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Prozessanalytik Breites Anwendungsgebiet für photoakustische Sensoren

Autor / Redakteur: Marcus Wolff, Hinrich G. Groninga, Christian Wetzel / M.A. Manja Wühr

Die laserbasierte Photoakustik rückt insbesondere bei der Detektion von Gas-Komponenten und der Analyse von gasförmigen Gemischen in den Fokus. Ihr Vorteil ist die hohe Empfindlichkeit und Selektivität.

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Schematischer Aufbau eines laserbasierten Gassensors Bild: PAS-Tech
Schematischer Aufbau eines laserbasierten Gassensors Bild: PAS-Tech
( Archiv: Vogel Business Media )

Aufgrund seiner Empfindlichkeit (Konzentrationsnachweis vom ppb- bis in den Prozent-Bereich) und Selektivität (querempfindlichkeitsfrei durch Laseranregung) eignet sich die laserbasierte Photo-akustik für viele Anwendungen aus den Bereichen Prozesskontrolle, Emissions- und Schadstoffüberwachung sowie medizinische Diagnostik. Aufgrund des modularen Aufbaus der Gassensoren lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Gase nachweisen und messen. Das Verfahren beruht auf der Absorption elektromagnetischer Strahlung, der Umwandlung der absorbierten Energie in eine Schallwelle und der anschließenden Detektion mit einem Mikrofon.

Vielfältiger Einsatz

Ein wichtiges Beispiel ist Kohlendioxid (12CO2- und 13CO2-Isotopologen). Dies lässt sich bei 2.0µ und 2.7µ bis zu einer Konzentration von wenigen ppb nachweisen. Wegen der hohen Selektivität der laserbasierten Photoakustik ist es sogar möglich, in einer Messung direkt das Verhältnis der Isotopologenkonzentrationen 13CO2 zu 12CO2 zu bestimmen. Mithilfe der 13C -Dotierung lässt sich auf diese Weise der CO2 Gasfluss bei bestimmten Anwendungen bestimmen.

Auch bei der Charakterisierung des Gesamtspektrum von Butan (C4H10) kommt das Verfahren zum Einsatz. Hier bedient man sich ihrer Methylen (CH2)- und ihrer Methyl (CH3)-Schwingungen. Die Messung wird bei der ersten Oberschwingung im Wellenlängenbereich um 1,70 µm durchgeführt. Die Nachweisgrenze liegt deutlich unter 1 ppm. Aufgrund der hohen Selektivität ist es möglich, zwischen i-Butan und n-Butan zu unterscheiden. Das ge-messene PAS-Signal ist über mehrere Größenordnungen der Konzentration linear. Anwendungen finden sich etwa in der Katalysator-Analytik sowie in der Raumluftüberwachung. Ebenfalls interessant ist die Analyse von Wasser/Feuchte (H2O). Wasser weist eine Vielzahl von Bandenspektren im gesamten Infrarotbereich auf. Aufgrund der hohen Selektivität der laserbasierten Photoakustik lässt sich Wasser querempfindlichkeitsfrei messen. Industrielle Anwendungen der Feuchtemessung liegen z.B. bei der Überwachung des Feuchtegehaltes von Reinstgasen, in der Halbleiterindustrie oder überall dort, wo Entfeuchter oder Trocknungsapparaturen im Einsatz sind.

Auch Spektren von Fluorwasserstoff (HF) können an der harmonischen Vibrationsbande im Spektralbereich um 1,3 µm aufgenommen werden. Dies erlaubt neben der Bestimmung der HF-Konzentration auch spektroskopische Druckmessungen. Die Breite der Absorptionslinien ist bei Drücken über 1 hPa direkt proportional zum Druck (Druckverbreiterung). Über die Messung der Linienbreite lässt sich daher der Gesamtdruck in der Probe ermitteln. Die Messung der HF-Konzentration findet u.a. Anwendung bei Spurengasanalysen von Reinstgasen, nach Verbrennungen, bei Gaskühlanlagen, bei Reaktionen in Glove-Boxen und Brennstoffzellen sowie bei Raumluft- und MAK-Überwachung.

Auf einen Blick

Die PAS-Tech-Sensoren werden dem Markt als komplettes Messgerät oder als Modul angeboten und haben aufgrund des photoakustischen Detektionsverfahrens deutliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren wie z.B. Massenspektrometer oder Gaschromatographen.

Die fünf wichtigsten Vorteile hier noch einmal auf einen Blick zusammengetragen:

Offsetfreie Messung, d.h. seltene Kalibrierungen, da ein absolutes Signal auf einer Nulllinie gemessen wird;

Großer Dynamikbereich der Messung: Das Messsignal ist über viele Größenordnungen linear (keine elektronische Linearisierung notwendig);

Kleine Messzellen, da aufgrund der untergrundfreien Messung keine langen Absorptionswege erforderlich sind;

Niedrige Nachweisempfindlichkeiten durch die Ausnutzung akustischer Resonanzfrequenzen der Messzelle;

Querempfindlichkeitsfrei durch den Einsatz extrem selektiver DFB-Diodenlaser.

Dr. Groninga und Dr. Wetzel sind Mitarbeiter der PAS-Tech GmbH, Zarrentin, und Prof. Dr. Wolff ist Mitarbeiter der Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Hamburg.

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