Spektroskopie mit durchstimmbaren VCSELs

Methode zur schnellen und berührungslosen Analyse von Gasen

Johann Mathä
YOKOGAWA Measurement Technologies GmbH, Gewerbestr. 17, 82211 Herrsching

Optische Analyseverfahren ersetzen zunehmend die konventionelle chemische Analyse von Gasen. Sie nutzen den Effekt, dass viele Moleküle Licht bei spezifischen Wellenlängen absorbieren, und haben den Vorteil, dass die Ergebnisse schnell zur Verfügung stehen. Der Nachweis von Gasen und die Bestimmung ihrer Konzentrationen sind „in situ“ möglich, d. h. ohne dass Proben entnommen werden müssen. Das Verfahren ist deshalb prädestiniert für transiente chemische Prozesse oder schnell strömende Gase.

Zum Beispiel Erdgas. Zwar besteht es hauptsächlich aus Methan, aber es enthält weitere Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan sowie u. a. Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Wasserdampf in unterschiedlichen Konzentrationen. Deshalb muss man es aufbereiten. Das für die Energiegewinnung wertlose Kohlendioxid lässt man in die Luft entweichen. Entschwefelung ist ohnehin nötig – nicht nur der Umwelt, sondern auch den Leitungen zuliebe. Und der scheinbar harmlose Wasserdampf kann mit dem Methan chemische Verbindungen eingehen, die als harte Verunreinigungen die Armaturen in den Pipelines beschädigen können. Deshalb wird auch der Wasserdampf bis auf einen Restanteil reduziert: Das Gas wird getrocknet.

Als Kriterium für den Trocknungsgrad gilt der Taupunkt. Bis eine Labormessung zum Ergebnis führt, sind Abertausende von Kubikmetern Erdgas durch die Pipeline geströmt. Hier ist man auf Analysen „in situ“ oder „online“ angewiesen.

Bisher wurden zur Untersuchung u. a. Halbleiter-Laserdioden eingesetzt, so genannte DFB-Laser (Distributed Feedback). Inzwischen machen ihnen VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) Konkurrenz. Sie werden bereits in der Telekommunikation eingesetzt, z. B. zur optischen Übertragung von Gigabit- Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet über Multimode-Glasfaser bei 850 nm. Nachdem jetzt der Vorstoß in langwellige Bereiche bis 2 μm gelungen ist, werden mit VCSELs auch der Nachweis, die Konzentrationsbestimmung und sogar die Temperaturbestimmung vieler Gase möglich.

 

Tab. 1: Absorptionswellenlängen einiger Gase, die sich
mit VCSELs detektieren lassen (Quelle: Vertilas).
Zum Vergleich: Der Wellenlängenbereich des sichtbaren
Lichts liegt etwa zwischen 380 und 780 nm.
Ammoniak (NH3)
1512 nm
Kohlenmonoxid (CO) 1560, 1579 nm
Schwefelwasserstoff (H2S) 1579 nm
Methan (CH4) 1654, 1684 nm
Wasserdampf (H2O) 1800, 1854, 1877 nm
Kohlendioxid (CO2)
2003, 2012 nm

Abbildung 1: Emissionsspektrum eines Singlemode BTJ-VCSELs der Vertilas GmbH, Garching. Der neue optische Spektrumanalysator AQ6375 von Yokogawa ermöglicht die Messung der Wellenlänge in Abhängigkeit vom Steuerstrom und der Seitenmodenunterdrückung bis zu 60 dB – und dies innerhalb von Minuten.

Die Wellenlänge eines VCSEL lässt sich im Bereich von einigen Nanometern über die Temperatur oder über den Strom abstimmen. Für jedes zu detektierende Gas benötigt man einen auf die passende Wellenlänge getrimmten VCSEL. Durch periodische Abstimmung wird die spezifische Absorptionslinie des Gases „gescannt“. Dabei sind fast unglaubliche Scan-Raten von mehreren MHz möglich. Durch Kombination mehrerer VCSEL in einem Gerät lassen sich auch verschiedene Gase simultan bestimmen. Die Anforderungen an VCSELs für eine präzise Analyse sind Modenreinheit – nur ein Hauptmodus, keine Modensprünge, gute Seitenmodenunterdrückung, Langzeitstabilität.

Der neue optische Spektrumanalysator AQ6375 kann die meisten Parameter direkt messen. Mit seinem Wellenlängenbereich von 1200 bis 2400 nm hat er auch Reserven für die Erschließung des fernen Infrarotbereichs. Die weitere Entwicklung der optischen Analyse werden wir aufmerksam verfolgen. Die Messtechnik steht bereit.

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