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Minimalinvasives, doppelt fasergekoppeltes Laserhygrometer für die schnelle in-situ Gasanalyse mit Absorptionslängen im Millimeterbereich

Authors
  • Klein, Alexander
  • Ebert, Volker
Type
Published Article
Journal
tm - Technisches Messen
Publisher
De Gruyter Oldenbourg
Publication Date
Jul 07, 2015
Volume
82
Issue
7-8
Pages
384–392
Identifiers
DOI: 10.1515/teme-2015-0009
Source
De Gruyter
Keywords
License
Yellow

Abstract

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.

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