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 nichtdispersiver 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.
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
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.
Praxisberichte über von Infrarot-Detektoren in der Gasanalyse
Erkennung von Gaslecks
Ein pyroelektrischer Sensor erzeugt ein Signal, sobald er mit einer elektrisch oder mechanisch modulierten Infrarotquelle 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 – aus, 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.
Alkoholtest
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.
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.
Fachartikel: Preiswerte optisch-elektronische Nase für biomedizinische Anwendungen
Artikel über die Entwicklung einer optisch-elektronischen Nase mit nicht-dispersivem Infrarot-Sensor (NDIR), die auf Anwendungen im Gesundheitswesen abzielen soll.
Erdölgewinnung
Eine Reihe von Unternehmen verwenden Infrarotdetektoren sowohl für Hochtemperaturbohrvorgänge als auch für Arbeiten über Tage. Sie messen die Gaskonzentrationen und kontrollieren so den Bohrfortschritt.
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 nichtinvasiv diagnostiziert werden. Der Patient nimmt dazu ein spezielles Präparat ein. Bei Anwesenheit von Helicobacter-pylori-Bakterien reagiert das Präparat und ruft die Bildung von 13C-Kohlenstoffatomen hervor. Die Analyse der Ausatemluft mittels NDIR-Gasanalyse kann diese dann nachweisen.
Wasser- und Stahlanalyse
Infrarotdetektoren 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 Stahlpelletproben erhitzt und die Konzentration der entstehenden Gase ausgewertet.
Detektorsuche
InfraTec bietet Ihnen fünf Produktgruppen mit rund 50 verschiedenen pyroelektrischen Detektoren. Wählen Sie Ihre passenden Infrarotdetektoren mit unserer detaillierten Detektorsuche.
