Quantitative Messmethoden zur on-line Gasanalyse mit NIR-Diodenlasern Abschlussbericht

1: We developed and characterized new, compact absorption spectrometers for on-line gas analysis (single beam and dual beam setups) using standard near infrared diode lasers (DFB and Fabry-Perot) and used them for quantitative detection of oxygen, methane and potassium (760, 1650, 769 nm). A first optimization step resulted in a time resolution of up to 17 ms or an absorption detection limit of 2.10"-"7, respectively 8 ppm.m O_2 or 1 ppm.m of CH_4 (at p_t_o_t=1 bar). Sensitivity and stability limiting factors have been investigated and especially the dynamic tuning behaviour has been measured and modeled. We developed a new correction strategy which allowed a linearisation of the tuning. At a repetition rate of 6 kHz the deviations could be reduced to less than 0.12 GHz. 2: Gas sensors have been developed and investigated using new external cavity (XC) diode lasers of our cooperation partners: With an XC-System in Littman-configuration (by LZH) we achieved an O_2-detection limit of 30 ppm.m. Using a DFB-Laser in an external plane mirror resonator (by Univ. Kaiserslautern) a methane-detection limit of 14 ppm.m (1 bar) was shown. The stability properties of both systems were investigated. 3: Various different fiber coupled absorption spectrometers based on single or multi mode fibers and different fiber splitters have been developed. Using the dual beam configuration and multi mode fibers we achieved an absorption resolution of 7.10"-"4 if we use polished couplers and 3.10"-"4 if we use fused coupler. On the other hand we could improve the sensitivity by about one order of magnitude of 4,4.10"-"5 resp. 4,9.10"-"5 if we switch to a single beam setup in combination with multi mode resp. single mode fibers. We achieved our best results in the configuration dual beam setup-single mode fibers-fused couplers. Optimizing this configuration the absorption resolution and the time resolution could be improved greatly to 4.10"-"6 and 17 ms. With respect to a detection band width of 1 Hz, this corresponds to a resulution of 5.10"-"7, which has yet not been achieved by other groups using a fiber coupled spectrometer in a comparable setup. (orig.)1: Neue kompakte, absorptionsspektroskopische Gasanalysesysteme (Einstrahl-und Zweistrahlanordnungen) auf Basis unmodifizierter NIR-Diodenlaser (DFB und Fabry-Perot) und diverser Signalauswerteverfahren wurden aufgebaut, ausfuehrlich untersucht und u.a. zum Nachweis von Sauerstoff, Methan und Kalium (760, 1650, 769 nm) eingesetzt. Eine erste Optimierung ergab eine maximale Zeitaufloesung von 17 ms oder eine minimale Absorptionsnachweisgrenze von 2.10"-"7, d.h. von 8 ppm.m bzw. 1 ppm.m fuer O_2/CH_4 (jeweils p=1 bar). Empfindlichkeits- bzw. stabilitaetslimitierende Effekte wie z.B. das dynamische Abstimmverhalten wurden untersucht, modelliert und durch neuartige korrektive Massnahmen unterdrueckt: Linearisierung des Abstimmverhaltens bei 6 kHz auf Abweichungen unter 0.12 GHz. 2: Gasanalysesysteme auf Basis neuartiger, verbundintern entwickelter Diodenlaser im externen Resonator (XC) wurden untersucht: Mit XC-Systemen in Littman-Konfiguration (LZH) konnten O_2-Nachweisgrenzen bis 30 ppm.m erreicht werden. Mit einem DFB-Laser im externen Planresonator (Univ. Kaiserslautern) wurden Methan-Nachweisgrenzen 14 ppm.m (1 bar) erzielt. Mit beiden Systemvarianten wurden Stabilitaetsuntersuchungen durchgefuehrt. 3: Es wurden verschiedene glasfasergekoppelte Diodenlaserspektrometervarianten unter Einsatz von Ein- und Multimodefasern und z.B. verschiedener Verzweigertypen entwickelt. Die Absorptionsaufloesung lag bei Zweistrahlaufbauten mit Multimodefasern im Bereich von 7.10"-"4 bei Einsatz von Schiffkopplern, bzw. 3.10"-"4 fuer Schmelzkoppler. Einstrahlaufbauten in Kombination mit Multimode bzw. Singlemodefasern verbesserten diese Werte um etwa eine Groessenordnung auf 4,4.10"-"5 bizw. 4,9.10"-"5. Die besten Ergebnisse wurden in der Konfiguration Zweistrahlaufbau-Singlemodefaser-Schmelzkoppler erzielt. Durch eine Optimierung der Signalverarbeitung und Umstellung auf eine analogelektronische Version der Integrativspektroskopie konnte die Absorptionsaufloesung auf 4.10"-"6 auf die Zeitaufloesung drastisch auf 17 Millisekunden gesteigert werden. Bezogen auf eine Nachweisbandbreite des Systems von 1 Hz, ergibt sich somit eine bisher von anderen Arbeitsgruppen fuer fasergekoppelte Nachweissysteme (unter vergleichbarem Aufwand und technischen Randbedingunge) noch nicht erreichte Aufloesung von 5.10"-"7. (orig.)Available from TIB Hannover: F98B1715+a / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekSIGLEBundesministerium fuer Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie, Bonn (Germany)DEGerman