Schnelle und hochauflösende Gassensorik für die Energiewirtschaft

BMBF-Verbundprojekt SIRKO präsentiert miniaturisiertes IR-Spektrometer.

Bild 1: Miniaturisiertes Detektormodul mit mikromechanischem FP-Filter. © InfraTec GmbH

Bild 2: Schema des spektrometrischen Gassensors. © InfraTec GmbH

17.01.14

InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik

Die Umwälzungen in der Energiewirtschaft erzeugen einen großen Bedarf an preiswerter und hochauflösender Sensorik für die Messung des Energiegehalts von Erdgas oder anderer Brenngase. Gleichzeitig steigt auch der Bedarf nach besonders effizienten Geräten zur routinemäßigen Leckageüberwachung und -suche.

Das bisher als Goldstandard angesehene Verfahren der Gaschromatographie ist teuer, langsam und bei kleineren Anlagen kaum wirtschaftlich einsetzbar. Die Infrarot-Spektroskopie ist ein physikalisches Sensorprinzip um Gaskonzentrationen genau, selektiv und langzeitstabil zu bestimmen. Klassische NDIR-Analysatoren mit wenigen fest eingestellten Spektralkanälen sind in der Selektivität jedoch limitiert.

Um schneller und genauer messen zu können, wird in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „SIRKO“ ein neuer infrarotspektrometrischer Sensor entwickelt, welcher sich gegenüber dem Stand der Technik auszeichnet durch

  • eine deutlich verbesserte spektrale Auflösung
  • kürzere Messzeiten
  • erhöhte Robustheit
  • lange Kalibrierungsintervalle
  • einen hohen Miniaturisierungsgrad
  • und einen wesentlich niedrigeren Preis.

Im 22. Monat der Projektlaufzeit konnten die Verbundpartner das Erreichen der Meilensteinziele nachweisen und erste funktionsfähige Mikrospektrometermodule präsentieren. Kernstück der Innovation ist ein durchstimmbares mikromechanisches Fabry-Perot-Filter (µFPF). Es erfasst den für die Messung von Kohlenwasserstoffgasen relevanten Spektralbereich von 3,1 – 3,7 µm. Darüber hinaus ist die gleichzeitige Messung von Kohlendioxid im Wellenlängenbereich um 4,3 µm möglich.

Durch Nutzung der dritten oder vierten Interferenzordnung wurde die spektrale Auflösung auf ca. 25 nm gesteigert, wo bisher nur ca. 60 - 80 nm möglich waren. Die Dynamik des Filters wurde durch ein optimiertes elektromechanisches Design wesentlich verbessert. Das Meilensteinziel von 50 ms wurde mit Zeitkonstanten von weniger als 12 ms um ein Mehrfaches unterboten, so dass nun hohe Scanfrequenzen möglich sind.

In Kombination mit einem schnellen Halbleiter-Photodetektor können Spektren direkt erfasst werden, indem das µFPF kontinuierlich durchgestimmt wird. Niedrige Kosten wurden durch die Prozessierung auf 6“-Wafern und einen verkleinerten Chip erreicht.

Nach dem Erreichen des Meilensteins durch die InfraTec GmbH in Dresden und der Technischen Universität Chemnitz ist nun die Erprobung der Spektrometermodule bei den Anwendungspartnern Drägerwerk AG, Elster GmbH und Analytische Instrumente Dessau GmbH geplant.

Der Verbundname SIRKO steht für „Schnelles Infrarot-Spektrometer für die Analyse von Kohlenwasserstoffen“. Das Verbundprojekt wird im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Optische Technologien“ vom BMBF mit rund 765.000 Euro gefördert. Anfang März 2012 gestartet wird das SIRKO-Projekt voraussichtlich Ende Februar 2015 abgeschlossen.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. habil. Norbert Neumann
Tel.: 0351 / 871-8625
n.neumann@infratec.de

InfraTec GmbH Infrarotsensorik und Messtechnik
Gostritzer Str. 61-63
01217 Dresden

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