Entwicklung eines IR Sensors für Erdgas

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Machbarkeit eines online Sensorsystems für Tetrahydrothiophen (THT) in Erdgas untersucht. THT wird aus Sicherheitsgründen dem Erdgas als Geruchsstoff zudosiert.<br />Städtisches Erdgas besteht aus 98Vol% Methan sowie höheren Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid und Stickstoff.<br />Gerade im online Monitoring hat die IR-Spektroskopie großes Potential, da mit dieser Technologie die kontinuierliche Aufzeichnung von Messdaten möglich ist. Daher erschien diese Technik für die online Messung von THT sehr vielversprechend.<br />Als Messzelle wurde ein Hollow Waveguide (HWG) ausgewählt, welcher eine Polymerschicht als Dielektrikum besitzt und somit die Silberschicht vor dem schwefelhaltigen Probengas schützt. Durch den Einsatz eines HWGs konnte das benötigte Probenvolumen, verglichen zu einer normalen 10 cm Gaszelle, reduziert und die Absorptionsstrecke vergrößert werden.<br />Um die Empfindlichkeit für die Messung von THT weiter zu steigern, wurde ein online Adsorptionverfahren entwickelt und evaluiert. Die Adsorption von Erdgas konnte erfolgreich gezeigt werden, wenngleich damit keine selektive Anreicherung von THT erreicht werden konnte.<br />Um die entwickelten Methoden der Probengasherstellung zu evaluieren und das theoretische Potential der Messung von THT mittels eines FTIR-Spektrometers unter Verwendung eines HWGs als Gaszelle aufzuzeigen, wurde eine lineare Kalibration für THT in N2 erstellt. Die hierbei erreichte Nachweisgrenze von THT liegt bei 13,5 ppmV. Der lineare Bereich erstreckt sich über den gesamten untersuchten Bereich von 13,5 bis 670 ppmV.<br />Um die geforderten 10ppmV THT in der komplexen Matrix von Erdgas messen zu können, wurde ein Quanten Kaskaden Laser mit einer Wellenlänge von 1446,5 cm -1 ausgewählt und bestellt. Durch die scharfe Emissionswellenlänge des Lasers sollte die interferenzfreie Messung einer einzelnen Absorptionsbande von THT möglich sein.<br />Durch den Einsatz dieser neuartigen Lasertechnologie wird das online Monitoring der sicherheitsrelevanten THT-Konzentration bei Verteilerstationen von Erdgas realisierbar sein.<br />

The scope of this diploma thesis was the investigation of the feasability of an online sensor system for the detection of THT in natural gas. THT is added to natural gas on purpose to odorize it. The components of natural gas consist of 98Vol% methane, larger hydrocarbons, carbon dioxide and nitrogen.<br />Especially in the field of online measurement techniques IR spectroscopy has great potential because of its possibility for continous measurements.<br />This fact makes it the ideal choice for the online measurement of THT.<br />A hollow waveguide, which had a polymer coating as its dielectrical layer, was used as a gas sample cell. This polymer layer shielded the silver layer from the sulfurous gas stream. The usage of the hollow waveguide also reduced the needed sample volume and it increased the absorption length.<br />An online adsorption system was developed and evaluated to increase the sensitivity of the sensor. The adsorption of natural gas was proven although no selective enrichment of THT could be achieved.<br />To show the potential of the developed sensorsystem a linear calibration curve of THT in nitrogen was generated. The level of detection reached was of the magnitude of 13,5 ppmV. The linear range spans over the entire area measured from 13,5 to 670ppmV.<br />To be able to detect the demanded value of 10ppmV of THT in the complex matrix of natural gas a quantum cascade laser with an emissionline at 1446,5 cm -1 was selected an ordered. Using this sharp emissionline of the laser the detection of a narrow absorptionline of THT in the gasphase should be achievable.