Technologie

Messtechnik „Made in Germany"

Hohe Qualität und Produktivität in allen Unternehmensprozessen sind in der Industrie von immenser Bedeutung. Unsere Geräte werden zur Erfüllung genau dieser Vorgaben entwickelt und produziert. Der Einsatz hochwertiger Materialien unter Verwendung von „State-of-the-Art-Technologie“ ist für uns selbstverständlich. Alle Geräte sind voll ausgestattet, technisch ausgereift und garantieren Ihnen den sofortigen Einsatz mit geringem Aufwand.

Unsere Technologie:
Fresenius Patent – automatische Nullpunktkorrektur

Gegenüber bekannten Verfahren besteht der Unterschied im Wesentlichen darin, dass eine Referenzmessung des Null- und Endpunktes nicht mit Reingasen oder einem Gas mit bekannter Konzentration des zu erfassenden Stoffes gemessen wird, sondern das zu analysierende Gas selbst bei einem weiteren bekannten Druck für die Referenzmessung verwendet wird: Das zu analysierende Messgas wird zunächst bei Normaldruck (Umgebungsdruck) und anschließend durch Anlegen eines Vakuums in der Messzelle bei einem zweiten konstanten Unterdruck gemessen. Dabei wird ein bestimmter theoretischer Zusammenhang zwischen der Extinktion, das heißt dem natürlichen Logarithmus des Verhältnisses der gemessenen zur eingestrahlten elektromagnetischen Intensität bei einer charakteristischen Wellenlänge, und der Konzentration des absorbierenden Stoffes in dem durchstrahlten Raum unterstellt (Lambert-Beer’sches Gesetz).

Da die beiden Druckwerte und somit auch (mittels einer zuvor ermittelten Kalibrierkurve) das Verhältnis der Konzentrationen bekannt sind, kann die Konzentration berechnet werden, indem man näherungsweise die allgemeine Zustandsgleichung für ideale Gase zugrunde gelegt.

Vorteile

  • Temperaturstabilisierte NDIR-Messzelle
  • Querempfindlichkeitskompensation/Kreuzquerempfindlichkeitskompensation mittels verschiedener mathematische Algorithmen
  • Schneller und einfacher Abgleich
  • Langzeitstabiler Nullpunkt aufgrund unseres patentierten Verfahrens
  • Langzeitstabile Kalibrierung/Überprüfung und ggf. Korrektur nur einmal im Jahr erforderlich
  • Höchste Genauigkeit über einen weiten Messbereich
  • Geringer Wartungsaufwand/dank unseres patentierten Mess-Verfahrens werden Verunreinigungen in der Messzelle sowie Alterungserscheinungen des IR-Strahlers und des Detektors zu einem großen Teil kompensiert
  • Niedrige Betriebskosten

Messprinzipien

NDIR-Messverfahren

Zur Messung wird ein diskontinuierliches breitbandiges IR-Signal benötigt. Verwendet werden kann hierfür ein pulsierender IR-Strahler oder ein kontinuierlicher IR-Strahler, dessen Strahlung durch ein Blendenrad zeitlich moduliert wird.

Innerhalb der Messzelle kommt es in bestimmten Frequenzbereichen zu einer physikalischen Wechselwirkung zwischen der eingeleiteten Strahlung und den Molekülen des zu detektierenden Stoffes. Hierbei wird Strahlungsenergie absorbiert (absorptiv -> nicht-dispersiv, kurz: ND).

Lage und Breite der Frequenzbereiche sind charakteristisch für den jeweiligen Stoff. Dabei kann es zur Überlagerung einiger Frequenzbereiche durch unterschiedliche Stoffe kommen. In diesem Fall spricht man von Querempfindlichkeit, die es durch geschickte Auswahl der Frequenzbänder zu vermeiden gilt.

Die Selektion findet in Form eines optischen Filters statt, welcher die gesamte auf den Sensor einfallende Strahlung auf den Frequenzbereich beschränkt, in dem die für den Stoff charakteristische Absorption stattfindet.

Die Höhe der Absorption ist ein Maß für die Konzentration des Stoffes in der Messzelle. Durch die Messung des durch Absorption reduzierten Signals und den Vergleich mit dem Referenzsignal ohne Absorption wird auf die Stoffkonzentration geschlossen. Bei der Erfassung mehrerer Stoffe innerhalb einer Messzelle werden mehrere Detektoren mit jeweils angepassten optischen Filter verwendet.

Paramagnetisches Messverfahren

Sauerstoff und Stickstoff werden von magnetischen Feldern beeinflusst. Während Sauerstoff sich innerhalb eines solchen Feldes in Richtung des Magneten bewegt, entfernt sich Stickstoff von ihm.

Im Falle des Sauerstoffs spricht man von paramagnetischen Eigenschaften. Ursache hierfür ist der Magnetismus der Sauerstoffteilchen. Diese weisen einzeln für sich genommen ein magnetisches Moment auf, welches jedoch für jedes Teilchen eine andere Ausrichtung besitzt. Als Folge dessen kompensiert sich das resultierende magnetische Gesamtmoment für eine größere Zahl von Teilchen selbst, sodass im makroskopischen Maßstab keine Feldeffekte erkennbar sind.

Innerhalb eines von außen angelegten Feldes hingegen richten sich die magnetischen Momente der Sauerstoffteilchen in eine gemeinsame Richtung aus, sodass ein resultierendes Gesamtmoment entsteht, welches mit dem von außen angelegten Feld in Wechselwirkung steht. Als Folge dessen wird Sauerstoff vom äußeren Feld angezogen. Man spricht hierbei vom Paramagnetismus.

In Stickstoff hingegen wird bei Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes ein entgegengesetztes inneres magnetisches Moment erzeugt. Die gegensätzliche Ausrichtung führt zum Bestreben des Stickstoffs, das Feld in Richtung niedriger Feldstärken zu verlassen, was als entfernende Bewegung vom Magneten zu beobachten ist. Hierbei spricht man von Diamagnetismus. Beide Effekte werden in der paramagnetischen Sauerstoffmesszelle genutzt. In ihr befindet sich eine Hantel, deren Kugeln mit Stickstoff gefüllt wurden, schwebend befestigt an einer dünnen Achse. Die Kugeln der Hantel sind jeweils in einem Magnetfeld so positioniert, dass ohne äußere Einflüsse ein Kräftegleichgewicht herrscht. Wird nun ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch in die Messzelle eingebracht, so wird der Sauerstoffanteil in das Magnetfeld gezogen, in dem die stickstoffgefüllten Kugeln schweben. Diese werden durch den sich dort verdichtenden Sauerstoff verdrängt.

Die Verdrängungsbewegung zeigt sich in einer Winkelauslenkung um den Aufhängungspunkt. Gleichzeitig wird durch die Drehbewegung der an der Achse und Hantel befestigte Spiegel gekippt. Dies führt zur Winkeländerung des reflektierten Lasers, welcher auf den Spiegel gerichtet ist. Die Winkeländerung wird durch einen optischen Sensor gemessen. Der Grad der Auslenkung entspricht der Sauerstoffkonzentration.

Elektrochemisches Messverfahren

Die elektrochemische Messzelle ist in der Regel aus zwei oder drei Elektroden und einem Elektrolyten aufgebaut. Der Elektrolyt bewerkstelligt den Ladungstransport von Ionen. Eine PTFE-Folie trennt Elektrolyt und Messgas. Die Elektroden bestehen aus mit Gold oder Platin beschichteten Membranen. Das Messgas diffundiert durch die Barriere der Arbeitselektrode. An dieser Elektrode erfolgt eine elektrochemische Umsetzung der zu messenden Komponente. Die dadurch freigesetzten Elektronen diffundieren zur Gegenelektrode. Es kommt somit zu einem Stromfluss zwischen Arbeits- und Gegenelektrode. Die Stromstärke ist proportional zur umgesetzten Gasmenge an der Arbeitselektrode.

Die Referenzelektrode stellt eine konstante Spannung zwischen Arbeits- und Referenzelektrode bereit. Viele Gase reagieren nur bei einer ganz bestimmten Referenzspannung. Gase wie z. B. H2S, H2, HCN, CO, Cl2, NO und NO2 lassen sich gut mit elektrochemischen Messzellen detektieren.

Die Kombination aus unterschiedlichen Katalysatoren, Elektroden, Elektrolytlösungen und Referenzspannungen ermöglichen eine optimierte Selektivität und Querempfindlichkeit.

UV-VIS-Spektroskopie

Die für den Menschen sichtbare Strahlung (VIS-Bereich) liegt im Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm. Unterhalb von 400 nm beginnt der Ultraviolett-Bereich (kurzwellige elektromagnetische Strahlung) und oberhalb von 800 nm beginnt der Infrarot-Bereich (langwellige elektromagnetische Strahlung/Wärmestrahlung).

Die Spektroskopie nutzt die genannten Wellenlängenbereiche um Substanzen qualitativ und quantitativ zu erfassen. In der UV-VIS-Spektroskopie wird die elektromagnetische Strahlung des kurzwelligen Bereiches bis hin in den sichtbaren (VIS) Bereich für die Analyse verschiedener Substanzen genutzt. Der Vorteil dieser Methode ist u. a. das viele Querempfindlichkeiten entfallen.

Weitere Messverfahren

  • WLD (Wärmeleitfähigkeitsdetektor)
  • PID (Photoionisationsdetektor)
  • Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbaren Laserdioden (TDLAS, DFB, QCL, EC-QCL)
  • FTIR (Fourier-Transformations-Spektroskopie)
  • Gas-Chromatographie

Welche Methode der Gasmesstechnik die richtige ist, muss im Einzelfall geklärt werden und hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Art und Zusammensetzung des Analysegases
  • Erforderliche Nachweisgrenzen
  • Messbereiche
  • Einfluss durch Querempfindlichkeiten von Begleitsubstanzen (Gasmatrix)
  • Feuchteanteil im Messgas