Prinzipieller und praktischer Aufbau für die NDIR-Gasanalyse

Bild 1: Prinzipieller und praktischer Aufbau für die NDIR-Gasanalyse zeigt unten einen pyroelektrischen 8-Kanal-Detektor von InfraTec (rechts) und eine elektrisch modulierbare Infrarotquelle von Infrasolid (links). (Bild: Infrasolid/InfraTec)

Fast jedes Gas hat die Eigenschaft, Strahlung spezifischer Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich zu absorbieren. Das bedeutet, je nach Gas und der vorliegenden Gaskonzentration wird die Strahlung spezifisch abgeschwächt. In der nicht-dispersiven Infrarot-Gasanalyse (NDIR-Gasanalyse) wird dieser Effekt gemessen und visualisiert. Damit lassen sich Gaskonzentrationen langzeitstabil und genau bestimmen sowie Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen verringern. Die Anwendungsbereiche sind vielfältig: von der Lungenfunktionsdiagnostik bis zur Dosierung von Anästhesiegasen, für die persönliche Sicherheitsausrüstung im Bergbau und in der Industrie als auch in der Umweltmesstechnik wie etwa in der Abgasmessung an Schornsteinen und Fahrzeugen.

Funktionsprinzip der NDIR-Multigasanalyse mit acht spektralen Kanälen

Für die Analyse von Gasen wird eine Messkammer mit infraroter Strahlung ausgeleuchtet. Ein Gasmessmodul besteht aus einer elektronisch oder mechanisch modulierten Infrarotstrahlungsquelle, einer Messküvette, durch die das zu messende Gas strömt und einem pyroelektrischen Detektor mit einem oder mehreren spektralen Kanälen, der die auftreffende Strahlungsintensität misst. Einer der Messkanäle im Detektor dient dabei häufig als Referenzkanal, auf welchen die Strahlung unbeeinflusst durch die zu messenden Gase trifft. Je nach Konzentration der zu messenden Gase in der Kammer werden durch die Änderung der Intensitäten entsprechende Signale auf den Kanälen des Detektors erzeugt und zum Referenzsignal ins Verhältnis gesetzt. Der Referenzkanal nivelliert auch Drifteffekte, die aufgrund von Alterung der Infrarotstrahlungsquelle oder durch Verunreinigungen im optischen Pfad der Infrarotquelle im Laufe der Gerätelebenszeit auftreten können. Mit dem weltweit ersten Achtkanal-Detektor von InfraTec lassen sich acht unterschiedliche spektrale Kanäle für die Gasmessung nutzen.

8-Kanal Detektor
Bild 2: Erster 8-Kanal Detektor LRM-278 von InfraTec; zu erkennen die 8 unterschiedlichen Schmalbandpassfilter. (Bild: Infrasolid/InfraTec)

Physikalische Grundlagen der Gasanalyse

Viele Gasen absorbieren infrarote Strahlung, je nach Gas, bei unterschiedlichen Wellenlängen, sodass eine Identifikation des Gases durch die Auswertung der spektralen Absorption möglich ist. Dieses Prinzip nutzt ein NDIR-Gasanalysator. Im Detektor ist pro Kanal ein Schmalbandpassfilter (narrow bandpass filter) integriert, dessen Durchlassbereich der Absorptionswellenlänge des Zielgases entspricht. Je mehr Kanäle, desto kleiner die Sensorfläche des einzelnen Kanals und umso wichtiger ein leistungsstarker Infrarotstrahler.

Diagramm zeigt Signalgewinn durch IR-Emitter
Bild 3: Signalgewinn durch die Infrasolid-Emitter im Vergleich zu anderen thermischen Infrarotemittern im TO-8 Gehäuse. Je nach Wellenlängen werden mehr als 500% Signalgewinn erreicht. (Bild: Infrasolid/InfraTec)

Wie wird der Infrarotdetektors ausgewählt

Pyroelektrische Detektoren ermöglichen die Messung über einen großen Wellenlängenbereich und dadurch ein geräteseitig überschaubares, langzeitstabiles, kostengünstiges und kontinuierlich arbeitendes Messverfahren zur Gasanalyse.

Die simultane Identifizierung vieler Gase unter Ausschluss von Querempfindlichkeiten in Gasgemischen erfordert mehrere spektrale Kanäle. InfraTec bietet dafür Bauelemente mit patentiertem Design an, bei denen die Strahlung durch eine einzige Apertur in den Detektor eintritt und bis zu acht Kanäle beleuchtet. So gelangt viel Strahlung auf die pyroelektrischen Elemente, was wiederum ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zum Ergebnis hat und große Vorteile für die anwenderseitige elektrische Verstärkung bietet.

Pyroelektrische Detektoren eignen sich zur Gasanalyse, da die im Detektor verbauten pyroelektrischen Kristalle aus Lithiumtantalat (LiTaO3) ihre Polarisation mit einem Temperaturwechsel ändern.  Um den pyroelektrischen Effekt zu verstärken, wird auf das Pyroelektrikum LiTaO3 eine hochabsorbierende schwarze Schicht aufgebracht. Trifft Infrarotstrahlung auf diese Schicht, erwärmt sich das Pyroelektrikum und Oberflächenladungen entstehen. Wird die Strahlung abgeschaltet, entstehen Ladungen umgekehrter Polarität. Die Ladungen sind jedoch sehr gering. Bevor sie sich durch den endlichen Innenwiderstand des Kristalls wieder ausgleichen können, wandeln sehr rausch- und leckstromarme Feldeffekttransistoren (JFET) oder Operationsverstärker (OpAmp) die Ladungen in eine Signalspannung um. Detektoren mit OpAmp (Strombetrieb) können sehr schnell betrieben werden. Ihr hohes Ausgangssignal lässt sich unkompliziert und störungsarm weiterverarbeiten.

Prinzipieller Aufbau eines Infrarotemitters
Bild 4: Prinzipieller Aufbau eines Infrarotemitters von Infrasolid mit vergoldetem Reflektor. (Bild: InfraTec/Infrasolid)

Weltweit erster Achtkanal-Detektor

Der LRM-278 von InfraTec vereint erstmals acht Messkanäle in einem TO8-Gehäuse mit einem Durchmesser von 15,2 mm. Im Vergleich zu marktüblichen Vierkanal-Detektoren verdoppelt sich die Anzahl der Gase, die mit einem einzelnen Detektor dieser Größe erfasst werden können.

Beim Blick auf die Konstruktion des Detektors treten zwei Details hervor, die maßgeblich dazu beitragen, dass eine derart leistungsfähige Lösung in solch kleine Abmessungen passt. Zum einen das direkt in der Kappe verbaute Zentralfenster. Dieses macht den Detektor widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse und lässt für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis viel Strahlung auf die pyroelektrischen Elemente fallen. Es schützt speziell die empfindlichen Schmalbandpassfilter und kann zudem weitere spektrale Anforderungen übernehmen, wie z. B. die Blockung im Bereich außerhalb der Absorptionsbanden.

Das zweite Detail verbirgt sich im Inneren des Detektors. Auf speziellen Rahmen sind dort die empfindlichen Pyroelemente für die thermische Kompensation sowie die IR-Filter direkt übereinander platziert. Dank dieser Stapelbauweise können acht Kanäle und alle weiteren Komponenten in einem TO-8-Gehäuse untergebracht werden.

Das Messen der Temperatur in direkter Nähe zu den IR-Filtern ist für die Gerätekalibrierung unerlässlich. Das kompakte Design des Detektors LRM-278 integriert erstmalig auch einen Temperatursensor und macht eine externe Temperaturmessung überflüssig.

IR-Emitter und -Reflektor
Bild 5: Emitter im TO8-Gehäuse mit Reflektor (links) und mit Reflektor und Winston Cone Kollimator (rechts), sehr gut erkennbar in der rechten Grafik ist die optimierte Strahlenbündelung. (Bild 5: Infrasolid/InfraTec)

Der richtige Infrarotstrahler

Die modulierbaren Emitter von Infrasolid liefern eine breitbandige Strahlung. Durch die elektrische Modulierung entfällt ein mechanischer Chopper. Dadurch kann der komplette Sensor kompakter aufgebaut werden und durch den Wegfall mechanischer Teile werden die Systeme robuster. Das patentierte Design des strahlenden Filaments in Form eines Doppelmäanders gewährleistet die hohe mechanische Stabilität und erhöht gleichzeitig den elektrischen Widerstand, sodass der Emitter mit einer geringen Stromstärke betrieben werden kann. Der hohe elektrische Widerstand bleibt über den gesamten Betrieb konstant und führt zu einer sehr hohen Effizienz und gleichmäßigen Erwärmung des gesamten Filaments. Um die abgegebene Strahlungsleistung weiter deutlich zu steigern, werden die Filamente mit einem speziellen Prozess beidseitig beschichtet.

Die TO8-Infrarotemitter von Infrasolid liefern das höchste Sensorsignal im Vergleich zu anderen bisher auf dem Markt erhältlichen thermischen Infrarotstrahlungsquellen. Bild 3 vergleicht den Signalgewinn der Infrasolid-Emitter mit herkömmlichen Infrarotstrahlern im TO8-Gehäuse in einem typischen NDIR-Aufbau mit einem 4-Kanal-Detektor und einer Küvettenlänge von 200 mm. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Infrarotemitter von Infrasolid gegenüber anderen thermischen TO-8 Emittern ein um den Faktor 2 bis 4 höheres Signal im Wellenlängenbereich von 3 µm bis 5 µm und sogar ein um den Faktor 5 höheres Signal im langwelligen Bereich bei 10,35 µm liefern. Das ist auf die hohe Temperatur, die große strahlende Fläche und den hohen Emissionsgrad des strahlenden Filaments zurückzuführen. Weiterhin wird durch einen auf den TO-Sockel montierten vergoldeten Reflektor die rückseitig abgegebene Strahlung zusätzlich nach vorne aus der Kappenöffnung geworfen und somit nutzbar gemacht (Bild 5), was zu einem weiteren Signalgewinn am Detektor führt. Durch den Einsatz von Infrasolid-Emittern kann die Auflösung von Gasmessgeräten daher bis um den Faktor 5 gesteigert werden. Dies führt zu einer signifikanten Leistungssteigerung in klassischen NDIR-Aufbauten.

Zusätzliche Reflexionen innerhalb der Gasküvette wirken sich insbesondere dann störend aus, wenn Wasserdampf an den Innenwänden teilweise kondensiert. Zur Verringerung von Reflexionen können die Emitter von Infrasolid auch mit einem sogenannten Winston Cone Kollimator aufgebaut werden. Dieser bündelt die austretende Strahlung des Emitters und reduziert die Reflexionen an der Küvettenwandung bis zum Auftreffen auf den Detektor. Bild 5 zeigt die gemessene Strahlungsleistung in Abhängigkeit vom Strahlungswinkel.

Display in der Medizin
Bild 6: Ein mögliches Anwendungsgebiet für IR-Emitter und -Reflektoren liegen beispielsweise in der Medizin. Hier kommen sie häufig in der Anästhesiegasüberwachung zum Einsatz. (Bild: Fotolia / beerkoff)

Autoren

Rainer Ihra

Sales and Marketing Manager bei Infrasolid

Stephan Braun

Vertriebsingenieur bei InfraTec

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