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Fachberichte - Gasanalytik

 

Gasanalytik - Fachberichte

Laser-Spektrometer für die optische Gasanalyse in der Prozessmesstechnik

Laserspektrometer für die Gase Acetylen, Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Chlorwasserstoff mit guter Querempfindlichkeit und hoher
Genauigkeit für einen breiten Druck und Temperaturbereich

 

Dr. Johannes Herbst, Abt. Analysenmesssysteme,
Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik, Freiburg
VDI-Fachkonferenz 16. - 17. Februar 2011 in Frankfurt am Main

 


  IPM

Acetylenspektrometer
Das neu entwickelte Laserabsorptionsspektrometer auf der Basis neuartiger Quantenkaskadenlaser ist durch die Verwendung von Pyrodetektoren ein kostenoptimiertes Messsystem für Acetylen. Pyrodetektoren sind 40-mal günstiger als thermoelektrisch gekühlte MCT-Detektoren, die bis 15 μm Wellenlänge empfindlich sind.
Die ausgewählte Absorptionslinie liegt im Bereich von 14 μm, um einerseits die stärksten Linien für eine gute Nachweisempfidlichkeit zu nutzen, andererseits den starken
Querempfindlichkeiten durch die Gasmatrix auszuweichen.

Vergleichbare Gasmesssysteme arbeiten mit Diodenlasern mit Absorptionslinien im Bereich von 1,5 oder 3 μm [6, 7]. In diesen Bereichen sind die spektralen Überlappungen mit der Gasmatrix aufwendiger zu handhaben, und die Linienstärke ist bis zu 100-mal geringer.

   

Diodenlaserspektrometer für O2, CO und HCL
Das Messsystem (Abb.) besteht aus drei White-Zellen mit 2 m optischem Weg für das jeweilige Gas.Für die Bestimmung der Gaskonzentrationen von Sauerstoff, Kohlenmonoxid und
Chlorwasserstoff wurden für O22 763 nm, für CO 2360 nm und für HCL 1742 nm als Absorptionslinienwellenlänge ausgewählt.

Das Laserspektrometer hat als Anwendungshintergrund die Raumluftüberwachung zur Branddetektion bei der bemannten Raumfahrt. Hierfür müssen hohe Nachweisempfindlichkeiten und Genauigkeiten über einen Druckbereich von 100 -1000 mbar erreicht werden. Ein weiteres Kriterium ist, dass das Messsystem während des jahrelangen Einsatzes nicht durch Testgase nachkalibriert werden kann.Aus diesen Gründen wurde hierfür die direkte kalibrationsfreie Laserspektroskopie eingesetzt.

   

Messung von Gaskonzentrationen mit der Laser-Spektrometrie im Vergleich zur Gaschromatographie, zur FTIR-Spektroskopie oder zu den elektrochemischen Zellen -

Die hier betrachteten optischen Gasanalysatoren zur Bestimmung von Gaskonzentrationen arbeiten mit der Laserabsorptionsspektroskopie.
Die Alternativmesstechniken hierzu sind beispielsweise die Gaschromatographie, die FTIRSpektroskopie oder die Verwendung elektrochemischer Zellen.

Im Vergleich hat jede dieser Messemethoden ihre speziellen Vor- und Nachteile.

  • Die Gaschromatographie bietet hohe Empfindlichkeit, jedoch keine ausreichende Messfrequenz, da ein Messprozess mehrere Minuten dauert.
  • Mit der FTIR-Spektroskopie ist die Analyse unbekannter Gasgemische möglich, aber Empfindlichkeit und mechanische Robustheit sind vergleichsweise gering.
  • Die elektrochemische Zelle ist kostengünstig, aber sie zeigt
    teilweise starke Querempfindlichkeiten und eine geringe Langzeitstabilität.
  • Die Laserspektroskopie ist sehr selektiv, schnell und rückführbar, zeichnet sich jedoch nicht durch gute Nachweisempfindlichkeiten bei kurzen optischen Wegstrecken aus. In den Systemen mit Multireflexionszellen wird dieser Nachteil durch lange Absorptionsstrecken wieder kompensiert.
     

 

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