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Rubriken: Gasanalytik - Physikalische Parameter - Systemkomponenten / Probenaufbereitung
Gas-Messtechnik - Gaswarntechnik - Füllstand - Brandmelder -
Ex-Signalgeräte -
Projektierung und Fertigung von Gaswarn- und Brandmeldeanlagen sowie Systemen zur Analyse von Prozess- und Spurengasen.
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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 |
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Dr. Johannes Herbst, Abt. Analysenmesssysteme,
Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik,
Freiburg
VDI-Fachkonferenz 16. - 17. Februar 2011 in Frankfurt am Main
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 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. |
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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. |
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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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