| Zugriffsnummer | 40223 |
| Dokumenttyp | Dissertation |
| Sprache | Deutsch |
| Titel | Fasergekoppelte In-situ-Laserhygrometer auf Basis der direkten Absorptions- und Wellenlängenmodulations-Spektroskopie für minimale Messstrecken |
| Autor(in); Institution |
Klein, Alexander; 3.2, Gasanalytik und Zustandsverhalten, PTB-Braunschweig
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| Quelle/Jahr | (2017), IX, 124 S. |
| Dissertationsvermerk | Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2017 |
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| Zusammenfassung | In der angewandten- und der Grundlagenforschung hat die Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Diodenlasern (TDLAS) vielfachen Einsatz gefunden. Die hervorragenden spektralen Eigenschaften der Diodenlaser sowie die mögliche schnelle Abstimmung der Wellenlänge erlauben eine zuverlässige In-situ-Bestimmung absoluter Gasspezieskonzentrationen und -temperaturen mit hoher Sensitivität, Selektivität und Skalierbarkeit. Ein Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Validierung eines auf Diodenlasern basierenden Absorptionsspektrometers zur Kombination der beiden meist genutzten TDLAS-Techniken – der direkten Absorptions- und der Wellenlängenmodulations-Spektroskopie. Ein dafür entwickeltes schnelles Zeitmultiplex-Verfahren der Lasermodulation ermöglicht beide Methoden in einem einzigen Aufbau simultan zu verwenden. Diehierfür aufgebauten Spektrometer nutzen die direkte online Kalibrierung des WMS-2f/1f Signals durch die mit dTDLAS gleichzeitig ermittelte absolute Spezieskonzentration. Hierdurch konnte die Nachweisgrenze und die Präzision um das Fünffache von 150 nmol/mol·m·Hz1/2 auf 34 nmol/mol·m·Hz1/2 verbessert werden. Dies ermöglicht Messungen absoluter Gaskonzentrationen ohnevorherige Kalibrierung gegen einen bekannten Gasstandard mit gesteigerter Sensitivität. Die ausgezeichneten Eigenschaften der TDLAS für die innermotorische Gasanalyse wurden in dieser Arbeit genutzt für die Entwicklung und Validierung eines Laserhygrometers für eine kalibrierungs-freie In-situ H2O-Bestimmung mit fasergekoppelten Sensorkopf für den minimal-invasiven Einsatz mit nur einem 12 mm kleinen Zugang zur Brennkammer des Verbrennungsmotors, um damit prinzipiell eine zyklusaufgelöste Analyse der Abgasrückführung zur Emissionsreduktion in modernen PKWs zu ermöglichen. Für die Entwicklung des Spektrometers wurde zunächst eine passende Absorptionslinie selektiert und die spektralen Molekülparametermetrologisch charakterisiert, was die Unsicherheit des Spektrometers massiv verringerte. Speziell dieLinienstärke der gewählten Absorptionslinie bei 2,551 μm konnte mit einer sehr kleinen Unsicherheit von ± 1,15 % vermessen werden. Der Sensor erreichte eine Zeitauflösung von 0,9° Kurbelwinkel bei 1500 U/min des Motors (100 μs). Durch die stabile und kompakte Optik des Sensorkopfes war die optische Auflösung in der betrachteten Kompressionsphase über 130 Motorzyklen stabil bei 3,7·10-3. Dies führte zu einem SNR von 34 bei 15000 μmol/mol bei 1500 U/min des geschleppten Motors. Die H2O-Konzentration für den AGR-Rate relevanten Bereich während der Kompression, konnte absolut und kalibrierungsfrei mit ± 570 μmol/mol bestimmt werden. Die Mittelung der Konzentrationüber den Kompressionsbereich von mehr als achtzig aufeinanderfolgenden Motorzyklen, ergab eine H2O-Konzentration von 13340 μmol/mol mit einer nur geringen Schwankung von 170 μmol/mol. Dieses Ergebnis bestätigt die ausgezeichnete Stabilität des Spektrometers und die damit verbundene Möglichkeit die H2O-Konzentration für eine AGR-Analyse innerhalb des Motors zyklusaufgelöst zu bestimmen. |
