Pyroelektrische Detektoren in der Gasanalyse

Eine große Anzahl von Gasen absorbiert die Infrarot-Strahlung durch intramolekulare Schwingungen. Für jedes spezifische Material hängt die Absorptionsstärke von der Wellenlänge der Infrarotstrahlung ab. Dieses Prinzip nutzt ein nicht-dispersiver Infrarot-Gasanalysator (NDIR-Gasanalysator) für die Gasanalyse. Der Analysator besteht aus einer elektronisch oder mechanisch modulierten Infrarotquelle, einer Messküvette, durch die das zu messende Gas strömt, und einem pyroelektrischen Detektor. 

InfraTec Kuvette

In der Detektorkappe ist ein Schmalbandpassfilter (Narrow-Band-Pass-Filter) integriert, dessen Durchlassbereich der Absorptionswellenlänge des Zielgases entspricht. Mit dem thermischen Detektor wird in einer definierten Anordnung die Transmission des zu messenden Gasgemisches bestimmt. Ist das gesuchte Gas nicht enthalten, trifft die meiste Infrarotstrahlung auf den Detektor und das Signal ist maximal. Nimmt die Konzentration des Gases zu, erhöht sich die Absorption gemäß dem LAMBERT-BEER-schen Gesetz und das Signal verringert sich entsprechend.

Das Prinzip findet sich beispielsweise in Standard-Infrarotfiltern von InfraTec mit einer Zentralwellenlänge (central wavelength – CWL) von 4.27 µm und einer Halbwertsbreite (half power bandwidth – HPBW) von 170 nm wieder. Sie eignen sich etwa zur Messung von Kohlenstoffdioxid (CO2). 

Messung auf mehreren Kanälen

Die komplizierte Form der Gas-Absorptionsbanden kann durch die NDIR-Gasanalyse nicht aufgelöst werden. Deshalb erfolgt eine gemittelte Messung der Signale im Filterdurchlassbereich. Damit steht ein geräteseitig überschaubares, langzeitstabiles und vor allem kontinuierlich arbeitendes Messverfahren zur Gasanalyse zur Verfügung. Die Identifizierung der Gase und Querempfindlichkeiten in Gasgemischen erfordern vielfach auch spektral mehrkanalige Auswertungen.

Dafür verwendete mehrkanalige (Gas- und Referenzkanäle) Detektoren werden zur Analyse von Gasen vielfach durch elektrisch modulierbare Strahler beleuchtet. Sie müssen deshalb auch bei niedrigen Frequenzen eine hohe Stabilität und ein großes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. InfraTec bietet hier auch Bauelemente an, bei denen durch eine patentierte Konstruktion das Licht einer einzigen Eintrittsöffnung geometrisch in zwei oder vier Kanäle geteilt wird. Damit ist eine äußerst präzise Gasanalyse möglich.

Pyroelektrische Detektoren für die Gasanalyse:

  • LME-335/LME-336-Familie: ein Messkanal, hohe Leistung, Temperaturkompensation, reduzierte Beschleunigungsempfindlichkeit, single oder split supply
  • LIM-262/LIM-272: ein Mess- und ein Referenzkanal, Temperaturkompensation, reduzierte Beschleunigungsempfindlichkeit, single oder split supply

Sicherheit im Bergbau

Sicherheit im Bergbau - Bildnachweis: TTStudio @ Fotolia.com

Schlagwetterexplosionen sind im Bergbau keine Seltenheit. Dabei entzündet sich das Schlagwetter, ein Gemisch aus Methan und Luft. Deshalb ist beispielsweise die Erkennung von Methan entscheidend, um die Sicherheit der Bergarbeiter zu gewährleisten. Viele Kunden nutzen unsere höchst zuverlässigen pyroelektrischen Detektoren in ihren Geräten und schützen so das Leben der Menschen, die unter Tage arbeiten.  

Erkennung von Gaslecks

Ein pyroelektrischer Sensor erzeugt ein Signal, sobald er mit einer elektrisch oder mechanisch modulierten Infrarot-Quelle beleuchtet wird. Durch die Integration eines gasspezifischen Schmalbandpassfilters, der auf ein spezifisches Gas abgestimmt ist, wird der Durchlassbereich spektral eingeschränkt. Der Einbau eines CO2-Standardfilters mit einer CWL von 4,27 µm und einer HPBW von 170 nm lässt nur Strahlung in diesem Bereich auf das Pyroelektrikum treffen. Tritt Gas – in diesem Fall CO2 – frei, trifft weniger Strahlung auf den Detektor und das Signal wird schwächer. Die Verwendung eines zweiten sogenannten Referenzkanals mit einer CWL von 3.95 µm und einer HPBW von 90 nm ermöglicht eine genauere und weniger fehleranfällige Detektion von Gaslecks.  

Narkose-Überwachung

Narkose-Überwachung - Bildnachweis: Beerkoff @ Fotolia.com

Gasdetektion spielt auch in Krankenhäusern eine Rolle. Dort finden sich Detektoren in Messgeräten, die in den Operationssälen die Anästhesie kontrollieren. Mit Hilfe von medizinischen Analysegeräten, die mit Infrarot-Detektoren von InfraTec ausgestattet sind, können Ärzte ganz exakt das für die jeweilige Narkose notwendige Gasmischungsverhältnis einstellen und überwachen.

Alkohol-Test

Auch Messgeräte zur Atemalkoholkontrolle bei Autofahrern zählen zu den Anwendungsgebieten von Gaserkennungsdetektoren. Die sehr genauen Messwerte dienen der Polizei als Beweismittel für Alkohol- oder Drogenmissbrauch am Steuer. 

Erkennung von Krankheiten

Bestimmte Krankheiten rufen spezifische Muster der Ausatemluft hervor. Seit ein paar Jahren bietet deshalb die NDIR Gasanalyse eine zusätzliche Möglichkeit zur Diagnostik, beispielsweise bei Krebs oder auch Magenerkrankungen. Bakterien wie Helicobacter pylori können beispielsweise frühzeitig und nicht-invasiv diagnistiziert werden. Der Patient nimmt dazu ein spezielles Präparat ein. Bei Anwesenheit von helicobater pylori Bakterien reagiert das Präparat und ruft die Bildung von C13 Kohlenstoffatome hervor. Die Analyse der Ausatmeluft mittels NDIR-Gasanalyse kann diese dann nachweisen. 

Erdölgewinnung

Erdölgewinnung - Bildnachweis: Michael Rosskothen @ Fotolia.com

Eine Reihe von Unternehmen verwenden Infrarot-Detektoren sowohl für Hochtemperatur-Bohrvorgänge als auch für Arbeiten über Tage. Sie messen die Gaskonzentrationen und kontrollieren so den Bohrfortschritt.

Pflanzengesundheit

Mit pyroelektrischen Detektoren können auch die durch die Photosynthese bedingten Stoffwechselprozesse von Pflanzen überwacht werden. Besonders die Messung von CO2 ist hier von Interesse.

Wasser- und Stahlanalyse

Infrarot-Detektoren werden auch in Geräten genutzt, die Verunreinigungen in Stoffen mit unterschiedlichen Aggregatzuständen identifizieren. Bei Flüssigkeiten wie Wasser wird eine Probe gekocht und die dabei entstehenden Gase gemessen. Ein ähnliches Testverfahren kommt bei der Herstellung von Stahl zum Einsatz. Es soll die richtige Zusammensetzung der Stahllegierung garantieren. Hierbei werden Stahlpellet-Proben erhitzt und die Konzentration der entstehenden Gase ausgewertet.



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