Optische Gasmesstechnik

OptikFraunhofer-Linien

Optische Gasmessverfahren nutzen die Eigenschaft von Molekülen aus, elektromagnetische Strahlung einer genau definierten Wellenlänge λ0, zu absorbieren oder auch zu emittieren. Die spektrale Lage dieser Absorption bzw. Emission  charakterisiert dabei die jeweilige Gasart und ist im Vergleich zu anderen gasanalytischen Messverfahren extrem selektiv. In der Staubmesstechnik wird auch die Lichtstreuung, an den in der Luft befindlichen Staubpartikeln, zur Konzentrationsbestimmung genutzt. Die spektrale Lage ist dabei allerdings von untergeordneter Bedeutung, da dieser Streueffekt im sichtbaren Spektralbereich nahezu unabhängig von der Lichtwellenlänge ist.

Mit der Erfindung des Spektroskop, durch Fraunhofer in Jahre 1814, wurde es möglich die Strahlungsverteilung des Sonnenspektrums genauer zu untersuchen. Er fand dabei heraus, dass das Spektrum an bestimmten Stellen, des ansonsten kontinuierlichen  Verlaufes, keine Strahlungsanteile aufweist. Diese nach ihm benannten Fraunhofer-Linien entstehen durch Absorption von optischer Strahlung in der Gashülle der Sonne. Mit der spektralen Lage der Absorptionslinien  sind Rückschlüsse auf die Zusammensetzung (→ Gasanalyse) der Sonnenatmosphäre möglich. Fraunhofer kennzeichnete die markantesten Linien mit den Buchstabe A bis K, während die anderen schwächeren Linien Zahlen zugeordnet wurden.  Die starken Linien  A und B kommen allerdings nicht durch eine Absorption in der Sonnenatmosphäre, sondern durch den Luftsauerstoff (O2)in der Erdatmosphäre zustande. Die Absorptionslinie wird bei λ= 760,83 nm wird auch zur technischen Gasanalyse (Laserspektroskopie) von Sauerstoff genutzt.

Erst durch die späteren Untersuchungen durch Kirchhoff und Bunsen konnte eine Zuordnung der Frauenhoferschen-Linien zu den einzelnen Elementen durchgeführt werden. Die theoretischen Grundlagen dazu wurden erst mit der Einführung der Quantenmechanik von Planck gelegt.

Physikalische Grundlagen der Strahlungsübergänge

  • Energieniveaus
  • Fluoreszenz
  • Smekal-Raman-Streuung
  • Infrarot-Spektren
  • Rotations-Schwingungsübergänge
  • Isotopeneffekt

Gesetzmäßigkeiten der Strahlungsabsorption

  • Lambert-Beer-Gesetz

Linienform und Einflussgrößen

  • Druckverbreiterung
  • Trägergasabhängigkeit
  • Temperatureinfluss

IR-Absorptionsfototmeter

  • Filterfotometer
  • NDIR-Gassensoren
  • Photoakustische Gasanalysatoren
  • IR Komponenten für Fotometer
  • IR-Strahlungsquellen
  • Küvetten
  • Interferenzfilter
  • Detektoren
  • Interferometer
  • FTIR-Interferometer
  • Fabry Perot Interferometer (FPI)

UV-Absorptionsfotometer

  • LIMAS
  • RADAS
  • SEMTECH NOx Analyzer
  • DEFOR (NDUV/UVRAS)
  • UV-BINOS
  • Dioden-Array-Spektrometer
  • LED-Fotometer ULTRA.sens
  • Optischer Wasserstoffsensor
  • UV-Spektren
  • LIMAS
  • RADAS
  • SEMTECH NOx Analyzer
  • DEFOR (NDUV/UVRAS)
  • UV-BINOS
  • Dioden-Array-Spektrometer
  • LED-Fotometer ULTRA.sens
  • Optischer Wasserstoffsensor
  • UV-Spektren

Strahlungsemission

  • Chemilumineszenz Detektor (CLD)
  • UV- Fluoreszenz
  • Fluoreszenz Quenching O2 -Sensor
  • Gasdetektion mit IR-Kameras

Laserspektrometer

  • Kohärente Anti-Stokes Raman-Spektroskopie (CARS)
  • Laserdioden Spektrometer
  • Sauerstoffmessung
  • Photoakustische Lasermessung
  • Cavity-Ring-Down-Spectroscopy  CRDS

Fernmessverfahren (Remote)

  • Fence Line Monitoring
  • Tunnelüberwachung
  • LIDAR

Literatur