NDUV-Verfahren

Die Nichtdispersive UV-Absorptionsfotometrie (NDUV)  nutzt die elektronischen Übergänge von Molekülen, die bei der Strahlungsabsorption bestimmter Gase angeregt werden. Im Vergleich zur IR-Absorption sind diese Anregungen mit höheren Wirkungsquerschnitten (→ Absorptionskoeffizient α) behaftet, so dass der Anteil der Strahlungsabsorption größer ist. Die NDUV-Technik eignet sich daher besonders gut für die Spurenanalyse im ppm-Bereich. Weiterhin wird  diese Art der Gasanalyse nicht durch störende Wasserdampfkonzentrationen beeinflusst. Der Wi.Tec-Sensorik GmbH ist es erstmalig gelungen serientaugliche OEM-Module (ULTRA.sens®) auf dieser technologischen Basis anbieten zu können.

ULTRA.sens Prinzip

Prinzipieller Aufbau des ULTRA.sens-Verfahren

Quelle: Wiegleb, G.: Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Kap. 8.3), Springer Vieweg 2016

 

In dem Fotometer wird die Strahlung der LED mit einer UV-Linse abgebildet, so dass ein paralleler Strahlengang entsteht. Diese Strahlung wird in einem nachfolgenden Strahlteiler in einen Mess- und Referenzpfad gesplittet. Die Küvettenlänge (L) wird je nach Gaskonzentration zwischen 5 mm und 250 mm gewählt. Am Ende der Messküvette wird die Strahlung dann mit einer weiteren UV-Linse auf einen hochempfindlichen UV-Detektor geleitet, der die Strahlung in eine Messspannung umwandelt. Die Strahlungsabsorption in der Küvette ist dann ein Maß für die Gaskonzentration (c) gemäß dem Lambert-Beer´schen-Gesetz:

Lambert Beer

Mit steigendem Druck (p) und sinkender Temperatur (T) nimmt der Anteil der  Strahlungsabsorption in der Küvette zu.

GasspektrenSpektrale Verteilung der Absorptionsbanden von Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid

 

UV LED-Technik
Durch die Nutzung der AlGaN-LED Technologie können Spektralbereiche von 360nm bis 230 nm lückenlos abgedeckt werden. Um die Lebensdauer der empfindlichen UV-LED´s zu vergrößern, wurde eine spezielle Ansteuerungselektronik (smartPOWER) entwickelt, mit der die zu erwartenden Lebensdauern um den Faktor > 10 verlängert werden konnten. Unter diesen Betriebsbedingungen sind erstmalig Lebensdauern der empfindlichen UV-Strahlungsquellen von > 2 Jahre möglich. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in kontinuierlich arbeitende Gasmesssysteme. Weiterhin lässt sich die UV-LED mit nahezu beliebigen Frequenzen modulieren, so dass auch schnelle Änderungen der Gaskonzentration erfasst werden können. Ansprechzeiten von t90% < 100 Millisekunden sind daher problemlos realisierbar.

LED CHIP

Leuchtfläche des Mikrochips

Der physikalische Aufbau besteht aus einem Fotometer mit zwei Empfangsdetektoren. Der Referenz-Detektor kontrolliert  kontinuierlich die Strahlungsintensität der UV-LED und dient somit zur Verrechnung von Alterungseffekten und Temperatureinflüssen. Der Messdetektor erfasst die selektive Strahlungsabsorption in einer 100 mm langen Messküvette, die innen mit einer speziellen Beschichtung versehen ist, um störende Hang-up Effekte zu unterdrücken. Die Ansteuerung der UV-LED und die Auswertung der Detektorsignale erfolgt in einer leistungsstarken Mikroprozessorelektronik, die sich unterhalb des Fotometers befindet.

Die für die unterschiedlichen Gasmessungen erforderlichen LED’s werden durch eine Spektralanalyse selektiert und dann der jeweiligen Messaufgabe zugeordnet. Durch diese Maßnahme entfällt der Einsatz von optischen Filtern zur spektralen Einschränkung auf die jeweilige Gasart.

ULTRAsensZ1

physikalischer Aufbau der Fotometers