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In der photoakustischen Spektroskopie (PAS) wird das Messgas mit moduliertem Licht einer vordefinierten Wellenlänge bestrahlt. Die Gasmoleküle absorbieren einen bestimmten Teil der Lichtenergie und wandeln ihn in akustische Signale um, die von Mikrofonen erfasst werden. Bei der Infrarotquelle handelt es sich um eine breitbandige IR-Lichtquelle. Das, von einem Parabol-Spiegel fokussierte Licht, wird über ein Chopper-Rad und über einen optischen Filter in die photoakustische Messzelle geleitet. Durch die Drehbewegung des Chopper-Rades wird das Licht „ein- und ausgeschaltet“. Der optische Filter ist ein Schmalband-/Interferenzfilter für den Infrarotbereich, abgestimmt auf das jeweils zu messende Gas. |
Innova 1412i Photoacoustic Gas Monitor |
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Das Licht fällt durch ein Fenster in die PAS-Zelle. Stimmt die Lichtfrequenz mit einem Absorptionsband des Gases in der Zelle überein, absorbieren die Gasmoleküle einen Teil des Lichts. Je höher die Konzentration des Gases in der Zelle ist, desto mehr Licht wird absorbiert. Beim Absorbieren der Energie erwärmt sich das Gas. Da sich das Gas in einer geschlossenen Kammer befindet, wird ein Druckanstieg verursacht. Aufgrund des Chopper-Rades steigt und fällt der Druck abwechselnd, wodurch ein akustisches Signal erzeugt wird. Dieses Signal wird von zwei Mikrofonen erfasst. Die elektrischen Ausgangssignale der beiden Mikrofone werden vor der Verarbeitung verstärkt. |
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Die photoakustische Gaskonzentrationsmessung basiert auf demselben Grundprinzip wie herkömmliche Gasanalysegeräte auf Infrarotbasis – der Fähigkeit von Gasen, Infrarotlicht zu absorbieren. Zwischen diesen herkömmlichen Methoden und der photoakustischen Spektroskopie gibt es jedoch wichtige Unterschiede.
Die Absorption (proportional zur Konzentration) wird direkt und nicht in Relation zum Hintergrund ermittelt. Dadurch liefert die PAS äußerst genaue Ergebnisse und sie zeichnet sich durch eine sehr gute Stabilität aus. Außerdem lassen sich mit der PAS mehrere Gase simultan in einer einzigen Messkammer bestimmen, es können bis zu fünf verschiedene Substanzen in der jeweiligen Probe gemessen werden.
Aufgrund der geringen Größe der PAS-Zelle reicht für die Probenahme schon ein sehr kleines Gasvolumen aus. Die Probenmenge kann auf bis zu 10 ml pro Messung reduziert werden.
Für die Gasdetektion und -analyse eignet sich am besten eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich abgibt –vorzugsweise zwischen 650 und 4000 cm-1.
Die wohl bekannteste IR-Lichtquelle ist die Sonne, ein Umstand, den sich Alexander Bell bei seinen bahnbrechenden Experimenten im Bereich Photoakustik zunutze machte. Allerdings ist die günstigste Quelle für Infrarotlicht zweifellos nicht, wie er selbst sagte, die zuverlässigste.
Als exzellente und zuverlässigere Alternative zu Sonnenlicht eignet sich ein glühender Körper, hier hat sich insbesondere eine glühende Drahtwendel bewährt. Die Hauptvorteile dieser Quelle sind die Stabilität, geringe Kosten und eine hohe Lebensdauer. Das abgestrahlte Spektrum ist äußerst stabil und liegt zu 70 bis 80 % im infraroten Bereich.
Für die Spektroskopie ist eine schmale Bandbreite erforderlich. Aus diesem Grund wird eine breitbandige IR-Lichtquelle zusammen mit optischen Filtern verwendet. Diese optischen Filter lassen nur die gewünschte Wellenlänge durch. Somit ist es möglich Gase selektiv messen zu können. Mithilfe von Interferometrie, Beugungsgittern oder Prismen lässt sich die gewünschte Wellenlänge individuell anpassen.
