Schnelle, optische und beruhrungsfreie Bestimmung der Gastemperatur mittels VCSEL-basierter Laserabsorptionsspektroskopie

摘要

Die Gastemperatur stellt in vielen Prozessen einen wichtigen Parameter dar. Gerade in Verbrennungsprozessen steht die Messtechnik aber vor grossen Herausforderungen, da die Lebenszeit und Ersetzbarkeit von Standardtemperatursensoren wie bspw. Thermoelementen durch die aggressiven Randbedingungen stark eingeschrankt sind. Diese Sensoren erreichen auch nicht die Zeitauflosungen, wie sie z. B. fur den Einsatz an Verbrennungsmotoren benotigt werden. Optische Sensoren bieten grosse Vorteile, da sie eine schnelle und beruhrungsfreie In-situ-Analyse der Gasparameter erlauben [1]. Bisherige Systeme verwenden dafur Breitbandlichtquellen [2] oder schmalbandige Lasersysteme [3], um aus den gemessenen Absorptionsprofilen und dem unterschiedlichen Temperaturverhalten der Linienstarken die Temperatur zu extrahieren. Bei schnell ablaufenden Prozessen sind diese Systeme besonders durch den zu untersuchenden Druckbereich beschrankt. Bei Breitbandlichtquellen und der Untersuchung grosser spektraler Bereiche (> 50 cm~(-1)) beschrankt die spektrale Bandbreite der Datenerfassungssysteme die erreichbare optische Auflosung. Diese Systeme sind daher besonders im Unterdruckbereich limitiert, da dort die Absorptionslinien sehr schmal sind und die optische Auflosung dieser Systeme unzureichend ist, um einzelne Absorptionslinien aufzulosen. Bei abstimmbaren, schmalbandigen Lasersystemen, bestehend meist aus zwei Distributed Feedback (DFB) Diodenlasern zur Untersuchung zweier, speziell selektierter Absorptionslinien, ist genau das Gegenteil der Fall [4]. Die Verbreiterung der Absorptionslinien bei hoherem Druck fuhrt dazu, dass die Abstimmtiefe (2 cm~(-1)) dieser Laser nicht ausreichend ist, um die komplette Absorptionslinie zu erfassen. Vereinzelt genutzte nicht abstimmbare, diskrete Laser-Systeme mit einigen wenigen, festen Wellenlangen sind zwingend auf eine Kalibration und zusatzliche Messsysteme zur Ermittlung von Transmissionsschwankungen angewiesen [5]. Das hier vorgestellte Spektrometer vereinigt die Vorteile der bisherigen Ansatze. Durch die Verwendung eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) mit einer Abstimmtiefe bis zu 16 cm~(-1) ist die spektral hochaufgeloste Erfassung mehrerer Absorptionslinien mit nur einem Laser und innerhalb einer Messung moglich. Dadurch kann die Temperaturbestimmung sowohl im Unterdruckbereich als auch bei Drucken bis zu 1 MPa realisiert werden. Durch Verwendung der dTDLAS und der Zwei-Linien-Thermometrie (ZLT) ist eine Kalibration oder die Ermittlung weiterer Korrekturfaktoren nicht notig und Zeitauflosungen von unter 100 μs sind moglich [6].