Messprinzip Infrarot / IR

An dieser Stelle führen wir Ihnen Grundlagen der verschiedenen Messprinzipe aus der Gaswarntechnik auf. Der Text wurde uns freundlicherweise von Herrn Hans Peter Maurischat als Vorabdruck der geplanten überarbeiteten Fassung seines Kompendiums zur Gasmesstechnik zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen zu der aktuellen Version des Buches finden Sie unter www.maurischat.eu.  

 

Physikalisches Prinzip

Besitzt ein Molekül infolge seines unsymmetrischen Aufbaus ein elektrisches Dipolmoment, das heißt, es besteht aus Atomen mit unterschiedlicher elektrischer Ladung, kann eine durch das Molekül laufende elektromagnetische Welle den Schwingungs‑ und Rotationszustand ändern. Das ist dann der Fall, wenn die Energie der Strahlung genau den Betrag und die Wellenlänge liefert, die notwendig sind, um das Energieniveau des Moleküls bzw. der Schwingungsform um eine Stufe zu heben. Die elektromagnetische Strahlung wird dabei abgeschwächt.

Bei zweiatomigen Gasmolekülen schwingen die Atome längs der Verbindungsgeraden ihrer Kerne, bei drei‑ und mehratomigen Molekülen sind auch noch andere Schwingungsrichtungen möglich. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik hat jede dieser Schwingungen bzw. Atombindungen ein für sie typisches Energieniveau und somit jedes mehratomige Gas ein typisches IR-Adsorptionsspektrum.IR Bild 1 Absorptionsaspekte von Gasen

 Bei den für die Gasmesstechnik in Frage kommenden Gasen liegen die Energieabsorptionsbanden, also die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, im Bereich der Infrarotstrahlung zwischen ca. 2 und 16 µm. Abbildung 21 zeigt eine Übersicht über die Absorptionsspektren verschiedener Gase.

Gasmoleküle, die aus gleichartigen Atomen bestehen, wie H2, N2, O2, CL2 und Edelgase, besitzen wegen ihres symmetrischen Molekülaufbaus kein elektrisches Dipolmoment und können deshalb durch elektromagnetische Strahlung nicht angeregt werden.

Abbildung 22 Absorptionsspektren von Gasen

Diese Eigenschaft bietet somit die Möglichkeit, viele Gase analytisch zu identifizieren und ihre Konzentration quantitativ zu bestimmen. Allerdings sind die aktuell zur Verfügung stehenden Verfahren, Geräte und Sensoren, die es erlauben würden, ein vollständiges Absorptionsspektrum zu erkennen und daraus Gas und Konzentration direkt zu bestimmen, noch nicht für den alltäglichen betrieblichen Feldeinsatz geeignet. Insbesondere bei tragbaren Gaswarngeräten wird dies bestimmt noch einige Zeit dauern. Vielleicht werden zukünftig Laser als IR-Lichtquelle hier einen deutlichen Fortschritt ermöglichen.

Es gibt unzählige Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Ausführung und Kombination von Strahlungsquelle, Strahlengang und Empfänger, auf die an dieser Stelle nicht detailliert eingegangen werden kann. Nur einige Ausführungen davon sind im nachfolgenden Text angesprochen. Alle haben jedoch Einfluss auf die Empfindlichkeit und Anzeigegenauigkeit des Sensors, sowie den Umfang der möglichen zu erfassenden Gase. Deshalb muss der Anwender in jedem Fall die speziellen Vor- und Nachteile des ausgewählten Gaswarngerätes bzw. Sensors beurteilen. Dies gilt wegen der zu beachtenden Besonderheiten im Vergleich zu den Wärmetönungssensoren insbesondere bei der Messung von brennbaren Gasen.

Bei Gaswarngeräten, soweit sich dieses Buch damit beschäftigt, finden IR-Sensoren fast nur zur Messung von Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen im Konzentrationsbereich von Volumenprozent Verwendung. IR-Sensoren für andere Gase, z.B. Kohlenstoffmonoxid, sind nicht weit auf dem Markt der direktanzeigenden Gaswarngeräte vertreten.

 

Aufbau und Funktionsprinzip eines Infrarotsensors

Zur Gasmessung muss Licht im nahen IR-Bereich von 1,4 bis 3,0 µm bis zum Anfang des mittleren Infrarotbereichs mit Wellenlängen von 3,0 µm bis 8 µm möglichst mit einer definierten Wellenlänge zur Verfügung stehen. Je nach Bauart dient dazu ein glühender Draht oder eine spezielle Glühlampe. Die üblichen Quellen für Infrarotlicht zeigen ein sehr breites Strahlungsspektrum, weit über den vorgenannten Bereich hinaus, weshalb der für die Messung relevante Bereich „ausgefiltert“ werden muss.

Laser als Lichtquellen mit einem sehr engen Spektrum finden zwar immer häufiger Verwendung, sind aber meines Wissens bisher nur im Prozess- und Laboranalysenbereich eingesetzt.

Bei den dispersiven Photometern wird durch die Verwendung von unterschiedlich langen Strahlenwegen, Prismen oder Gittern das Licht aufgrund des unterschiedlichen Brechungsindexes in einzelne Wellenlängen „aufgefächert“ und mithilfe z. B. eines Spaltdurchlasses oder verstellbaren Spiegels die gewünschte Wellenlänge aus dem Infrarotspektrum zur Messung selektiert. Dieses Verfahren bedingt einen hohen technischen Aufwand bei der Konstruktion, bietet aber bessere Messergebnisse. In diesen Bereich fallen die in der Analytik eingesetzten Fourier Transformation Spektrometer (FTIR), die nach einem ähnlichen System arbeiten. Diese Bauart wird hier nicht weiter betrachtet.

Die hier betrachteten Sensoren sind sogenannte nicht dispersive Photometer, abgekürzt NDIR-Photometer. Die Auflösung des von der Strahlungsquelle ausgehenden Lichtes in die zur Messung notwendige Messwellenlänge, und je nach System Vergleichswellenlänge, erfolgt in der Regel durch die Verwendung von Filtern oder getrennten IR-selektiven Detektoren. Die Filterung schwächt allerdings die Intensität des Lichtstrahls und somit das erzielte Messsignal bzw. die Empfindlichkeit. Bei der Verwendung unterschiedlicher Detektoren ist das Messsignal von deren Qualität und Stabilität abhängig.IR Bild 2 Strahlungsküvetten unterschiedlicher Länge

Der Lichtweg von der Lichtquelle zum Detektor kann entweder „einstrahlig“ oder „zweistrahlig“ sein. Beim Zweistrahlphotometer strahlt das Infrarotlicht gleichzeitig durch den Messweg und einen Vergleichsweg. Meist ist das eine Küvette, ein rundes Rohr mit Glasscheiben an beiden Enden verschlossen und in der Mitte durch eine Trennwand in zwei Segmente geteilt (Abbildung 23). Durch eine Seite der Küvette wird die zu überwachende Atmosphäre gezogen, die andere ist mit einem IR-inaktivem Gas gefüllt. Solange das nachzuweisende Gas nicht in der Atmosphäre ist, geht durch beide Seiten der Küvette die gleiche Lichtmenge. Je höher der Anteil des nachzuweisenden Gases in der Messseite, umso mehr differiert die durch beide Seiten durchgehende IR-Strahlung.

Je länger der Lichtweg bzw. die Küvette, desto niedriger liegt im Allgemeinen die untere Nachweisgrenze. Die linke Küvette in Abbildung 2 ist für die Messung von Methan im Bereich von 0-3 Vol.-%, die rechte von Kohlenmonoxid im ppm-Bereich.

Abbildung 23 IR Strahlungsküvetten unterschiedlicher Länge

Dieser Aufbau ist recht aufwändig und erfordert den Einsatz einer Gasförderpumpe. Meist sind die Empfänger mit dem zu messenden Gas gefüllte Kammern, in denen das einfallende IR-Licht durch Energieeintrag den Druck erhöht. Diese Druckerhöhung kann mit einem Membrankondensator elektrisch bestimmt und daraus die Gaskonzentration abgeleitet werden. Weil ein Membrankondensator auch nichts anderes ist als ein Mikrofon, wird dies auch als photoakustisches Messverfahren bezeichnet.

Die Sensoren handelsüblicher Gaswarngeräte sind einfacher aufgebaut. Ein nicht dispersiver Strahler leuchtet in eine Diffusionskammer, an deren Ende ein Spiegel sitzt, der den Lichtstrahl zu einem neben dem Strahler sitzenden IR-Detektor zurückwirft. Anstelle des Spiegels könnte auch direkt der Empfänger sitzen, aber dann wäre der Strahlengang womöglich zu kurz, um geringe Konzentrationen zu erkennen.

IR Bild 3 Sensor tragbares Gerät

 IR Bild 4 Sensor Spiegel   IR Bild 5 Sensor Lampe und Detektor 

Abbildung 24 IR-Sensor tragbares Gaswarngerät                      Abbildung 24 IR-Sensor Spiegel                               Abbildung 25 IR-Sensor Lampe und Detektor

Die Abbildungen 24 und Abbildung 25 zeigen den IR-Sensor eines tragbaren Gaswarngerätes älterer Bauart. In dem kleinen „Loch“ unten in Abbildung 25 steckt die IR-Lampe und darüber, hinter einer Glasscheibe, der eigentliche Detektor. Der Lichtstrahl wird vom konkaven Spiegel (Abbildung 24) gebündelt auf den Detektor reflektiert.

Auf den Abbildungen ist oben der Ansaugstutzen der Gasförderpumpe zu erkennen. Der Gaszutritt erfolgt über die offene Seite, die normalerweise mit einem Feinfilter aus Papier verschlossen ist.

Die neueren IR-Sensoren für tragbare Gaswarngeräte sind noch kompakter aufgebaut und teilweise schon in der Lage, mit einem Sensor sowohl Kohlendioxid im Volumenbereich bis ca. 5 Vol.‑% als auch Kohlenwasserstoffe im Bereich bis zur unteren Explosionsgrenze nachzuweisen.

Die Sensoren für ortsfeste Gaswarnanlagen müssen nicht so klein bauen und kommen deshalbIR Bild 6 Sensor für ortsfeste Gaswarnanlagen im Allgemeinen auch ohne Gasförderpumpe aus. Umso wichtiger ist die korrekte Einbaulage, um die vom Hersteller vorgesehene Gasdiffusion nicht zu behindern. Abbildung 26 zeigt das „Innenleben“ eines solchen Sensors. Im betrieblichen Einsatz sitzt über dem optischen Weg ein Wetterschutz. (Der im Freien nicht selten von Kleinlebewesen als sicheres Refugium genutzt wird, was zu unerklärlichen Anzeigestörungen führen kann.)

Eine Sonderbauform sind die sogenannten „Open Path“-Geräte, eine Kombination aus IR-Strahler und Empfänger, die in großer Distanz, z. B. mehr als 5 m, zueinander aufgestellt sind. Damit lassen sich große Bereiche, z. B. auf Bohrinseln oder in Raffinerien überwachen.

Als Detektor sind in den IR-Sensoren der Gaswarngeräte überwiegend pyroelektrische Sensoren oder Photodioden eingebaut, deren Signal von der einfallenden Lichtmenge abhängt. Für die Prozessanalyse sind auch noch Geräte mit anderen Detektoren, z. B. thermoelektrische photoakustische Sensoren, im Einsatz meist kombiniert mit gasgefüllter Empfängerkammer.

 
Abbildung 26 IR-Sensor für ortsfeste Gaswarnanlagen

 

Funktionsweise der IR Sensoren in Gaswarngeräten

IR Bild 7 Schematische Darstellung IR SensorWie bereits beschrieben, gibt es sehr viele unterschiedliche Möglichkeiten, Lichtquelle, Strahlenweg und Detektor für den Nachweis von Gasen zu kombinieren. Den derzeitig üblichen Aufbau zeigt Abbildung 27.

Wie bereits aus den vorangegangenen Abbildungen ersichtlich, strahlt die im Detektor eingebaute IR-Lampe Licht unterschiedlicher Wellenlänge in Richtung eines Spiegels ab. Hier farbig dargestellt. Rot ist die Wellenlänge, die das nachzuweisende Gas absorbiert (Messwellenlänge), Blau eine Wellenlänge, die von (möglichst!) keinem Gas absorbiert wird (Vergleichswellenlänge).

 

Abbildung 27 Schematische Darstellung IR-Sensor Gaswarngerät

Das Licht des Strahlers fällt, nachdem es die Messstrecke durchlaufen hat, auf einen Strahlteiler. Hinter dem Teiler sitzt in einem Teilstrahl ein Filter, der nur die Messwellenlänge passieren lässt. Sein Pendant im anderen Strahlengang filtert alles außer der Vergleichswellenlänge aus. Das übrige Licht, hier die grüne Wellenlänge, hat keine Bedeutung für die Messung. Genau wie bei den Wärmetönungssensoren, dient diese doppelte Detektoranordnung dazu, Störungen im Strahlengang, z. B. Staub oder Nebel, zu erkennen und nicht als Messsignal auszugeben.IR Bild 8 Schematische Darstellung Gasdetektion im IR Strahlengang

Das Detektorsignal in Abbildung 27 entspricht dem Nullpunkt. Da sich die Detektoren bei Dauerbetrieb der Lampe während des Betriebes ständig im angeregten Zustand befinden würden, könnte das Driften eines Detektors oder der schleichende Empfindlichkeitsverlust beider Detektoren zu gefährlichen Fehlern führen. Deshalb sind die Lampen getaktet, Hell- und Dunkelphasen wechseln etwa 1-mal pro Sekunde. Durch diesen Wechsel ist sichergestellt, dass beide Detektoren noch gleichermaßen auf IR-Licht reagieren.

Befindet sich das nachzuweisende Gas im Strahlengang, so wird die Messwellenlänge schon dort absorbiert und das Signal Detektor geht um einen von der Gaskonzentration im Strahlengang abhängigen Wert zurück. Abbildung 28 zeigt schematisch diese Situation.

Abbildung 28 Schematische Darstellung Gasdetektion im IR-Strahlengang

Das auswertbare Signal des Detektors hängt aber auch vom Zustand der Lampe, der Schwächung des Strahls durch Gase und Schmutz, sowie der Alterung und der Temperatureffekte des Detektors ab. Bei dem in Abbildung 27 gezeigten Prinzip wirken die erstgenannten Faktoren auf beide Detektoren gleichermaßen ein. Verschmutzung und Alterung führen daher tendenziell zu einem schwächeren Signal, das über die regelmäßige Justierung ausgeglichen werden kann, aber nicht zu einem Verlust der Messfunktion. Was nicht erkannt werden kann, sind unterschiedliche Alterung und schwankende Empfindlichkeiten an den beiden Detektoren.

Deshalb arbeiten einige Hersteller mittlerweile mit einer sog. Doppelstrahlkompensation. Dabei ist eine zweite Lampe in den Sensor integriert, die sich in einem verschlossenen Bereich befindet, der weder von Gas noch von Schmutz betroffen ist. Diese Lampe strahlt in einem anderen Frequenzbereich als die eigentlichen „Messlampe“ und erzeugt damit ein Signal, mit dem die bauart‑ und alterungsbedingte Differenz zwischen den Detektoren zu ermitteln ist. Der Messwert kann aufgrund dieses Signals berichtigt werden. Ein solcher Aufbau kann eine Selbstüberwachungsfunktion gemäß Abschnitt 9.5 der Merkblätter T021 / T023 sein, durch die die Frist für die Funktionskontrollen auf maximal 1 Jahr ausdehnbar ist.

Abbildung Doppelstrahl-KopensationAbbildung 29 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Sensors.

Tragbare Gaswarngeräte sind häufig mit einem Wärmetönungssensor für brennbare Gase und einem Infrarotsensor für Kohlendioxid ausgestattet. Fortschreitende Miniaturisierung der Sensoren und die Nachfrage nach Gaswarngeräten, die sowohl Kohlendioxid als auch brennbare Gase per Infrarot messen können, z.B. im Bereich von abwassertechnischen Anlagen, haben verschiedene Hersteller zum Anlass genommen, Kombinationssensoren für Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe zu entwickeln.

Berücksichtigen Sie bei der Beurteilung, ob ein solcher Sensor für ihren Einsatzfall geeignet ist, unbedingt die Hinweise im folgenden Kapitel.

 

Abbildung 29 Doppelstrahl-Kompensation. Quelle: Dräger Safety AG & Co. KGaA, Lübeck

 

Verwendungshinweise und Besonderheiten

Eingangs wurde beschrieben, dass je nach Gas und Molekülaufbau des Gases unterschiedliche Schwingungsrichtungen der Atome möglich sind. Jede „Atomverbindung“ und jede Schwingungsrichtung absorbiert in einem für sie typischen Wellenlängenbereich Energie aus elektromagnetischer Strahlung. Das heißt, die allermeisten Stoffe die IR-Licht absorbieren tun dies bei unterschiedlichen Wellenlängen. Die Lage der absorbierten Wellenlängen im IR-Bereich, das sogenannte IR-Absorptionsspektrum, ist ein Identifikationsmerkmal für das vorhandene Gas.

Die vorstehend beschriebenen, in der Sicherheitstechnik eingesetzten direktanzeigenden Gaswarngeräte, arbeiten aus technischen Gründen, heute nur mit einem einzigen festen Wellenlängenbereich. Alles andere wäre, nach derzeitigem Stand der Technik, zu aufwändig. Das heißt, ein Sensor z.B. für Kohlendioxid detektiert nur eine der typischen Absorptionswellenlängen von Kohlendioxid. Bei Nachweis eines Einzelgases ist damit trotzdem eine selektive Messung gewährleistet. Die ersten IR-Sensoren in bedeutender Stückzahl auf dem Markt, waren tatsächlich Sensoren für Kohlendioxid. Insbesondere zur Verwendung auf Deponien oder in abwassertechnische Anlagen, weil die vorhandenen elektrochemischen Sensoren und pH-Sensoren nicht zufriedenstellend arbeiteten.

Die guten Erfahrungen mit IR-Sensoren, die zunehmende Miniaturisierung sowie der damit einhergehende Preisrückgang, führten dazu, dass aufgrund der hohen Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen, die IR-Messtechnik auch zur Messung brennbarer Gase und Dämpfe immer mehr in den Fokus der Entwicklung rückte.

Abbildung IR-Absorptionsbande verschiedener brennbarer Gase und Dämpfe

Die Abbildung 31 bietet stark schematisiert, einen Überblick über das Absorptionsspektrum einiger Kohlenwasserstoffe.

Wenn wie bereits beschrieben, die Lichtwellenlänge über den relevanten Bereich definiert verändert und die Lichtschwächung (Extinktion) quantitativ bezogen auf die Wellenlänge gemessen werden kann, sind alle IR-aktiven Gase mit einer hohen Genauigkeit und Selektivität bestimmbar. Obwohl dies, wie vorstehend bereits gesagt, mit den aktuell vorhandenen Sensoren von direktanzeigenden Gaswarngeräten (noch) nicht möglich ist, sind dennoch eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen mittels IR-Sensoren nachzuweisen. Und zwar deshalb, weil fast alle im Wellenlängenbereich um 3,4µm Infrarotlicht absorbieren. Die Betonung liegt dabei auf „fast“. Ethin (Acetylen) zum Beispiel, absorbiert in diesem Wellenlängenbereich kein IR-Licht. Dieses Gas also mit einem Standardsensor für Kohlenwasserstoffe nicht nachweisbar. Gleiches gilt für anorganische brennbare Gase, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff. Aceton zeigt in diesem Wellenlängenbereich ebenfalls nur ein sehr schwaches Signal.                                                   Abbildung 31 IR-Absorptionsbande verschiedener brennbarer Gase und Dämpfe

Genau hier liegt der sicherheitlich relevante Unterschied zu den Wärmetönungssensoren. Zeigt ein Wärmetönungssensor alle brennbaren Gase und Dämpfe an, gilt dies für IR-Sensoren keineswegs. Es besteht die Gefahr, dass bestimmte Gase und Dämpfe nicht erkannt werden.

Hinzu kommt, dass die Anzeige des Wärmetönungssensors bei unterschiedlichen brennbaren Gasen und Dämpfen umso höher ist, je niedriger die untere Explosionsgrenze des zur Justierung verwendeten Dampfes. Das ist bei IR-Sensoren vollkommen anders und von der Bauart des Sensors, insbesondere der Messwellenlänge, abhängig. Die „Nonan-Kalibrierung“ wie vom Wärmetönungssensor gewohnt, kann hier zu einer gefährlichen Minderanzeige je nach vorhandenem Gas oder Dampf führen.

Abbildung Absorptionsbande im Wellenlängenbereich um 3,4µm, optischer Filter bei 3,35 µmSensoren unterschiedlicher Bauart, selbst vom gleichen Hersteller, können auf unterschiedliche Gase vollkommen anders reagieren.

Warum das so ist, verdeutlicht die nachfolgende Abbildungen. Je nachdem welche Wellenlänge der optische Filter im Messstrahlengang hat, kann das Signal beim gleichen Gas vollkommen unterschiedlich ausfallen.

In Abbildung 32 liegt der grau eingezeichnete optische Filter im Wellenlängenbereich von etwa 3,35µm. In diesem Bereich absorbieren die höheren Alkane, Propan, Butan, Nonan recht viel IR-Strahlung. Ein mit einem solchen optischen Filter ausgestatteter Sensor, justiert auf Propan, würde Methan, als Hauptbestandteil von Erdgas, nur mit einem sehr schwachen Signal detektieren. Hier wäre es angeraten, den Sensor mit Methan zu justieren, um alle anderen KW mit einem überproportionalen Signal anzuzeigen.Abbildung Absorptionsbande im Wellenlängenbereich um 3,4µm, optischer Filter bei 3,3µm


Abbildung 32 Absorptionsbande im Wellenlängenbereich um 3,4µm, optischer Filter bei 3,35 µm

Das lässt sich aber nicht verallgemeinern. Liegt der Filter in seinem Bereich nur wenig anders, z.B. bei 3,3µm, wie in Abbildung 36 gezeigt, verändert sich das Anzeigeverhalten deutlich. Da in diesem Wellenlängenbereich Methan recht gut IR-Strahlung absorbiert, würde ein mit Methan justierter Sensor vorgenannte Alkane mit zu geringer Empfindlichkeit anzeigen.

Es ist von außerordentlicher Bedeutung, dass mit dem Hersteller des Sensors gemeinsam die Messaufgabe und das im vorgesehenen Einsatzfall zu verwendende Justiergas festgelegt werden. Nur so ist eine korrekte Anzeige zu gewährleisten.

 

Abbildung 33 Absorptionsbande im Wellenlängenbereich um 3,4µm, optischer Filter bei 3,3µm

 

Infrarotmessung Vor‑ und Nachteile

Vorteile:

  • je nach Sensorbauart sehr selektive Messungen verschiedener Gase möglich,
  • für viele unterschiedliche Gase verfügbar,
  • Messung geringer Konzentrationen möglich,
  • es sind keine Sensorgifte bekannt, und
  • kein Sauerstoff zum Messen erforderlich

Nachteile:

  • Wasserstoff kann nicht detektiert werden,
  • keine bzw. keine sichere Anzeige bei unbekannten brennbaren Gasen,
  • je nach Bauart und Justierung wechselnde Querempfindlichkeiten,
  • Wasserdampfgehalt der Luft kann die Anzeige beeinflussen und
  • kondensierende Feuchtigkeit und Staub können die Infrarotstrahlung absorbieren.

 

Quelle

Der Text wurde uns freundlicherweise von Herrn Hans Peter Maurischat als Vorabdruck der geplanten überarbeiteten Fassung seines Kompendiums zur Gasmesstechnik zur Verfügung gestellt. Weitere Informationen zu der aktuellen Version des Buches finden Sie unter www.maurischat.eu.   

 

Das Urheberrecht für Text und selbst erstellte Abbildungen und Objekte liegt alleine beim Autor Hans Peter Maurischat. Eine Vervielfältigung oder Verwendung des Textes oder der Grafiken und Abbildungen in anderen elektronischen oder gedruckten Publikationen ist ohne ausdrückliche schriftliche Zustimmung des Autors nicht gestattet.

Stand 2015