zu einer Mittelung
100 Vol% Sauerstoffanteil im Oxidatorgas untersucht.     dieser entgegengesetzt geladenen Tropfen innerhalb
(W. Hirsch, S. Zakel, FB 3.7, sabine.zakel@ptb.de)       der Messfläche des Feldstärkenmessgerätes kommen.
                                                         Für ortsaufgelöste lastfreie Messungen ist eine Poten-
Sicherheitstechnische Kenngrößen für die                 tialmesssonde nutzbar. (F. Baumann, FB 3.7, florian.
Tankschifffahrt                                          baumann@ptb.de, M. Himstedt, FB 3.7, matthias.
Von Experten der BAM und der PTB zusammenge-             himstedt@ptb.de, D. Möckel, FB 3.7, dieter.moeckel@
stellte physikalische Stoffdaten und bewertete Explo-    ptb.de, M. Thedens, FB 3.7, martin.thedens@ptb.de)
sionsschutz-Kenngrößen werden Aufsichtsbehörden
sowie Industrie und Gewerbe in anwenderfreundli-
                                                         Metrologie für die Wirtschaft
cher Aufbereitung open access zur breiten Nutzung
zur Verfügung gestellt. (E. Brandes, Y. Adebahr-
                                                         Charakterisierung von Li-Ionen Batterien
Lindner, F. Krischok, T. Stolz, FB 3.7, thomas.stolz@
                                                         Ein gemeinsames Forschungsprojekt zur Charak-
ptb.de)
                                                         terisierung von Li-Ionenbatterien auf Basis der
                                                         elektrochemischen Impedanzspektroskopie zwischen
Brand- und Explosionsschutz zuckerhaltiger
                                                         der Volkswagen AG und den PTB-Arbeitsgruppen
Ethanol-Wasser-Mischungen
                                                         Elektrochemie und Datenanalyse und Messunsi-
Der Einfluss des Saccharosegehalts auf brand- und
                                                         cherheit ist erfolgreich abgeschlossen worden. Das
explosionsschutzrelevante Anforderungen bei der
                                                         entwickelte mathematische Modell zur Charakteri-
Lagerung und Abfüllung von Ethanol/Wasser-
                                                         sierung der Li-Ionenbatterien wurde validiert und in
Lösungsmittelgemischen wurde untersucht. (S. Zakel,
                                                         der Arbeitsgruppe Elektrochemie implementiert. Ein
FB 3.7, sabine.zakel@ptb.de)
                                                         Softwarepaket wurde dem Projektpartner VW zur
                                                         weiteren Verwendung übergeben. (F. Schmähling,
Überblick zum aktuellen Stand der messtechnischen
                                                         FB 8.4, franko.schmaehling@ptb.de; G. Wübbeler,
Charakterisierung der berührungslosen Messung
                                                         C. Elster, FB 8.4, gerd.wuebbeler@ptb.de, clemens.
elektrostatischer Aufladung mittels Feldmühlen
                                                         elster@ptb.de; J. Heine, S. Seitz, FB 3.1, jessica.heine@
Mit Feldmühlen wird ein Messverfahren zur Be-
                                                         ptb.de, steffen.seitz@ptb.de)
stimmung elektrostatischer Felder ohne eine direkte
Beeinflussung des Messobjektes bereitgestellt. Zur
                                                         EU Horizon 2020 Forschungsprojekt „Metrology
Etablierung der Feldmühle als rückbares Messmittel,
                                                         for Integrated Marine Management and Knowledge-
bedarf es genauer Kenntnisse über das Messprinzip.
                                                         Transfer Network (MINKE)“
(C. Schierding, FB 3.7, carola.schierding@ptb.de)
                                                         Die AG 3.13 – Elektrochemie ist Partner in einem
                                                         Konsortium aus europäischen Kalibrierlaboratorien,
Messung elektrischer Feldstärken aufgeladener
                                                         Firmen, Forschungseinrichtungen und nationalen
versprühter Flüssigkeiten
                                                         Metrologieinstituten, das kürzlich im Rahmen des
Die Kalibration von Feldstärkenmessgeräten ist ab-
                                                         Calls H2020-INFRAIA-2018-2020 (Integrating and
weichend von den realen Bedingungen beim Messen
                                                         opening research infrastructures of European inte-
elektrischer Feldstärken versprühter Flüssigkeiten. Es
                                                         rest) das Forschungsprojekt „MINKE“ eingeworben
                                                                                                                11
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3

hat. MINKE hat das Ziel, die marine, metrologische          Erweiterte Forschungs-/Dienstleistungslabors für
Forschungsinfrastruktur zu integrieren, Synergien zu        Partikel- und NOx-Emissionen
schaffen und die Qualität der Meeresbeobachtung im          Als Konsequenz aus der Novellierung der AU-Richtli-
europäischen Rahmen zu verbessern. Die metrologi-           nie Ende 2017, die u. a. auch erstmals einen AU-Parti-
schen Institute werden in diesem Verbund die Umset-         kelanzahldichtegrenzwert für Euro6-Dieselfahrzeuge
zung metrologischer Konzepte für die „Essential Oce-        einführte, wurden deutlich größere Prüf- und Labor-
an Variables“ und insbesondere eine enge Anbindung          flächen im Bereich Abgas erforderlich. Hierfür wurde
an das Europäisch Metrologischen Netzwerk „Climate          in nur einem Jahr ein Laborneubau (Planck 3) vor
and Ocean Observation“ etablieren. Die AG 3.13 wird         allem für die Abgasmetrologie konzipiert, realisiert
in diesem Zusammenhang für die Messgrößen Salzge-           und in Dienst gestellt. Im zweiten Schritt erfolgte nun
halt und pH von Meerwasser zuständig sein. (S. Seitz,       die Erweiterung der Prüfkapazitäten für die neuen
FB 3.1, steffen.seitz@ptb.de)                               AU-Partikelanzahlsensoren und um Labors für die
                                                            Vorlaufforschung zur möglichen Einführung einer
EMPIR-Projekt 19ENG09 BIOFMET „New metrolo-                 NOx-AU. Dieser zweite Abgasmetrologie Neubau
gical methods for biofuel materials analysis“               (Planck 4) wird nun ebenfalls in einem sehr kurzen
Gesicherte Informationen über die Art und Qualität          Zeitrahmen realisiert (Fertigstellung Anfang 2021)
von festen und flüssigen Biokraftstoffen sind wichtig,      und umfasst zwei neue Aerosollabore (je 48 m²) für
um ihre thermochemische Umsetzung im Hinblick               die Zulassung von AU-Partikelanzahlsensoren, sowie
auf einen höheren Wirkungsgrad und geringere Emis-          zwei NOx-Labore (je 48 m²) für die Vorlaufforschung
sionen zu optimieren. Das EMPIR-Projekt BIOFMET             zu Stickoxidemissionen in Verbrennungsabgasen, so
ist im Sommer 2020 gestartet und befasst sich mit           dass der Fachbereich auch auf aktuelle Entwicklungen
der Erforschung von genaueren messtechnischen               in der Abgasemissionsregulierung vorbereitet ist.
Methoden und der Entwicklung von fortschrittlichen          (S. Pratzler, A. Nowak, V. Ebert, FB 3.4, volker.ebert@
rückverfolgbaren Messstandards zur Bestimmung des           ptb.de )
Energiegehalts, des Verunreinigungs- und Aschege-
halts sowie der Entwicklung von neuen Feuchtigkeits-        MetroPEMS: Improved vehicle exhaust
übertragungsstandards und Kalibrierungsanlagen. An          quantification by portable emission measurement
der PTB werden dabei metrologische Rahmenbedin-             systems metrology
gungen für Energiegehaltsmessungen mittels Bom-             Portable Emissionsmessgeräte (PEMS) werden in
benkalorimetrie entwickelt und die Charakterisierung        Europa zur Messung von realen PKW-Emissionen
von Referenzmaterialien durchgeführt. (K. Mosham-           (RDE) auf der Straße in der Typprüfung von Ver-
mer, FB 3.3, E-Mail: kai.moshammer@ptb.de)                  brennungsmotoren eingesetzt. PEMS-Messgeräte, be-
                                                            stehend aus einem Gasanalysator und einer Rußparti-
AUPNag: Arbeitsgruppe zur Einführung der                    kelzähleinheit. Ziel des Projektes ist die Entwicklung
Partikelanzahlmessung (PN) in die nationale                 und verbesserte Charakterisierung metrologischer
Abgasuntersuchung (AU)                                      Transferstandards, sowie die verbesserte Rückführung
Vertreter von Ministerien, Behörden, Prüfinstituten         der PEMS Endgeräte. Das Hauptaugenmerk gilt
und Industrieverbänden haben in der AUPNag in               dabei der Ruß-Partikelanzahl (PN), den Stickoxiden
diesem Jahr unter der gemeinsamen Leitung der               (NO, NO2) sowie dem Abgasmassenfluss (EFM). Die
PTB (Prof. Dr. V. Ebert) und der Bundesanstalt für          PTB koordiniert hierbei das Gesamtprojekt EMPIR-
Straßenwesen (BAST, Dr. U. Ellmers) ihre Arbeit             19ENV09. (J. Saturno, V. Ebert, FB 3.4 volker.ebert@
fortgesetzt. In mehreren Treffen, die aufgrund der          ptb.de)
COVID19-Pandemie teils online stattfanden, wurden
weitere große Schritte auf dem Weg zur Einführung           MetAMC2: Metrology for Airborne Molecular Con-
der neuen Messgröße in die deutsche AU gegangen.            taminants 2
Kernpunkte waren dabei A) die Festlegung der metro-         In dem industrierelevanten Projekt EMPIR-17IND09
logischen Prüfanforderungen an AU-Partikelanzahl-           MetAMC2 arbeitet die AG 3.42 an der Quantifizie-
messgeräte, sowie B) die Schaffung der Infrastruktur        rung von Verunreinigungen in der Raumluft von
für die Konformitätsbewertung der AUPN-Messgerä-            Reinraum-Arbeitsplätzen und -Fabrikationsstraßen
te. (S. Pratzler, V. Ebert, FB 3.4, volker.ebert@ptb.de )
12
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz

durch Chlorwasserstoff (HCl). Weiterentwickelt            rologischen und sicherheitstechnischen Infrastruktur
wurden dafür frühere Messverfahren, die auf einer         für die Energiewende bei. (R. Fernandes, FB 3.3, ravi.
Kombination von Wellenlängen-Modulations-                 fernandes@ptb.de; D. Markus, H. Grosshans, FB 3.5,
Spektroskopie (WMS) und direkter Diodenlaser-             detlev.markus@ptb.de)
Spektroskopie (dTDLAS) beruhen. Durch die
sogenannte „Bypass-Kalibration“ werden die Vorteile       Abschluss der internationalen Ringvergleichs-
beider Spektroskopie-Techniken kombiniert, um so          programme „Tests of Enclosures“ und „Battery
die Empfindlichkeit des OGS – ohne eine Kalibrie-         Testing“
rung mittels gasförmiger Standards – weiter steigern      Die Teilnahme an Ringvergleichsprogrammen ist
zu können. (O. Werhahn, T. Benoy, Z. Qu, V. Ebert,        eine Anforderung der ISO/IEC 17025 und IECEx für
FB 3.4, olav.werhahn@ptb.de)                              Prüflaboratorien im Bereich des Explosionsschutzes
                                                          hinsichtlich der Notwendigkeit, ihre Kompetenz
MefHySto: Metrology for Advanced Hydrogen                 nachzuweisen. Es ermöglicht eine Leistungsbewer-
Storage Solutions                                         tung der Prüflaboratorien für spezifische Prüfungen
In dem von der BAM koordinierten Forschungspro-           oder Messungen und hilft, Unterschiede zwischen den
jekt EMPIR-19ENG03 MefHySto zum Themenbereich             Laboren zu identifizieren. Darüber hinaus ist es ein
der Wasserstoffwirtschaft beteiligen sich die AG 3.42     wirksames Instrument, um die Vergleichbarkeit von
und 3.41 an der Untersuchung laserspektrometrischer       Prüf- und Messverfahren zu untersuchen. Im Rahmen
Messverfahren zur Quantifizierung gasförmiger Ver-        des IECEx / PTB Ex Proficiency Testing Schemes
unreinigungen in Wasserstoff. Aufgabe der PTB im          entwickelt die Arbeitsgruppe 3.54 mit Unterstützung
Projekt MefHySto ist dabei die Bestimmung kleinster       der Fachbereiche 3.5, 3.6 und 3.7 Ringvergleichs-
Beimengungen von Wasserdampf im Wasserstoffgas,           programme zu Ex-Schutz relevanten Kenngrößen,
die zu Verlusten, Schädigungen und einer Sicherheits-     Charakteristika und Messgrößen. Während das Pro-
beeinträchtigung von Speicher- und Umwandlungs-           gramm „Tests of Enclosures“ die Schwerpunkte auf
prozessen führen würden. (O. Werhahn, J. Nwaboh,          Schlagfestigkeit, thermische Stabilität und IP Schutz-
V. Ebert, R. Deschermeier, FB 3.4, olav.werhahn@ptb.      grade bei Gehäusen legt, stehen für das Programm
de)                                                       „Battery Testing“ Oberflächentemperaturen und
                                                          Innenwiderstände bei Zellen und Batterien im Fokus.
Nachhaltige Wasserstoff-Verbrennungskonzepte              Beide Programme mit insgesamt 88 internationalen
Grüner Wasserstoff kann als kohlenstofffreier und re-     Prüflaboratorien wurden nach zweijähriger Laufzeit
generativer Energieträger maßgeblich dazu beitragen,      erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse aus den
zukünftig die Treibhausgasemissionen signifikant zu       Programmen tragen maßgeblich dazu bei, die Ver-
senken. Das niedersächsische Ministerium für Wis-         gleichbarkeit zwischen Ex-Prüflaboratorien weltweit
senschaft und Kultur fördert daher Innovationslabore      zu erhöhen. Außerdem bildet die aktive Einspeisung
zur weiteren Entwicklung der Wassertechnologie.           der Erkenntnisse in die entsprechenden Normengre-
Für die Konzeptionsphase wurde ein gemeinsamen            mien die Basis für die Modifizierung der verwendeten
Forschungsvorhabens der Fachbereiche 3.3 und 3.5          Prüfverfahren. (T. Krause, J. Wu, L. Ostermann,
mit verschiedenen niedersächsischen Partnern zur          FB 3.5, tim.krause@ptb.de)
Ausarbeitung der Forschungsansätze und eine weitere
Vertiefung der Kooperation ausgewählt. Im Fokus           ERC Projekt „Preventing Explosions – How do Pow-
stehen hierbei nachhaltige Wasserstoff-Verbren-           der Flows Electrify?“
nungskonzepte für den Einsatz von Wasserstoff in          Die Elektrostatik und die Turbulenz sind bereits
thermischen Kraftwerken oder Verbrennungsmoto-            jeweils für sich herausfordernde Fachgebiete. Deren
ren. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Effizienz   Interaktion ist daher noch komplexer und ein Ver-
der thermochemischen Nutzung von Wasserstoff zu           ständnis ist bislang nicht erreicht. Deshalb führen bis
steigern sowie den Schadstoffausstoß zu minimie-          heute elektrostatische Aufladungen von Pulverströ-
ren. Neben verschiedenen Untersuchungen zu den            mungen zu Unfällen in der verfahrenstechnischen
Zündprozessen und der Reaktionskinetik tragen die         Industrie. Dies soll sich durch das neue ERC Projekt
beiden Fachbereiche so auch zur Stärkung der met-         „Preventing Explosions – How do Powder Flows

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Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3

Electrify?“ ändern. In den fünf Jahren Laufzeit des       Experimentelle Messung der Wirbelstromverluste in
Projektes werden genaue Ladungsmessungen an               den Magneten elektrischer Maschinen mittels eines
Einzelpartikeln durchgeführt, um neue numerische          von einem Frequenzumrichter erzeugten PWM-
Modelle zu entwickeln. Diese Modelle werden dann          Signals.
in das Simulationstool pafiX implementiert. Die Si-       Aktuelle industrielle Anwendungen erfordern zuver-
mulationsergebnisse werden anschliessend durch ein        lässige elektrische Antriebe mit hoher Leistungsdichte
Pulverexperiment validiert. Bei diesem Experiment         und guter Regelbarkeit, wobei insbesondere auch ein
kommt ein neuentwickeltes Messverfahren zum               möglichst guter Wirkungsgrad einen hohen Stellen-
Einsatz, mit dem es möglich ist, die elektrische Aufla-   wert hat.
dung von Pulver online, also direkt an der Strömung,      Ein diese Anforderungen in idealer Weise erfüllendes
zu messen. (H. Grosshans, FB 3.5, holger.grosshans@       Antriebskonzept ist die permanentmagneterregte
ptb.de)                                                   Synchronmaschine in Kombination mit einem Fre-
                                                          quenzumrichter. Es ist insbesondere wegen der hohen
Spektroskopische Untersuchungen zum Zusammen-             Energieeffizienz davon auszugehen, dass zukünftig
hang zwischen einer elektrischen Kontaktentladung         dieses Antriebskonzept auch in explosionsgefährdeten
bei einer langsamen Kontaktöffnung und der Flam-          Bereichen immer häufiger zum Einsatz kommen
menfront in einem zündfähigen H2/Luftgemisch.             wird. (N. Yogal; C. Lehrmann; FB 3.6, nijan.yogal@
Elektrische Entladungen bei Kontaktunterbrechungen        ptb.de; M. Henke; Institut für elektrische Maschinen,
sind eine potentielle Zündquelle für brennbare Gas-       Antriebe und Bahnen, Technische Universität Braun-
gemische. Daher müssen elektrische Geräte, in denen       schweig, Braunschweig, Deutschland)
elektrische Kontaktunterbrechungsentladungen
auftreten können, Sicherheitsanforderungen erfüllen,
wenn sie in explosionsgefährdeten Bereichen einge-
setzt werden. Die durch langsame Kontaktunterbre-
chungen erzeugten elektrischen Entladungen wurden
in früheren Artikeln der Autoren charakterisiert. Die
entsprechenden Entladungen in der Nähe der Min-
destzündenergie (17 μJ für Wasserstoff-Luft-Gemisch)
treten typischerweise bei Spannungen unter 30 V
und Strömen über 30 mA auf. Diese Entladungen
werden von Metalldampf dominiert, der sich aus
der optischen Strahlung ableiten lässt. Prozesse, die
sowohl auf unterschiedlichen Zeitskalen (Nano-,
Mikro- und Millisekunden) als auch auf unterschied-
lichen räumlichen Skalen (Mikro- und Millimeter)
ablaufen, stellen eine erhebliche Herausforderung
für optische Untersuchungen dar. In diesen Unter-
suchungen werden die relevanten elektrischen und
spektroskopischen Parameter (zeitlich und örtlich)
der Entladung sowie die mechanischen Parameter der
Kontaktöffnung gegenübergestellt. Die gewonnenen
Daten sollen als Grundlage für die Modellierung und
als Unterstützung für die Normung dienen. (C. Uber;
M. Hilbert; F. Lienesch; FB 3.6, carsten.uber@ptb.
de; J. Brunzendorf; FB 3.5; S. Franke; D. Uhrlandt;
Leibniz Institute for Plasma Science and Technology
(INP), Greifswald, Deutschland)

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Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Bundesallee 100
                                                       Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt,
38116 Braunschweig
                                                       das nationale Metrologieinstitut, ist eine
Abteilung 3 | Chemische Physik und Explosionsschutz    wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde
                                                       im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für
Sekretariat                                            Wirtschaft und Energie.
Andrea Reitmann
Telefon: (0531) 592-3011
E-Mail: andrea.reitmann@ptb.de
https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt3.html

Stand: 3 / 2021
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