Echtzeitüberwachung von Gasen

Hohlfaser- und Mikrokanal-basierter Gassensor

  • Abb. 1: Schema eines Hohlfaser-basierten Gassensors auf der Grundlage der Laser-Absorptionsspektroskopie. Die Absorptionslinien des Gases in der Hohlfaser erscheinen als Minima auf der Intensitäts- Strom-Charakteristik des Lasers. Unten ist das normierte Absorptionsspektrum von Sauerstoff in Luft bei Atmosphärendruck dargestellt, das mit einem VCSEL bei 760 nm und einer 2 m langen Kapillarfaser als Messzelle aufgenommen wurde.Abb. 1: Schema eines Hohlfaser-basierten Gassensors auf der Grundlage der Laser-Absorptionsspektroskopie. Die Absorptionslinien des Gases in der Hohlfaser erscheinen als Minima auf der Intensitäts- Strom-Charakteristik des Lasers. Unten ist das normierte Absorptionsspektrum von Sauerstoff in Luft bei Atmosphärendruck dargestellt, das mit einem VCSEL bei 760 nm und einer 2 m langen Kapillarfaser als Messzelle aufgenommen wurde.
  • Abb. 1: Schema eines Hohlfaser-basierten Gassensors auf der Grundlage der Laser-Absorptionsspektroskopie. Die Absorptionslinien des Gases in der Hohlfaser erscheinen als Minima auf der Intensitäts- Strom-Charakteristik des Lasers. Unten ist das normierte Absorptionsspektrum von Sauerstoff in Luft bei Atmosphärendruck dargestellt, das mit einem VCSEL bei 760 nm und einer 2 m langen Kapillarfaser als Messzelle aufgenommen wurde.
  • Abb. 2: Profil einer metallbeschichteten Kapillarfaser. Silber wird üblicherweise als Metallschicht verwendet. Der Innendurchmesser solcher Fasern liegt im Bereich von 300 μm bis 1000 μm.
  • Abb. 3: Aufsicht eines in den Glaswafer geätzten, kreisförmigen Mikrokanal- Wellenleiters mit Umkehrung durch die S-Struktur im Zentrum zur Kanalrückführung (links) sowie Querschnitt des Mikrokanals mit Goldbeschichtung (rechts).
  • Abb. 4: Simulation der längenabhängigen Dämpfung eines Mikrokanals für verschiedene Kanaltiefen (links) sowie der tiefenabhängigen Dämpfung (rechts).

Für die Echtzeitüberwachung von Gasen in der Umweltmesstechnik und anderen Anwendungsbereichen stellt sich zunehmend die Forderung nach kompakten Gassensoren, die einen selektiven Nachweis von bestimmten Gasen gestatten und die einfach zu handhaben sind.

Durch Lichtleitung in einer Hohlfaser lassen sich große Absorptionslängen bei geringem Messvolumen realisieren. Eine weitere Verringerung der Sensorgröße kann mit Mikrokanal-Wellenleitern erzielt werden, deren Herstellung auf mikrosystemtechnischen Verfahren beruht.

Absorptionsspektroskopie

Die Absorptionsspektroskopie hat im Vergleich zu nicht-optischen Verfahren den Vorteil, dass sie sehr stoffselektiv ist, da die Absorptionslinien für jedes chemische Element so charakteristisch sind wie ein Fingerabdruck. Mittels Aufnahme eines Absorptionsspektrums lassen sich daher Gase selektiv und empfindlich nachweisen.

Jedoch ist für den Nachweis von schwach absorbierenden Gasen eine große Absorptionslänge erforderlich. Für eine hohe Empfindlichkeit wird die erforderliche Absorptionslänge durch Vielfachreflexionen der Strahlung in der Gaszelle erzielt.

Um bei genügend langen Absorptionsstrecken die Sensorgröße möglichst klein zu halten, wird in vielen Arbeitsgruppen an geeigneten kompakten Messzellen mit kleinem Befüllungsvolumen gearbeitet [1–3].

Alternative zur Messzelle

Eine der Möglichkeiten ist der Ersatz der Messzelle durch eine Hohlfaser, die den Messstrahl über lange Strecken führen kann. Die Idee ist in Abbildung 1 skizziert. Es wird eine schmalbandige Laserdiode verwendet, die über einen bestimmten Wellenlängenbereich durchstimmbar ist und in deren Durchstimmbereich die Absorptionslinien des zu untersuchenden Gases liegen.

Die Wellenlängendurchstimmung erfolgt i. Allg. über den Diodenstrom, ist aber auch über die Temperatur der Laserdiode möglich. Fällt bei der Durchstimmung die Laserwellenlänge mit einer Absorptionslinie zusammen, zeigt die Intensitäts-Strom-Charakteristik der Laserdiode ein typisches Minimum, dessen Tiefe ein Maß für die Konzentration des Gases ist.

Ein Vorteil dieses laserspektroskopischen Verfahrens liegt darin, dass die ungestörten Bereiche der Intensitäts-Strom-Charakteristik die Basislinie für den Transmissionsgrad bilden und damit keine Vergleichsmessung erforderlich ist.

Als lichtleitende Hohlfasern bieten sich photonische Kristallfasern (PCF) mit Hohlkern und Kapillarfasern an.

PCFs sind neuartige optische Fasern, deren periodisch strukturierter Mantel die Lichtführung im Faserkern in einem bestimmten Wellenlängenbereich bewirkt [4]. Kapillarfasern sind extrem dünne Glaszylinder mit Innendurchmessern zwischen 300 μm und 1000 μm, die auf der Innenseite mit einer Metallschicht (häufig Silber) verspiegelt sind.

Manche Kapillarfasern haben zusätzlich eine dielektrische Schutzschicht, um die Oxidation der Silberschicht zu verhindern (Abb. 2).Die Eignung beider Fasertypen hinsichtlich ihres Transmissionsverhaltens wurden untersucht [3]. Die Dämpfung der verwendeten PCF liegt bei 0,4 dB / m bei 760 – 800 nm, was Absorptionslängen von mehreren Metern ermöglichen würde.

Überraschenderweise stellte sich jedoch heraus, dass bei der durch die Laserbandbreite bestimmten hohen spektralen Auflösung von ca. 30 MHz die Wellenlängenabhängigkeit des Transmissionsgrads der PCF erhebliche statistische Variationen aufweist. Diese Variationen begrenzen die Nachweisgrenze und machen die Detektion von schwach absorbierenden Gasen nahezu unmöglich.

Kapillarfasern haben eine relative hohe Dämpfung von 5 – 10 dB / m, die wesentlich von der Fasergeometrie (Innendurchmesser und Biegeradius) und vom Einkoppelwinkel abhängt. Dadurch wird die mögliche Absorptionslänge auf ca. 2 m begrenzt. Bedingt durch das breitbandige Reflexionsverhalten der Silberbeschichtung lässt sich eine Kapillarfaser im Unterschied zur PCF in einem großen Spektralbereich von sichtbar bis infrarot verwenden, ihr spektraler Transmissionsgrad weist auch bei der hohen Auflösung keine statistische Variationen auf [3].

Allerdings sind Kapillarfasern steifer, was ihren minimalen Biegungsradius begrenzt. Es wurde ein Sauerstoff- und ein Kohlendioxid- Sensor mit einer 2m langen Kapillarfaser aufgebaut [3]. Als Strahlungsquellen werden oberflächenemittierende Laser (VCSEL) bei 760 nm (O2) bzw. bei 2,0 μm (CO2) verwendet. Die Wellenlänge der VCSELs wird mit dem Diodenstrom durchgestimmt. In Abbildung 1 ist das mit dem O2-Sensor aufgenommene normierte O2-Spektrum von Luft bei Atmosphärendruck dargestellt.

Mikrokanal-Wellenleiter

Eine wesentliche Miniaturisierung des Sensors ist mit Hilfe der Mikrosystemtechnik möglich. Für die Absorptionsstrecke wird ein Mikrokanal benutzt, der in einen Glaswafer geätzt und mit Gold beschichtet wird. Der so strukturierte Wafer wird mit einem ebenfalls mit Gold beschichteten Glaswafer abgedeckt (Abb. 3). Auf diese Weise lässt sich der Sensor bei einer vergleichsweise preiswerten Technologie wesentlich kompakter als in den bisher beschriebenen Konzepten aufbauen.

Nutzbarer Spektralbereich und spektraler Transmissionsgrad verhalten sich ähnlich wie bei den Kapillarfasern. Durch den kleineren Krümmungsdurchmesser ist die Dämpfung des Mikrokanals jedoch größer als die der Kapillarfaser. Für eine Optimierung des Transmissionsgrads wurde die Geometrie des Wellenleiters (Kanaltiefe und -länge,Rückführung des Lichts durch SStruktur, Abb. 3, und einfache Kreisform mit Auskopplung im Kreiszentrum) simuliert.

Dabei zeigte sich, dass die mit der Rückführung des Kanals verbundene Umkehrung durch die S-Struktur zu wesentlich höherer Dämpfung führt als eine einfache kreisförmige Struktur. Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, dass erwartungsgemäß die Dämpfung mit wachsender Kanallänge zunimmt, wobei jedoch die Steigung bei größeren Längen abnimmt.

Die Dämpfung wird kleiner mit zunehmender Kanaltiefe bzw. -breite, wobei sich die Abnahme der Dämpfung für Kanaltiefen über ca. 160 μm stark verringert. Aufgrund dieser Ergebnisse wurden kreisförmige Mikrokanalstrukturen hergestellt. Die Auskopplung erfolgt im Zentrum der Kreisstruktur durch ein Loch im Deckelwafer. Diese Strukturen werden z. Z. charakterisiert.

Auswertealgorithmus für referenzzellenfreie Sensoren Als Messkurve des Kapillarfaserbzw. Mikrokanal-basierten Gassensors erhält man die Intensitäts- Strom-Charakteristik des Lasers mit den überlagerten Absorptionsminima, wobei die ungestörten Bereiche die Basislinie für den Transmissionsgrad bilden (Abb. 1). Zur Konzentrationsbestimmung wurde ein Auswertealgorithmus entwickelt, der zunächst die Lage der Absorptionslinien erkennt.

Der aus der Hitran-Datenbank [5] entnommene theoretische Verlauf der Gasabsorptionslinien mit den zugehörigen Linienparametern wird danach an den normierten Transmissionsgrad, der aus Intensitäts- Strom-Charakteristik gewonnen wird, angepasst. Mit Hilfe des entwickelten Algorithmus können beispielsweise bei 760 nm Sauerstoffkonzentrationen ab 15000 ppm mit einem relativen Fehler besser als 0,03 % und einem absoluten Fehler kleiner als 800 ppm für den gesamten Konzentrationsbereich bestimmt werden.

Ausblick

Die Echtzeitüberwachung von Gasen insbesondere in der Umweltmesstechnik spielt eine zunehmende Rolle. Beispiele sind umweltrelevante Gase für die Luftqualität oder die Sauerstoffkonzentration, die bei einer Vielzahl von Prozessen eine entscheidende Größe ist. Die entwickelten Sensorkonzepte bieten die Grundlage für kompakte Gassensoren, die für den praktischen Einsatz vor Ort insbesondere zum selektiven Nachweis von schwach absorbierenden Gasen gut geeignet und einfach zu handhaben sind.

Ihre hohe Selektivität ermöglicht auch die Unterscheidung von Isotopen. Im Gesundheitsbereich wird der Nachweis von unterschiedlichen Isotopen z. B. für Diagnose von gastroenterologischen Krankheiten verwendet [6].

Literatur

[1] Ritari T. et al.: Optics Express 12 (17), 4080–4087 (2004)

[2] Hartwig S. und Lambrecht A.: Technisches Messen 75 (10), 555–564 (2008)

[3] Rodrigues A. et al.: Proc. Of SPIE Vol. 8073 (2011)

[4] Russell, P. St. J.: Journal of Lightwave Technology 24, 4729–4749 (2006)

[5] Rothman L. S. et al.: J. Quant. Spect. and Radiative Transfer 96, 139–204 (2005)

[6] Braden B. et al.: Scandinavian Journ. of Gastroenterology 13 (5), 442–445 (1996)

e

Autor(en)

Kontaktieren

Hochschule Furtwangen
Robert-Gerwig-Platz 1
78120 Furtwangen
Deutschland
Telefon: +49 7723/920-0
Telefax: +49 7723/920-1109

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.