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Tunable diode-laser absorption-based sensors for the detection of water vapor concentration, film thickness and temperature

Yang, Huinan

Temperature and species concentration are fundamental parameters in combustion-related systems. For optimizing the operation and minimizing the pollutant emissions of combustion devices and to provide validation data for simulations, quantitative measurement techniques of these parameters are required. Laser-based diagnostic techniques are an advantageous tool for in-situ non-intrusive measurement in combustion related systems, e.g. flame reactors, combustors, and shock tubes. Fiber-based multiplexed tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is attractive and employed in this thesis because of compact, rugged packaging, low cost, reliability and relative ease of use. In the present work, water (H2O) is chosen as the target species for the technique, since it has a rich absorption spectrum in the vapor-phase and a broad-band absorption spectrum for the liquid-phase in the near infrared region (NIR). TDLAS two-line thermometry is used to determine the temperature in gas-phase systems with homogenous temperature distribution. However, in many practical environments, temperature varies along the beam path. For this case the temperature-binning technique is used for retrieving non-uniform temperature distributions from line-of-sight (LOS) absorption data with multiplexed five-color absorbance areas. In this thesis, TDLAS was applied to determine the spatially-resolved temperature information inside a low-pressure nanoparticle flame synthesis reactor. The temperature distribution was obtained by assuming the temperature to be constant in variable lengths along the LOS. The length fractions for the temperature values along the LOS are determined using postulated temperature bins. Quantitative knowledge of liquid film thickness is important in many industrial applications. One example is Diesel engine exhaust gas aftertreatment, where NOx reduction via selective catalytic reduction (SCR) is accomplished in the exhaust using sprays of water/urea solutions. In this thesis a novel TDLAS sensor was developed to simultaneously measure the water film thickness, film temperature and vapor-phase temperature above the film. For this sensor four individual NIR wavelengths were selected for optimized sensitivity of the technique. The sensor was first validated using a calibration tool providing known film thicknesses and temperature, and then applied to open liquid water films deposited on a transparent quartz plate. In a collaborative project the technique was also compared with imaging measurements based on laser-induced fluorescence and Raman scattering, respectively. Furthermore, the TDLAS sensor was applied to determine time series data of liquid water film thickness resulting from impinging water jets and subsequent film evaporation on the wall of a gas flow channel.

Temperatur und Spezies-Konzentration sind elementare Kenngrößen in Verbrennungssystemen. Um den Betrieb von Verbrennungs- und Reaktionsprozessen zu optimieren, die Schadstoffemission zu minimieren und außerdem Validierungsdaten für Simulationen zu generieren, sind quantitative Messungen dieser Kenngrößen notwendig. Laserbasierte Diagnostik-Methoden sind nützliche Verfahren für die berührungslose in-situ Messung innerhalb von Verbrennungssystemen wie z.B. Brenner, Flammenreaktoren und Stoßwellenrohren. Absorptionsspektroskopie mit mehreren faserbasierten und abstimmbaren Laserdioden (tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS) wurde in dieser Arbeit wegen des kompakten, robusten Aufbaus, der kostengünstigen Komponenten und der Zuverlässigkeit aufgrund der optischen Fasern verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde Wasser (H2O) als Untersuchungssubstanz für diese Methode ausgewählt, da es in zahlreichen technisch relevanten Prozessen, im nahen Infrarot-Bereich (NIR) in der Gasphase ein schmalbandiges und in der flüssigen Phase ein breitbandiges Absorptionsspektrum besitzt. Die TDLAS-zwei-Linien-Thermometrie wird zur Temperaturbestimmung in Verbrennungssystemen mit homogener Temperaturverteilung benutzt. In anwendungsnahen Systemen jedoch ändert sich die Temperatur entlang des Strahlweges. In diesem Fall ist ein Temperatur-binning-Verfahren nötig, um aus einer Absorptionsmessung entlang einer Sichtlinie auch auf ungleichförmige Temperaturverteilungen rückschließen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde TDLAS mit einer Kombination von fünf Wellenlängen eingesetzt, um räumlich aufgelöst Temperaturen innerhalb eines Niederdruck-Nanopartikel-Synthesereaktors zu bestimmen. Dabei wurden Temperaturen bestimmt, indem diese in variablen Längen entlang der Sichtlinie als konstant angesehen wurde. Die Längenanteile dieser Wegstrecken mit verschiedenen Temperaturen wurden für vordefinierte Temperaturbereiche bestimmt. Die quantitative Kenntnis der Filmdicke von flüssigen Filmen ist wichtig für zahlreiche industrielle Anwendungen, z.B. die NOx-Reduktion mittels einer Wasser/Harnstoff-Lösung in selektiv-katalytischer Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) im Abgas von Dieselmotoren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger TDLAS-Sensor entwickelt, um gleichzeitig Filmdicke, Filmtemperatur und Wasserdampftemperatur oberhalb des Films zu messen. Die vier eingesetzten NIR-Wellenlängen wurden hierbei auf optimale Empfindlichkeit hin ausgewählt. Der Sensor wurde zuerst in einer Kalibrationszelle mit bekannter Filmdicke und Filmtemperatur validiert und dann an einem freien Film auf einer transparenten Quarzglas-Platte getestet. Zusätzlich wurde der TDLAS-Sensor verwendet, um zeitaufgelöst die Filmdicke während der Einspritzung- und Verdampfungsprozesse innerhalb eines Strömungskanals zu bestimmen.

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Yang, Huinan: Tunable diode-laser absorption-based sensors for the detection of water vapor concentration, film thickness and temperature. 2012.

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