Volume 68, Issue 10 - 10

Die Laserdiodenspektroskopie (LDS) findet beim selektiven und sensitiven Nachweis vieler gasförmiger Schadstoffe zunehmend Einsatz. Bisher scheiterte die Anwendung bei größeren Molekülen wie Alkohol und Benzol, da diese Moleküle unter Normalbedingungen keine scharfen Absorptionslinien zeigen. Am Beispiel von Benzol, Toluol und Xylol wird untersucht, welche Anforderungen an die Laserquelle eines LDS-Systems für einen selektiven Nachweis zu stellen sind. Da kommerzielle External-Cavity-Laser die Anforderungen bisher nicht erfüllen, wird ein solcher Laser so modifiziert, dass Messungen dieser Schadstoffe möglich sind. Es zeigt sich, dass aufgrund subtiler Eigenschaften der Komponenten die Stabilität des Systems nicht ausreicht, um Benzol in niedrigen Konzentrationen nachzuweisen.

In vielen industriellen Anwendungen besteht ein großer Bedarf an einem rein optischen und damit korrosionsfesten Nachweis von Sauerstoff. Für diesen Zweck wurde ein hochempfindliches, extraktives, lasergestütztes Zweistrahl-Absorptionsspektrometer mit nur 200 mm Absorptionslänge zum O 2 -Nachweis im Bereich des A-Bandes bei 760 nm entwickelt und mit verschiedenen Lasertypen getestet. Mit einem Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser mit 670 μW optischer Leistung wurde auf der R11 R11-Linie bei STP eine exzellente Linearität (R = 0,9999) und eine Nachweisgrenze von 35 ppmV O 2 erreicht. Das entspricht einer optischen Dichte von 7 · 10 −7 und ist nur noch einen Faktor 3 von der Schrotrauschgrenze entfernt. Die normierte Spektrometerempfindlichkeit beträgt damit 7,6 ppmV · m · mW 1/2  · s 1/2 . Über Zeiträume von bis zu 10 Stunden betrug die Stabilität 65 ppmV. Das gleiche System wurde mit einem neuartigen Distributed-Feedback-Laser im externen Planresonator gekoppelt, um bei λ = 1,65 μm CH 4 mit einer Empfindlichkeit von 600 ppb · m nachzuweisen.

Die elektronische Leistungs- und Frequenzmodulierbarkeit von Diodenlasern eröffnet neue Perspektiven für eine Reihe von hochempfindlichen In-situ -Analyseverfahren. Besonders für “heterogene” Medien aus den Bereichen der chemischen Technologie, Biotechnologie und Biomedizin, die häufig Gas-, Flüssig- und Festphase nebeneinander enthalten und starke Lichtstreuung aufweisen, ergeben sich nicht-invasive und z. T. konkurrenzlose Analysetechniken. Mit leistungsmodulierten Lasern können in den Proben Photonendichtewellen ausgelöst werden, deren Detektion und Auswertung u. a. einen nicht-invasiven Zugang zu Absorptions- und Streukoeffizient eröffnet. Der Absorptionskoeffizient gestattet qualitative und quantitative Bestimmung von Inhaltsstoffen. Der Streukoeffizient ermöglicht eine physikalische und morphologische Charakterisierung. Die vorliegende Arbeit zeigt die Anwendbarkeit entsprechender Theorien anhand von einfachen Modelllösungen und ermöglicht einen Vergleich mit Auswertungen nach der Theorie von Kubelka und Munk. Messungen von Humanblutproben werden diskutiert. Ein neues Verfahren zur Bestimmung von Porenfeuchte in Schäumen mit einem frequenzmodulierten Diodenlaser in externer Kavität wird demonstriert.

Mechanische Modelle erleichtern die Berechnung komplizierter Strukturen. Anstelle des sehr einfachen Einmassenmodells ist mit einer Vierpolschaltung und einer Abschlussimpedanz eine genauere Abbildung der Verhältnisse möglich. Die komplizierte messtechnische Bestimmung der Vierpolparameter kann durch eine einfache Impedanzmessung ersetzt werden. Aus der Impedanzfunktion, angegeben als rationale Funktion, wird durch Kettenbruchentwicklung eine Vierpol-Ersatzschaltung bestimmt. Daraus sind die Vierpolparameter berechenbar. Der messtechnische Aufwand für die Messung wird durch einen höheren rechentechnischen Aufwand ersetzt. Das gewonnene Modell ermöglicht aber, das Frequenzverhalten des mechanischen Systems besser zu verstehen.

Diese Arbeit stellt ein neues Messverfahren (DFFM–Methode) zur Bestimmung des Massenstroms in Rohrleitungen vor. Das Verfahren geht geradlinig aus strömungsmechanischen Grundlagen hervor, die zunächst dargestellt werden. Auf der Basis einer Luftströmung in einem Rohr von 100 mm Durchmesser wird ein realisierter Prototyp vorgestellt, mit dem Kalibrationsmessungen und Messungen bei verschiedenen Einbauvarianten (Installationseffekte) durchgeführt werden. Die Messunsicherheiten und Eigenschaften des Gerätes werden besprochen.

In der Automobiltechnik hat die Vermeidung von Kondensatbildung an den Fensterflächen durch die Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit eine besondere Bedeutung. Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Prognose der Wasserdampfkondensation an den Fensterflächen eines Kraftfahrzeuges möglich ist. Ausgehend von den physikalischen Grundlagen wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Kondensationsneigung durch die fuzzy-basierte Schätzung der Scheibenoberflächentemperatur und durch die Messung der absoluten Feuchte bestimmt wird. Die zur Entwicklung und Umsetzung des Algorithmus notwendige KFZ-Messtechnik (IAV Drive-Recorder) und die praktischen Ergebnisse werden abschließend dargestellt.