FTIR Gasanalysatoren Möglichkeiten und Grenzen. Dr. Gerhard Zwick Ansyco GmbH, Karlsruhe

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1 FTIR Gasanalysatoren Möglichkeiten und Grenzen Dr. Gerhard Zwick Ansyco GmbH, Karlsruhe

2 Gasmessung mit IR Messkomponenten müssen IR-aktiv sein, d.h. Moleküle absorbieren IR-Licht im Bereich 2,35-12 μm = cm -1, Anregung von Schwingungen und überlagerten Rotationen, die meisten Gase sind IR-aktiv, jede Molekülsorte zeigt ein individuelles IR-Spektrum, cm-1 IR-Spektrum von Ethylacetat

3 Gasmessung mit FTIR Fourier-Transform InfraRot Methode schnelle Messung von IR-Spektren, Spektraldaten erlauben selektive Quantifizierung, Die meisten organischen und anorganischen Gase sind messbar. nicht IR-aktiv: H 2, O 2, N 2, Cl 2,Edelgase, nicht bzw. schlecht messbar: schwache Absorber: H 2 S, Nachweisgrenzen mit GASMET Geräten um 1 ppm. Mehrkomponentenmessung, max. 50 Gase simultan, Konzentrationswerte sofort und am Messort verfügbar, Konzentrationsverläufe und Spitzenwerte zugänglich,

4 GASMET mobile FTIR Gasanalysatoren DX4000/ DX4015 DX V 230 V 12 V extern 12 V intern

5 Technik GASMET FTIR Optik Messzelle Langwegzellen, bis max. 10 m MTC-Detektor thermoelektrisch gekühlt auf -37 C IR-Quelle SiC, langlebig GASMET Interferometer klein, unempfindlich gegen Erschütterungen

6 Technik GASMET FTIR Messzellen Langwegzellen mit Spiegeln: Weglänge 5 oder 10 m Volumen 0,45 l

7 Technik GASMET FTIR Interferometer Michelson Prinzip beweglicher Spiegel IR-Quelle bzw. Laser fester Spiegel Strahlteiler Interferogrammsignal

8 Technik GASMET FTIR Interferogramm Beispiel mit 3 Laser Wellen mit verschiedenen Frequenzen und Intensitäten E(ν ) Individuelle Interferenzen der 3 Wellen Gemessenes Gesamt - Interferogramm ν FT IR Quelle Gemessenes Interferogramm einer IR Quelle) Wegdifferenz OPD Drei Wellenlängen (Laser) Breites Band von IR-Frequenzen

9 Technik GASMET FTIR Interferogramm A IR-Interferogramm Laser-Interferogramm Wegdifferenz Δx = nm (Laser Wellenlänge)

10 Technik GASMET FTIR GICCOR Interferometer IR-Quelle zur Messzelle zur Messzelle Strahlteiler Antrieb für die Spiegelbewegung Cube Corner Spiegel HeNe- Laser

11 Technik GASMET FTIR Messablauf und Lambert-Beer Gesetz FFT Interferogramm mit Nullgas I 0 = Intensitätsspektrum Nullgas FFT log I 0 / I = Extinktionsspektrum Interferogram mit Messgas I = Intensitätsspektrum Messgas Quantifizierung: Lambert-Beer Gesetz: Extinktion = c d

12 Technik CALCMET Quantifizierung mit CLS-Methode Kalibrierspektren Absorption Messspektrum cm n-dekan 66 ppm x cm Spektrum berechnet n-oktan 79 ppm x cm cm Ethylacetat 132 ppm cm-1 x n-dekan = 34 ppm n-oktan = 50 ppm Ethylacetat = 69 ppm

13 Calcmet Software - Anzeige der Ergebnisse Tabelle mit Werten Spektrum Trendlinien

14 Messbeispiel Testgemisch: Spektren 0.4 n-buac 48ppm EtBenz 26ppm 3-EtTol 92ppm 4-EtTol 92ppm o-xylol 26ppm i-buoh 25ppm n-buoh 26ppm 1-Mox-2PrOH 25ppm AU cm-1

15 Messbeispiel Testgemisch: Ergebnis theor. Konzentration Konzentration (FTIR) Konzentration (GC) ppm n-buac Et-Benz 3-Et-Tol 4-Et-Tol o-xylol i-buoh n-buoh 1-Mox-2- PrOH

16 Messung von Narkosegasen A) Messung im OP, Masken Narkotisierung, höhere Konzentrationen der Narkosemittel Lachgas und Sevofluran, zusätzlich Alkohol-Desinfektion; B) Messung im Aufwachraum: Narkosegase Lachgas und Sevofluran; C) Messung im Aufwachraum: Spuren von Narkosegasen.

17 Messung von Desinfektionsmitteln Messung von Formaldehyd und Alkoholen in der Pathologie

18 Messung von Lösemitteln

19 Messung von Rauchgasen

20 CALCMET Software Anwendung einstellen Auswahl der Anwendung Aktivierung der Messkomponenten

21 CALCMET Software Anwendung einstellen Einstellung des Auswertebereichs Einstellung der Interferenzkomponenten

22 CALCMET Software - Restspektrum Ergebnis Restspektrum Fehler Ergebnis Restspektrum ok Unbekannte Signale Restsignale fast nur Rausch Restspektrum zeigt die Qualität der Messung

23 CALCMET Software zur Auswertung der IR-Spektren einfache und schnelle Methodenerstellung Kalibrierspektren aus Einzelkomponenten Höhe und Form der Signale werden berücksichtigt Überlagerungen von Banden werden kompensiert vorhandene Komponenten müssen bekannt sein Anzeige des Restspektrums

24 Messung von Kalibrierspektren a) Prüfgase aus Flaschen, Verdünnungsreihen b) Herstellung von Prüfgasen mit Generator Dosierung von inerten Gasen und Flüssigkeiten Generierung von ppm bis vol-% Konzentrationen Programmierbare Spritzenpumpe für Dosierung

25 GASMET Hardware: mobile und tragbare Gasanalysatoren DX4000/ DX4015 DX4030 Arbeitsspannung 230 V 230 V Akkubetrieb - 12 V extern 12 V intern Zellentemperatur 180 C 50 C unbeheizt Notebook PC ja nein (PDA) Komponenten mit PDA (50 mit PC) Gewicht Maße 39 x 45 x 16 cm 38 x 35 x 14 cm Anwendung Emission Abluft, Labor, Arbeitsplatz, Luft

26 GASMET Modell DX4030 Rucksacktrage Messgaspumpe intern PDA mit Bluetooth Kommunikation zur Anzeige der Messwerte, 25 Komponenten mit PDA, Umprogrammierung 5-10 min, 50 Komponenten auf PC, Umprogrammierung sofort,

27 GASMET Messkomponenten allgemein Anorganische Gase: Organische Gase: CO, CO 2, H 2 O NO, NO 2, N 2 O, NH 3, HCN, NF 3, SO 2, HCl, PCl 3, POCl 3, COS, CS 2, COCl 2, SiF 4, SiCl 4, SO 2 F 2, Alkane, Alkene, Alkine, Aromaten, Ether, Aldehyde, Ketone, Säuren, Ester, Peroxide, N-, Cl-, Br-, F-Komponenten,

28 GASMET DX4030 Messkomponenten speziell Komponentenliste eines DX4030-Kunden aus der Chemie für Luftmessungen -H 2 O, CO, CO 2, SO 2, NO, NO 2, NH 3, COCl 2 -CH 4, Ethen, Acetylen, - Methanol, Ethanol, i-propanol, Phenol, Formaldehyd, Acetaldehyd, Acrolein, Crotonaldehyd, Aceton, Methylvinylketon - Methylchlorid, Allylchlorid, Methylchlorformiat, Propylchlorformiat, Butylchlorformiat, Methylchloracetat, Chloracetylchlorid, Cl-Propionylchlorid Dimethylcarbaminsäurechlorid, - Allylcyanid, Acrylnitril, Propionitril, Hexylamin, Dihexylamin, N-Ethylmorpholin, Butylisocyanat, Phenylisocyanat, - 1,2-Dibromethan, BF 3, Thiophenol, PBr 3, POCl 3 - Keine Referenz: Hydrazin, Keten.

29 GASMET DX4030 Messung von Containern Gase in einem Container Lebensmittel: CO, CO2, Ameisensäure, Essigsäure, Acetaldehyd, Methanol, Ethanol, Ethen Holz: Formaldehyd, Limonen, α-pinen, 3-Caren Drucksachen: i-propanol, MEK, Ethylacetat, 2-Butoxyethylacetat Kleidung, Plastik, Kühlmittel: Styrol, c-hexan, BTX, EB, Aceton, FKW, Desinfektions- und Begasungsmittel Liste der Komponenten für die Containermessung Permanente Gase Alkane Terpene Aromaten O-KW Cl-KW F-KW Sonderkomponenten Alarme von Einzelgasen und Gruppierungen

30 GASMET DX4030 Messung von Containern Ergebnis Containermessung OK

31 GASMET DX4030 Messung von Containern Ergebnis Containermessung ALARM

32 GASMET DX4030 Messung von Containern Ergebnis Containermessung Kompaktanzeige OK

33 GASMET DX4030 Messung von Containern Ergebnis Containermessung Kompaktanzeige ALARM

34 FTIR - Grenzen Signalgröße im Spektrum Nachweisgrenzen bei ca. 1 ppm (S/N = 3 x Rausch), Signalsättigung, kleine Signale unter sehr großen, H 2 S nicht messbar Unbekannte Signale im Spektrum Unbekannte Komponenten, Unbekannte Komponenten im Gemisch, Möglichkeit zur Identifizierung einzelner Gase in Gemischen, aber nicht einfach. Nicht messbar H 2, Cl 2, O 2,

35 FTIR - Grenzen Nachweisgrenzen, S/N = 3 x Rausch) 3 ppm Methanol 0,2 ppm Aceton Anzeige Spektraler Anteil (rot) im Messspektrum (schwarz) Anzeige Spektraler Anteil (rot) und Restspektrum (schwarz) Messspektrum, Container, DX4030, 10 m Zelle

36 FTIR - Grenzen Signalsättigung (max. Ext.=1) Spektraler Anteil (rot) im Messspektrum (schwarz) Spektraler Anteil (rot) und Restspektrum (schwarz) Messspektrum, kontaminierter Container, DX4030, 10 m Zelle 211 ppm n-hexan und 470 ppm Alkane 360 ppm Aromaten 34 ppm Terpene 302 ppm Oxy-KW 1166 ppm Summe

37 FTIR - Grenzen Signalsättigung (max. Ext.=1) Spektraler Anteil (rot) im Messspektrum (schwarz) Spektraler Anteil (rot) und Restspektrum (schwarz) Messspektrum, kontaminierter Container, DX4030, 10 m Zelle 33 ppm α-pinen und 470 ppm Alkane 360 ppm Aromaten 34 ppm Terpene 302 ppm Oxy-KW 1166 ppm Summe

38 FTIR - Möglichkeiten Vor-Ort-Messung, Direktanzeige der Konzentrationen, Kontinuierliche Messung, Konzentrationsverlauf mit Spitzenwerten, Vielkomponentenmessung, ppm Messbereiche. automatische Kompensation von Überlagerungen, Kalibrierung mit Einzelgasen, einfache Methodenerstellung, Keine Nachkalibrierung (außer H 2 O).

39 IR-Spektrensammlung