Von Impedanz- bis Raman-Spektroskopie

Elektrische und thermische Impedanzspektroskopie für die Flüssigkeitsanalytik

Von Impedanz- bis Raman-Spektroskopie

ATR-Messtechnik zur Bestimmung der Zusammensetzung von Flüssigkeiten und Filmen

Flüssigkeitsmesstechnik

Impedanzspektroskopie

Mit der Kombination von elektrischer und thermischer Impedanzspektroskopie verfolgt Fraunhofer IPM völlig neuartige Sensorkonzepte. Mittels Impedanzmessung lassen sich die thermischen Eigenschaften einer Flüssigkeit bestimmen. Diese sind direkt mit weiteren Eigenschaften wie zum Beispiel der Viskosität verknüpft. Durch die Kombination mehrerer thermischer Messstrukturen lassen sich außerdem Fließgeschwindigkeit und -richtung messen. Die Impedanzspektroskopie kann beispielsweise zur Überwachung von Alterungsprozessen in Ölen, zur Überwachung von Versottungsprozessen und anderer Vorgänge in chemischen Reaktoren genutzt werden.

 

3-Omega-Methode

Fraunhofer IPM entwickelt  robuste und temperaturstabile Sensortechnik (bis 250 °C) in Mikrosystemtechnik, die industriellen Anforderungen genügt. Leistungsfähige Online-Diagnosesysteme erkennen erstmals frühzeitig den  »Fouling«-Prozess (Verschmutzung, Belag) in chemischen Anlagen und Reaktoren. Genutzt wird dabei die sog. »3-Omega-Methode«, die erstmalig für die Diagnostik chemischer Prozesse eingesetzt wird. Die Methode beruht auf der Auswertung eines thermischen Signals und ermöglicht zusätzlich die Bestimmung weiterer temperaturabhängiger Prozessparameter wie Wärmefluss, Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität. Das Potenzial dieser Messmethode für die Prozesstechnik ist außerordentlich hoch. Derzeit werden 3-Omega-Messungen für die chemische, pharmazeutische und biotechnologische Industrie erprobt. Aufgrund der universellen Einsatzfähigkeit des Verfahrens sind zukünftig ebenso Anwendungen in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie, beispielsweise in Pasteurisier- und HTST-Anlagen (»High Temperature Short Time«) denkbar.

 

ATR - Attenuated Total Reflexion

Fraunhofer IPM entwickelt seit mehr als 15 Jahren Mess- und Regelsysteme zur Überwachung von Prozessflüssigkeiten, die auf der abgeschwächten Totalreflexion im mittleren Infrarot (ATR) basieren. Die Systeme sind direkt im Prozess einsetzbar. Sie liefern Analysedaten zur chemischen Zusammensetzung flüssiger Medien online und erlauben so eine unmittelbare Prozessregelung.

 

Raman-Spektroskopie

Raman-Spektrometer liefern charakteristische »Fingerprints« von Flüssigkeiten, die es erlauben, auch molekular sehr ähnliche Strukturen zu unterscheiden. Daher setzt Fraunhofer IPM für die Flüssigkeitsanalytik zunehmend auch auf die Raman-Spektroskopie, die der »konventionellen« IR-Reflexionsspektroskopie in einigen Bereichen deutlich überlegen ist. Ziel der Arbeiten am Institut ist die vollautomatisierte Prozesskontrolle in der Chemie- und der Lebensmittelindustrie mit robusten, industrietauglichen Raman-Spektrometern.

Was schmeckt die »elektronische Zunge«?

© Foto Fraunhofer IPM

Die thermische und elektrische Impedanzspektroskopie eignet sich zur Bestimmung der Eigenschaften von Flüssigkeiten und Festkörpern. Als »elektronische Zungen« oder durch »elektronische Haptik« messen mikrostrukturierte Messsonden verschiedene Größen simultan:

  • physikalische Größen wie Temperatur, Leitfähigkeit, Kapazität, Ladungsträgerbeweglichkeit, Grenzflächenwiderstände
  • chemische Größen wie pH-Wert, Grenzflächenpotential, Korrosivität
  • mechanische Größen wie Elastizität, Härte, Oberflächenrauheit, Druck und Strömung.

Der so gewonnene Informationsgehalt ist deutlich höher als bei einer Messung mit einzelnen Sensoren. Das kombinierte Verfahren erhöht den Umfang der Qualifizierung, verbessert Messgenauigkeit und Ausfallsicherheit und verringert Querempfindlichkeiten. Zudem ist ein großer Temperaturbereich möglich.

Die potenziellen Anwendungen – etwa in der Produktionskontrolle, der Robotik, im Umwelt-Monitoring oder der Qualitätskontrolle – sind vielfältig.