Einsatz von MEMS basierten Infrarot-Emittern für hochempfindliche Multigasanalysesysteme

Inhalt:
Für die Messung infrarotaktiver Gase werden seit über 80 Jahren Absorptionsverfahren unter Verwendung thermischer Emitter eingesetzt. Seit einigen Jahren werden zunehmend MEMS basierte thermische Emitter eingesetzt, die sich einfacher und schneller mittels einer elektrischen Ansteuerung modulieren lassen. Für die Anwendung in industriellen Multigasanalysesystemen, bei denen mehrere Gase gleichzeitig in nur einer Gasküvette mit langen Absorptionsstrecken nach dem NDIR-Prinzip gemessen werden sollen, sind hohe Anforderungen zu erfüllen: - Durch die gleichzeitige Messung von Gasen mit verschiedenen Absorptionsstärken ist eine hohe Messdynamik erforderlich, um ähnliche Messbereiche für alle Gase realisieren zu können. - Im industriellen Einsatz ist eine hohe Messgenauigkeit über einen großen Temperaturbereich zu gewährleisten. Dabei ist eine Temperierung des Messgerätes nur bedingt möglich. - Bei kleinstmöglichen Geräteabmessungen soll eine hohe Messauflösung und Genauigkeit sowie niedrige Nachweisgrenzen der zu messenden Gase erreicht werden. - Die Zyklen für eine Nachkalibrierung oder einen Nullabgleich im Messeinsatz sollen möglichst lang sein und nach Möglichkeit mehrere Monate bis Jahre betragen. Wesentliche Ansatzpunkte diese Anforderungen zu erreichen besteht darin, das Grundrauschen gering zu halten und eine hohe Stabilität der Messung zu erreichen. Damit wird eine niedrige Nachweisgrenze der Gasmessung und eine geringe Nulliniendrift erreicht. Für beide Aspekte ist der thermische Emitter eine wesentliche Komponente im Messprozess, da er durch seine hohe Temperatur im Bereich mehrerer hundert °Celsius und seine modulierte Betriebsart zu Fluktuationen in der Strahlungsleistung neigt und über längere Zeiträume degradieren kann. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen verschiedener Arten der Ansteuerung mittels Rechteck- und Sinusmodulation sowie einer Leistungsregelung anhand von längeren Zeitreihen vorgestellt und diskutiert. Darüber hinaus wird vorgestellt, wie ein in das MEMS-Strahlergehäuse integrierter Infrarotsensor zur Kompensation langfristiger Drifteffekte genutzt werden kann.