Minimalinvasives, doppelt fasergekoppeltes Laserhygrometer für die schnelle in-situ Gasanalyse mit Absorptionslängen im Millimeterbereich
-
Alexander Klein ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe für Metrologische Molekülspektroskopie. Sein Hauptarbeitsgebiet ist die Laser- und Molekülspektroskopie sowie die Entwicklung von Spektrometern für die optische Gasanalyse.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Fachbereich 3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig
and
Volker Ebert (Physiker, promoviert und habilitiert in physikalischer Chemie) ist Leiter des Fachbereiches 3.2 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, außerplanmäßiger Professor im Fachbereich Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt und Leiter der Gruppe
Analytical Photonics . Die wichtigsten Arbeitsgebiete sind Grundlagen und Metrologie der Laser-, Molekül-, und FTIR-Spektroskopie, Bestimmung rückgeführter Spektraldaten für Remote Sensing, Entwicklung und Anwendung spektroskopisch-analytischer Methoden in der Industrie (schnelle in-situ Prozessdiagnostik) und in den Umweltwissenschaften (airborne sensing), sowie die präparative und die analytische Forschung in den Bereichen Gasfeuchte (PTB, AG 321) und Aerosole (PTB, AG 323).Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Fachbereich 3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig
Zusammenfassung
Die direkte Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbaren Diodenlasern (dTDLAS) ist ein vielversprechendes Analysenverfahren für eine schnelle, hoch-selektive, empfindliche, kalibrierungsfreie, in-situ Analyse von Gaskomponenten. Für viele optisch schlecht zugängliche Anwendungen, bspw. in der Prozess- oder Verbrennungsanalyse, sind jedoch extrem kompakte, minimalinvasive, fasergekoppelte Sensoren besonders interessant. Dies gilt vor allem für die schnelle Gasanalyse in Verbrennungsmotoren, aufgrund der extremen schnell variablen Prozessbedingungen und der sehr begrenzten Zugangsmöglichkeiten.
Für extrem platzbeschränkte Anwendungen bspw. in der Motordiagnostik wurde ein neues, dank doppelter Faserkopplung, sehr kompaktes, Laserhygrometer im kurzwelligen Infrarot entwickelt. Das sehr schnelle Spektrometer verfügt über einen minimalinvasiven Sensorkopf, dessen Sensoroptik – mit einem Außendurchmesser von 12 mm – die Größe einer handelsüblichen Zündkerze hat und in den Motorblock eingeschraubt werden kann. Dank einer einfach gefalteten, nur 21 mm langen Wegstrecke, ermöglicht er, stark lokalisierte, in-situ Wasserdampfmessungen am Zündkerzenport eines Motors, mit kHz Repetitionsrate und einer Zeitauflösung im μs-Bereich.
Anhand eines im Rahmen der Arbeit hergestellten, voll funktionsfähigen Sensorprototyps wurde das spektroskopische, optische und mechanische Konzept erfolgreich an einer Hochdruckzelle validiert. Dabei wurde bei 100 μs Zeitauflösung eine optische Auflösung der Absorbanz von 3E-3 erreicht. Der Sensor ermöglicht hierbei eine kalibrierungsfreie H2O Messung mit einer Detektionsgrenze von 0.06 Vol.-% und einem Dynamikbereich von 0.1 Vol.-% bis 100 Vol.-%. Druckbereiche von 0.1–0.5 MPa wurden erfolgreich realisiert, so dass der Kompressionstakt eines Motors sehr gut untersucht werden kann. Desweiteren konnten die Unsicherheiten für die H2O Messung mittels dTDLAS, durch die Bestimmung der benötigten molekularen Parameter (z. B. Linienstärke) mit hoher Genauigkeit, maßgeblich verbessert werden.
Abstract
Direct tunable diode laser absorption spectroscopy (dTDLAS) offers the possibility for highly selective, fast, calibration-free and sensitive in-situ measurements of individual gas components. Minimally invasive fiber-coupled sensors are especially interesting for numerous applications e. g. process or combustion analysis, where compact optical sensors for applications with limited optical access are required. Especially the sensor development for the gas analysis in internal combustion engines is challenging as harsh environmental conditions, very high time resolution and very confined space have to be considered.
Hence, a new, very compact, fully fiber-coupled, minimally invasive sensor head was developed for highly localized absorption measurements with millimeter range path lengths in space confined applications with a time resolution in the range of μs. The sensor optics has the dimensions of a typical engine spark plug, i. e. a small outer diameter of only 12 mm, and can be screwed in the typical sparkplug port of an engine. Owing to only a few millimeters absorption path length it allows the realization of highly localized in-situ H2O measurements e. g. in engines.
A sensor prototype was fabricated and a validation of the spectroscopic, optical and mechanical concept was successfully conducted. At 10 kHz repetition rate we achieved an optical resolution of 3E-3 absorbance. The sensor enables calibration-free H2O measurements at 100 μsec time resolution with a detection limit of 0.06 Vol.-% and with a dynamic range from 0.1 Vol.-% up to 100 Vol.-%. A pressure range from 0.1 to 0.5 MPa could be covered, which is well suited for monitoring the compression cycle of a typical engine. Further, the uncertainties for water vapor measurements using the dTDLAS concept were significantly improved by measuring the required molecular parameter (e. g. linestrength) with high accuracy.
Über die Autoren
Alexander Klein ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe für Metrologische Molekülspektroskopie. Sein Hauptarbeitsgebiet ist die Laser- und Molekülspektroskopie sowie die Entwicklung von Spektrometern für die optische Gasanalyse.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Fachbereich 3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig
Volker Ebert (Physiker, promoviert und habilitiert in physikalischer Chemie) ist Leiter des Fachbereiches 3.2 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, außerplanmäßiger Professor im Fachbereich Maschinenbau der Technischen Universität Darmstadt und Leiter der Gruppe Analytical Photonics. Die wichtigsten Arbeitsgebiete sind Grundlagen und Metrologie der Laser-, Molekül-, und FTIR-Spektroskopie, Bestimmung rückgeführter Spektraldaten für Remote Sensing, Entwicklung und Anwendung spektroskopisch-analytischer Methoden in der Industrie (schnelle in-situ Prozessdiagnostik) und in den Umweltwissenschaften (airborne sensing), sowie die präparative und die analytische Forschung in den Bereichen Gasfeuchte (PTB, AG 321) und Aerosole (PTB, AG 323).
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Fachbereich 3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig
©2015 Walter de Gruyter Berlin/Boston
Articles in the same Issue
- Frontmatter
- Editorial
- 58. Ilmenauer Wissenschaftliches Kolloquium – Nanomesstechnik und Prozessmesstechnik
- Beiträge
- Challenges in nanometrology: high precision measurement of position and size
- Ongoing trends in precision metrology, particularly in nanopositioning and nanomeasuring technology
- High-resolution fiber-coupled interferometric point sensor for micro- and nano-metrology
- Ein kompakter Tastschnittsensor als Teil eines Multi-Sensor-Systems für Nanomessmaschinen
- Minimalinvasives, doppelt fasergekoppeltes Laserhygrometer für die schnelle in-situ Gasanalyse mit Absorptionslängen im Millimeterbereich
- Analyse, physikbasierte Modellierung und Systemidentifikation von Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK)
- Einsatzblock mit einer Mehrfachfixpunktzelle für einen Temperatur-Blockkalibrator
Articles in the same Issue
- Frontmatter
- Editorial
- 58. Ilmenauer Wissenschaftliches Kolloquium – Nanomesstechnik und Prozessmesstechnik
- Beiträge
- Challenges in nanometrology: high precision measurement of position and size
- Ongoing trends in precision metrology, particularly in nanopositioning and nanomeasuring technology
- High-resolution fiber-coupled interferometric point sensor for micro- and nano-metrology
- Ein kompakter Tastschnittsensor als Teil eines Multi-Sensor-Systems für Nanomessmaschinen
- Minimalinvasives, doppelt fasergekoppeltes Laserhygrometer für die schnelle in-situ Gasanalyse mit Absorptionslängen im Millimeterbereich
- Analyse, physikbasierte Modellierung und Systemidentifikation von Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK)
- Einsatzblock mit einer Mehrfachfixpunktzelle für einen Temperatur-Blockkalibrator
