ATR-Spektroskopie für die Prozessmesstechnik

Wir entwickeln industrietaugliche ATR-Spektrometer zur Analyse der Zusammensetzung flüssiger Proben – und setzen dabei auf innovative Hohl-Zylinder-Geometrien.

Sensoren für die Chemieindustrie

Messsysteme auf der Grundlage der abgeschwächten Totalreflexion (ATR, attenuated total reflection) im nahen (NIR) und mittleren (MIR) Infrarot werden in vielen Laboranwendungen genutzt, um die chemische Zusammensetzung flüssiger Proben zu bestimmen. Da die Wechselwirkung der Probe mit der optischen Strahlung sehr nahe an der Oberfläche des ATR-Kristalls stattfindet (im Bereich weniger Mikrometer) müssen Oberflächenverunreinigungen bei Messungen unbedingt vermieden werden. Im Labor stellt dies in der Regel keine Schwierigkeit dar, da die planaren ATR-Kristalle vor dem Kontakt mit der Probe manuell gereinigt und Messungen in der Regel schnell durchgeführt werden können.

Hohlzylinder-Geometrie ermöglicht automatisierte Reinigung im Prozess

In industriellen Prozessen muss die Reinigung automatisiert und in den Prozessablauf integrierbar sein. Dadurch ergeben sich vollkommen neue Anforderungen an den Aufbau der ATR-Sensoren. Neben einer hohen Druck- und Temperaturstabilität des ATR-Messsystems in Prozessen müssen ATR-Kristalloberflächen so gestaltet sein, dass sie in Reinigungsprozessen gut zugänglich sind. Schwer zu reinigende Kanten oder Hohlräumen sollten daher vermieden werden. Zylindrische Grundkörper sind in dieser Hinsicht vorteilhaft, da sie keine unzugänglichen Ecken aufweisen und z. B. über O-Ring-Dichtungen in vom Prozess getrennte Reinigungskammern zurückgezogen werden können.

© Fraunhofer IPM
Robuste ATR-Spektrometer für den Einsatz im industriellen Umfeld: Für eine problemlose Reinigung der ATR-Kristalle setzt Fraunhofer IPM beim Aufbau von ATR-Spektrometern auf eine Hohlzylinder-Geometrie. Saubere Kristalloberflächen sind nötig, um einen ungestörten Stoffaustausch an der Oberfläche des ATR-Elements zur gewährleisten.

Prozesstauglicher ATR-Sensor für die Isocyanaten-Produktion

Im öffentlich geförderten, industriell geführten Verbundprojekt »ZYRAT« entwickelt Fraunhofer IPM eine neuartige, besonders robuste ATR-Prozesssonde mit einem hohlzylinderförmigen ATR-Element. Ungeachtet der praktischen Vorteile in Bezug auf die Reinigungsmöglichkeit eines zylinderförmigen Prozesssensors sollen die typischen Leistungsparameter eines ATR-Sensors (Sensitivität, Selektivität und Stabilität) unbeeinträchtigt bleiben. Ziel ist ein Prozesssensor für die industrielle Anlagen- und Prozessüberwachung in der chemischen Industrie bei der Produktion von Isocyanaten. Das Funktionsmuster eines solchen Sensors wurde erfolgreich in einer Laborumgebung mit Ersatzstoffen getestet. Anwendungsuntersuchungen mit Isocyanaten sind in den nächsten Monaten geplant.

Teile dieser Arbeiten wurden im Rahmen der BMBF-Ausschreibung »Digitale Optik« im Verbundprojekt »ZYRAT« (13N14188) gefördert.