Gasanalytik

Orientierungshilfe für Gasanalysen

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Analysegeschwindigkeit

Bei manchen Anwendungen ist die Analysegeschwindigkeit entscheidend. Hier hat der Quantenkaskadenlaser einen Vorteil gegenüber dem Gaschromatographen: Bei einem Quantenkaskadenlaser fließt die Probe durch eine Messzelle, in der der Laserstrahl das Gas kontinuierlich analysiert. Die Ansprechzeit hängt davon ab, wie lange es dauert, die Zelle zu durchspülen – normalerweise weniger als zehn Sekunden, um 90 % einer Änderung zu erhalten. Somit ist das Ergebnis wirklich kontinuierlich und stellt einen Echtzeitwert dar.

Eignungsvergleich Gaschromatograph vs. Quantenkaskadenlaser
Eignungsvergleich Gaschromatograph vs. Quantenkaskadenlaser
(Bilder/Quelle: Emerson Automation Solutions)

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Gaschromatographen hingegen basieren auf dem Prinzip der Eindüsung und der anschließenden Analyse. Die Zykluszeit eines Gaschromatographen variiert je nach Anwendung zwischen einer und mehr als 15 Minuten, wodurch die Konzentrationsdaten eher periodisch als kontinuierlich sind. Bei Anwendungen, die schnelle, kontinuierliche Messungen erfordern, fällt die Wahl daher auf den Quantenkaskadenlaser.

Empfindlichkeit

In Sachen Empfindlichkeit und Dynamikbereich sind Quantenkaskadenlaser leistungsstärker als Gaschromatographen. Quantenkaskadenlaser können bei manchen Stoffgemischen Konzentrationen im niedrigen ppb-Bereich (parts per billion) messen. Außerdem bieten sie einen dynamischen Bereich für Konzentrationen im ppb- bis Prozentbereich in einem Analysegerät, und zwar durch verschiedene Pfadlängen oder Spektrallinien von unterschiedlicher Stärke.

Gaschromatographen werden oft verwendet, um die komplette Zusammensetzung einer Probe zu messen. Sie messen Konzentrationen im ppm-Bereich und gleichzeitig den Hauptbestandteil bis zu 100 %. Um mithilfe eines Gaschromatographen jedoch Messungen im ppb-Bereich durchzuführen, sind normalerweise eine separate Eindüsung sowie spezielle Säulen erforderlich, wodurch das Analysegerät komplex und teuer wird. Wenn also eine hohe Empfindlichkeit erforderlich ist oder es einen großen dynamischen Bereich gibt (z.B. bei Online-Reinheitsmessungen mit der Möglichkeit zur Verfolgung von Prozessstörungen), dann stellt der Quantenkaskadenlaser die bessere Wahl dar. Wenn jeder Bestandteil einer Probe (einschließlich Hintergrundkonzentration) gemessen werden muss, eignet sich ein Gaschromatograph besser.

Lebenszykluskosten

Die Betriebskosten des Quantenkaskadenlasers sind normalerweise geringer als bei Gaschromatographen. Letztere benötigen ein Trägergas, üblicherweise Wasserstoff, Helium oder Stickstoff. Analysegeräten mit Quantenkaskadenlaser arbeiten ohne diese, sodass die Betriebskosten aufgrund der Verbrauchsmaterialien bei Gaschromatographen höher sind.

Quantenkaskadenlaser sind sehr stabil und können oftmals Validierung und Kalibrierkontrolle in Echtzeit durchführen, wobei sie die zu messenden Prozessgase nutzen. Dies ist durch die Art der Erstellung und Analyse von Spektren möglich. Daher müssen bei Quantenkaskadenlasern Tests mit Prüfgasen eventuell nur alle zwölf Monate durchgeführt werden.

Bei Gaschromatographen ist es üblich, Validierungen mit Prüfgas alle paar Wochen durchzuführen. Wenn also geringe Betriebskosten eine Grundvoraussetzung sind, fällt die Wahl auf Quantenkaskadenlaser. Können die benötigten Messungen mit einem Quantenkaskadenlaser durchgeführt werden, wird dieser aufgrund der geringeren Betriebskosten und Wartungsanforderungen wahrscheinlich vorgezogen.

* Die Autoren sind Mitarbeiter von Emerson Automation Solutions.

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