Ultraviolett-Fluoreszenz-Methode (UVF)

Inhaltsverzeichnis

Messprinzip

Was ist die Ultraviolett-Fluoreszenzmethode (UVF)?

Fluoreszenz ist die Emission von Licht durch eine Substanz, die Lichtenergie absorbiert hat, beispielsweise ultraviolettes Licht. Wenn ein Molekül Lichtenergie absorbiert, gelangt es in einen instabilen, energiereichen Zustand (angeregter Zustand) und kehrt nach der Emission von Licht in den ursprünglichen Energiezustand (Grundzustand) zurück.

Handelt es sich bei der gemessenen Komponente beispielsweise um Schwefeldioxid (SO₂) im Messgas führt die Bestrahlung des Messgases mit ultravioletter Strahlung einer bestimmten Wellenlänge (190 nm-230 nm) zu Fluoreszenz. Wenn SO₂-Moleküle mit UV-Strahlung bestrahlt werden, absorbieren sie die UV-Strahlung und gehen mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einen angeregten Zustand (SO₂*) über, und die SO₂* kehrt in den Grundzustand zurück, indem UV-Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert wird, die länger ist als die Wellenlänge der absorbierten UV-Strahlung. (Gleichung 1)

Gleichung 1: Fluoreszenzreaktion (für SO₂)

(1) zeigt, dass SO₂die Energie hv1 der UV-Strahlung absorbiert, um in einen angeregten Zustand zu gelangen, und
(2) zeigt, dass die Energie hv2 der UV-Strahlung emittiert wird, wenn das SO₂* im angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehrt.

Da die SO₂-Konzentration proportional zur Intensität der durch SO₂* verursachten Fluoreszenz (240-420 nm) ist, wird die SO₂-Konzentration durch Detektion der Intensität der Fluoreszenz.

Dieses Prinzip wird für die kontinuierliche Konzentrationsmessung von Schwefeldioxid (SO₂) in einem Messgas genutzt.
In den folgenden Abschnitten wird die Messung der SO₂-Konzentration in einem Messgas mittels UVF beschrieben.

Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators mit UVF

Der Gasanalysator mit UVF strömt ein Messgas in eine Fluoreszenzzelle, und die UV-Fluoreszenz (Gleichung 1) wird durch die UV-Strahlung und die SO₂verursachtin der Fluoreszenzzelle wird selektiv durch einen optischen Filter geleitet und von einem Photodetektor zur Messung der Gaskonzentration detektiert (Abbildung 1).

Abbildung 1: Aufbau und Funktionsweise eines Gasanalysators mit UVF

Aufbau und Funktionsprinzip eines Schwefeldioxid (SO₂)-Gasanalysators

In diesem Abschnitt werden der Aufbau und die Funktionsweise eines Gasanalysators erläutert, der kontinuierlich SO₂ in der Umgebungsluft misst.

Ein Beispiel für die Gesamtstruktur des Analysators ist in Abbildung 2 dargestellt. Als UV-Lichtquelle kommt eine Xenon-Blitzlampe zum Einsatz. Um die SO₂-Konzentration kontinuierlich und mit hoher Genauigkeit zu messen, verfügt der Analysator über verschiedene Mechanismen zur Reduzierung von Fehlerfaktoren für die Messung, einschließlich eines Detektors zur Kompensieren Sie Änderungen der Lichtintensität durch die Xenon-Blitzlampe.

Abbildung 2: Aufbau und Funktionsweise des UV-Fluoreszenz-Gasanalysators

Das Funktionsprinzip ist wie folgt.

Das Messgas wird mit ultraviolettem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, während es durch eine Fluoreszenzzelle strömt. Abhängig von der SO₂-Konzentration im Messgas ändert sich die UV-Lichtabsorption und damit auch die Intensität des Fluoreszenzlichts. Die Fluoreszenz tritt als Durchlicht, das durch einen optischen Filter ausgewählt wird, in den Detektor ein und wird von einem Photodetektor (Photomultiplier-Röhre) detektiert. Dieses detektierte Signal wird verarbeitet, um die SO₂-Konzentration zu berechnen und so die SO₂-Konzentration im Messgas kontinuierlich zu messen.

Reduzierung von Einflussfaktoren auf die Messung (Bild 3)

Die Messung der SO₂-Konzentration mit UVF wird durch die reduzierte Lichtintensität der UV-Lichtquelle und spezifische aromatische Kohlenwasserstoffe im Messgas beeinflusst. Der Analysator mit UVF reduziert diese Einflussfaktoren durch verschiedene Mechanismen und Funktionen.

Abbildung 3: Reduzierung von Einflussfaktoren auf die Messung.

Reduzierung des Einflusses von Ultraviolett-Lichtquellen

Um auch bei geringer Konzentration des gemessenen Gases eine ausreichende Fluoreszenz zu erzeugen, wird als UV-Lichtquelle eine Xenon-Blitzlampe mit hoher Leuchtdichte verwendet. Eine Xenon-Blitzlampe emittiert Licht mit verschiedenen Wellenlängen, wenn also das Licht die Fluoreszenzzelle wie Anregungslicht durchlässt, ist die Fluoreszenz anders als SO₂ überträgt auch den Detektor und beeinflusst den Messwert. Um diesem Einfluss entgegenzuwirken, verwendet HORIBA mehrere reflektierende optische Filter, um die notwendigen Wellenlängen für das Anregungslicht auszuwählen. Da die Menge an UV-Licht der Xenon-Blitzlampe durch Langzeitbeleuchtung reduziert wird, werden Änderungen der Lichtintensität mit einem Kompensationsdetektor für die Lichtintensität gemessen, und die SO₂-Konzentration wird entsprechend der festgestellten Änderung korrigiert.

Reduzierung des Einflusses von Streulicht auf den Photodetektor

Optisches Design zur Reduzierung von Streulicht in der Fluoreszenzzelle reduziert das Rauschen bei der Fluoreszenzmessung. Die Innenwand der Leuchtstoffröhre ist speziell beschichtet, um die Reflexion des Anregungslichts zu reduzieren. Diese Maßnahmen reduzieren den Streulichteinfall auf den Fotodetektor. Darüber hinaus verhindert die spezielle Beschichtung an der Innenwand der Fluoreszenzzelle die Absorption von SO₂.

Reduzierung des Einflusses von Gaskomponenten

Aromatische Kohlenwasserstoffe wie Toluol und Xylol, die UV-Strahlung absorbieren und Fluoreszenz abgeben, beeinflussen SO₂-Messung. Um diesen Einfluss zu verringern, werden diese Gase durch eine aromatische Kohlenwasserstoff-Entfernereinheit entfernt, bevor das Messgas zur Fluoreszenzzelle strömt. Zusätzlich wird ein optischer Filter eingesetzt, der selektiv SO₂-Fluoreszenz durchlässt, um den Einfluss der Fluoreszenz durch andere Gase zu reduzieren.

Vergleich mit der nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsmethode (NDIR)

HORIBA verwendet entweder die ultraviolette Fluoreszenzmethode (UVF) oder die nichtdispersive Infrarotabsorptionsmethode (NDIR) als Messmethode des Analysators zur Messung von SO₂. HORIBA bietet die optimalen Analysatoren für den Einsatzzweck und die Betriebsumgebung, indem es die Eigenschaften jeder Methode nutzt. In diesem Abschnitt werden die Funktionen beider Methoden zusammengefasst. (Tabelle 1)

Klicken Sie hier, um weitere Informationen zur nichtdispersiven Infrarotabsorption (NDIR) zu erhalten.

Diese Tabelle ist ein Vergleich unserer Produkte.

Tabelle 1: Vergleich der ultravioletten Fluoreszenzmethode und der nichtdispersiven Infrarotabsorptionsmethode (SO₂)

Die Auswahl des optimalen Verfahrens erfolgt im Wesentlichen anhand des Messkonzentrationsbereichs SO₂. Bei der Messung von SO₂ in der Umgebungsluft wird beispielsweise ein UVF-Analysator und bei der Messung von SO₂ in Abgasen ein NDIR-Analysator verwendet.