Fasergekoppelte In-situ-Laserhygrometer auf Basis der direkten Absorptions- und Wellenlängenmodulations-Spektroskopie für minimale Messstrecken

Klein, Alexander

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 Absorptionsspektrometers zur Kombination der beiden meist genutzten TDLAS-Techniken - der direkten Absorptions- und der Wellenlängenmodulations-Spektroskopie. Ein schnelles Zeitmultiplex-Verfahren ermöglicht beide Methoden in einem einzigen Aufbau simultan zu verwenden. Die hierfür aufgebauten Spektrometer nutzen die direkte online Kalibrierung des WMS-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 ohne vorherige Kalibrierung gegen einen bekannten Gasstandard. Die ausgezeichneten Eigenschaften der TDLAS für die innermotorische Gasanalyse wurden in dieser Arbeit genutzt für die Entwicklung und Validierung eines Laserhygrometers für eine kalibrierungsfreie 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 Molekülparameter metrologisch charakterisiert, was die Unsicherheit des Spektrometers massiv verringerte. Speziell die Linienstärke der gewählten Absorptionslinie bei 2,551 [my]m 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 [my]s). 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 [my]mol/mol bei 1500 U/min des geschleppten Motors. Die H2O-Konzentration für den AGR-Rate relevanten Bereich, konnte absolut und kalibrierungsfrei mit ± 570[my]mol/mol bestimmt werden. Die Mittelung der Konzentration über den Kompressionsbereich von mehr als achtzig aufeinanderfolgenden Motorzyklen, ergab eine H2O-Konzentration von 13340 [my]mol/mol mit einer nur geringen Schwankung von 170 [my]mol/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.

Absorption spectroscopy with tunable diode laser (TDLAS) is widely used in applied and fundamental research. The spectral characteristics of the diode lasers and their possibility for fast wavelength tuning enable reliable in situ measurements of absolute gas species concentrations and temperatures with excellent selectivity, sensitivity and scalability. One objective of this work was the development and validation of an absorption spectrometer based on a tunable diode laser which combines the two most commonly used TDLAS-techniques – direct absorption- and wavelength modulation spectroscopy. A newly developed approach using fast time division multiplexed laser modulation allows simultaneous use of both methods in a single setup. The new approach utilizes in process calibration of the WMS-2f/1f signal from absolute species concentration obtained by dTDLAS. Thereby, decreasing the detection limit and enhancing the precision by a factor of five, from 150 nmol/mol*m*Hz1/2 to 34 nmol/mol*m*Hz1/2. This enables absolute measurements of gas concentrations with improved sensitivity, and without prior calibration against a known gas standard. The proven method of TDLAS for in-cylinder gas analysis was used to develop and validate a laser hygrometer for calibration-free in situ H2O measurements in modern car engines. A fiber coupled minimally invasive sensor head was designed to fit an existing 12 mm access point within the combustion chamber, which can be used for a cycle resolved analysis of the exhaust gas recirculation to reduce the pollution. The uncertainty of the spectrometer was greatly reduced by metrological characterizing the spectral molecule parameter. Especially the strength of the chosen absorption line at 2,551 µm was determined with a very low uncertainty of ± 1,15 %. The achieved time resolution of the sensor is 0,9° crank angle at 1500 rpm (100 µs). A stable optical resolution during compression of the engine of 3,7*10-3 was achieved, due to the compact and very robust optics of the minimal invasive sensor head. This led to a signal to noise ratio of 34 at 15000 µmol/mol and 1500 rpm in motored engine operation. The H2O-conecentration could be determined to ± 570 µmol/mol during the relevant compression part for characterizing the exhaust gas recirculation. Averaging of more than eighty successive compression cycles resulted in a water vapor concentration of 13340 µmol/mol with a very low variance of 170 µmol/mol. This results display the excellent stability of the developed spectrometer and hence the possibility to measure the H2O-concentration with crank angle resolution to analyze the exhaust gas recirculation process.

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Klein, Alexander: Fasergekoppelte In-situ-Laserhygrometer auf Basis der direkten Absorptions- und Wellenlängenmodulations-Spektroskopie für minimale Messstrecken. 2017.

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