Optisches Messverfahren Spektroskopie zur berührungslosen Gasanalyse

Gase nachzuweisen und ihre Konzentration ermitteln war bisher chemischen Analyseverfahren vorbehalten. Aber optische Verfahren mit speziellen Lasern sind bedeutend schneller und weniger aufwändig. Wir zeigen ein Verfahren mit VCSE-Lasern und einem entsprechenden Messgerät.

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Optische Analyseverfahren ersetzen zunehmend die konventionelle chemische Analyse von Gasen. Sie nutzen den Effekt, dass Moleküle Licht bei spezifischen Wellenlängen absorbieren und haben den Vorteil, dass die Ergebnisse schnell zur Verfügung stehen. Der Nachweis von Gasen und die Bestimmung ihrer Konzentrationen sind in situ möglich, ohne dass Proben entnommen werden müssen. Das Verfahren ist deshalb für transiente chemische Prozesse oder schnell strömende Gase gut geeignet.

Als Beispiel soll Erdgas dienen. Zwar besteht es hauptsächlich aus Methan, aber es enthält weitere Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan sowie u. a. Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Wasserdampf in unterschiedlichen Konzentrationen. Deshalb muss es aufbereitet werden. Das für die Energiegewinnung wertlose Kohlendioxid entweicht in die Luft.

Entschwefelung ist ohnehin nötig, nicht nur der Umwelt, sondern auch den Leitungen zuliebe. Und der scheinbar harmlose Wasserdampf kann mit dem Methan chemische Verbindungen eingehen, die als harte Verunreinigungen die Armaturen in den Pipelines beschädigen können. Deshalb wird auch der Wasserdampf bis auf einen Restanteil reduziert: Das Gas wird getrocknet. Als Kriterium für den Trocknungsgrad gilt der Taupunkt.

Bis eine Labormessung zum Ergebnis führt, sind Abertausende von Kubikmetern Erdgas durch die Pipeline geströmt. Hier sind Analysen in situ, also direkt, notwendig.

VCSE-Laser über Multimode-Glasfaser

Zum Untersuchen wurden bisher unter anderem Halbleiter-Laserdioden eingesetzt, so genannte DFB-Laser (Distributed Feedback). Inzwischen sind VCSELs (Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser) verbreiteter. Sie werden bereits in der Telekommunikation eingesetzt, beispielsweise zum optischen Übertragen von Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet über Multimode-Glasfaser bei 850 nm. Nachdem jetzt der Vorstoß in langwellige Bereiche bis 2 μm gelungen ist, werden mit VCSELs der Nachweis, die Konzentrationsbestimmung und sogar die Temperaturbestimmung vieler Gase möglich.

Spezifische Absorptionslinie eines Gases messen

Die Wellenlänge eines VCSEL lässt sich im Bereich von einigen Nanometern über die Temperatur oder über den Strom abstimmen. Für jedes zu detektierende Gas wird ein auf die passende Wellenlänge getrimmter VCSEL benötigt. Durch periodische Abstimmung wird die spezifische Absorptionslinie des Gases gescannt. Dabei sind Scan-Raten von mehreren Megahertz möglich. Durch Kombination mehrerer VCSEL in einem Gerät lassen sich auch verschiedene Gase simultan bestimmen. Die Anforderungen an VCSELs für eine präzise Analyse sind:

• Modenreinheit: nur ein Hauptmodus, keine Modensprünge, gute Seitenmodenunterdrückung und
• Langzeitstabilität.

Der optische Spektrumanalysator AQ6375 kann die meisten Parameter direkt messen. Mit seinem Wellenlängenbereich von 1200 bis 2400 nm hat er auch Reserven zum Erschließen des fernen Infrarotbereichs.

*Johann Mathä ist Marketing Manager bei Yokogawa Measurement Technologies in Herrsching.

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