UV-Gassensor

ULTRAsens2

  ULTRA.sens® Produktreihe der Wi.Tec-Sensorik GmbH Schermbeck

Absorptionsfotometer

Der ultraviolette Spektralbereich eignet sich ebenfalls für gasanalytische Messungen und wird daher auch für bestimmte Anwendungen intensiv genutzt. Im Vergleich zum IR-Bereich gibt es allerdings einige Besonderheiten zu beachten. Physikalisch unterscheiden sich die Absorptionsspektren durch zusätzliche elektronische Übergänge, da die Photonen-Energie in diesem Spektralbereich größer ist als im IR-Bereich. Auch sind die Absorptionskoeffizienten im UV-Bereich zumeist größer, was zu einer besseren Auflösung (Nachweisgrenze) führt. Weiterhin sind keine störenden Einflüsse von Luftbestandteilen wie Wasserdampf und Kohlendioxid vorhanden.

Neben diesen Vorteilen gibt es aber auch einige Nachteile. Der für die Gasmesstechnik nutzbare Spektralbereich geht nur von λ≈200nm bis λ≈400nm. In diesem, vergleichsweise schmalen Bereich sind Überlappungen zwischen den einzelnen Absorptionsbanden der Gase nicht zu vermeiden. Erhöhte Querempfindlichkeiten sind daher die Folge dieser Einschränkung.

In der Abbildung unten sind die UV-Absorptionsspektren von Schwefeldioxid, Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid dargestellt. Man erkennt, dass die NO2-Messung bei λ3=390 nm, ohne Beeinträchtigung der anderen Begleitgase erfolgt, während die SO2-Messung bei λ2=285 nm durch NO2 gestört wird. Diese Querempfindlichkeit lässt sich durch eine simultane Messung beider Gase rechnerisch kompensieren. Im Bereich der NO-Messung bei λ1=226,5nm überlappen alle Gase , so dass die NO-Messung nur mit speziellen Nachweismethoden, wie der Molekül-Resonanzabsorption, sicher und frei von Querempfindlichkeiten erfasst werden kann.

UV-Gasspektren   UV-Absorptionsspektren reiner Gase

Der prinzipielle Aufbau eines UV-Fotometers unterscheidet sich nicht wesentlich von einem IR-Fotometer und besteht aus den gleichen Komponenten. Die optischen Elemente wie Strahlungsquellen, Detektoren und Filter sind allerdings wesentlich komplexer aufgebaut und daher auch deutlich teurer als IR-Komponenten. Weiterhin sind der Miniaturisierung der UV-Aufbauten durch die Strahlungsquellen Grenzen gesetzt, die erst mit der Einführung von UV-Leuchtdioden langsam aufgeweicht werden.

Aufgrund der beschriebenen Vorteile hat sich aber für bestimmte Gase die UV-Messtechnik als Standardmethode etabliert. Dies gilt insbesondere für folgende Gase:

  • Schwefeldioxid SO2
  • Ammoniak NH3
  • Stickstoffmonoxid NO
  • Stickstoffdioxid NO2
  • Ozon O3

Weiterhin lassen sich bestimmte Gase nur im UV-Bereich nachweisen, da diese Stoffe keine Absorptionsbanden im IR-Bereich aufweisen. Beispiele für diese Kategorie sind:

  • Quecksilber Hg
  • Chlor Cl2
  • Brom Br

Fotometer      UV-Modul    LED

Physikalischer Aufbau eines UV-Gassensors nach dem 2-Strahlverfahren. Im mittleren Bild ist ein LED basierter Fotometeraufbau ( ULTRA.sens® , Wi.Tec-Sensorik GmbH, Schermbeck) dargestellt. Rechts ist die UV-Strahlungsquelle mit der Ansteuerplatine zu sehen

Kal.Kurve            Gasstep

Links: Kennlinienverlauf für unterschiedliche Konzentrationsbereiche (ppm bis Vol.-%)  von Schwefeldioxid.  Rechts im Bild ist ein Gassprung dargestellt, aus dem man die Ansprechzeit (t90%-Zeit)  ablesen kann. Im Vergleich zu anderen Gassensoren ist dieser Aufbau extrem schnell (<300ms) und wird hauptsächlich durch die physikalische Ausspülzeit vorgegeben. Mit höheren Durchflussraten bzw. kleinerem Küvettendurchmesser lassen sich kleinere Ansprechzeiten von <<100ms erzielen.

 

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