LED – Spektroskopie für Sensoranwendungen

Verbrennungsmaschinen sind eine wesentliche Ursache für die Emission von gesundheitsgefährdenden und umweltschädlichen Stoffen wie bspw. toxischen Gasen und Partikeln. Während heute die Schadstoffreduktion von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen mit Hilfe von Oxidationskatalysatoren sehr effektiv realisiert werden kann, stellt insbesondere die gleichzeitige Reduktion der Stickoxid- und der Partikelemission ein Problem dar. Neuartige Adsorberkatalysatoren in Kombination mit einer stickoxidorientierten Motorregelung können derartige Emissionen effektiv reduzieren und ermöglichen zusätzlich einen kraftstoffsparenden Motorbetrieb. Ein für diese Motorregelung benötigter in-situ Abgassensor erfordert insbesondere die getrennte Detektion von NO und NO2. Ein derartiger Sensor ist gegenwärtig nicht verfügbar. Daher ist in der vorliegenden Arbeit ein neuartiges LED-basiertes Sensorsystem zur Messung von Schadgasen im Abgaskanal von Verbrennungsmaschinen entwickelt worden. Dieses basiert auf der wellenlängenabhängigen Absorption der Zielgase und ist somit in der Lage, diese Gase bzgl. der Anwendung selektiv zu detektieren. Das realisierte Sensorsystem nutzt eine fasergekoppelte robuste Absorptionsmesszelle, um eine räumliche und mechanische Trennung zwischen der rauen Messumgebung und der demgegenüber empfindlichen Optoelektronik des Sensors zu ermöglichen. Der derzeit realisierte Aufbau ist in der Lage, NO2 und SO2 selektiv mit einer Auflösung von deutlich weniger als 1 ppm bei einer Messzeit von 100 ms in einem 4 cm langen Reflexionssensor zu messen. Es können Konzentrationen in einem Bereich von 0 ppm bis deutlich mehr als 1000 ppm detektiert werden. Die ebenfalls benötigte selektive NO-Messung kann in das Messsystem integriert werden, sobald die hierfür notwendige DUV-LED verfügbar ist. Die Einbindung einer solchen Messung in das System ist bereits theoretisch in der vorliegenden Arbeit betrachtet, da bereits Prototypen der benötigten LED präsentiert wurden. Zur Validierung des Messsystems sind auch die Ergebnisse von in-situ Abgasmessungen in der Arbeit vorgestellt. Das hier umgesetzte Sensorkonzept ist auf andere Anwendungen übertragbar. Als Beispiele hierfür sind Ozonmessungen mit einer Auflösung im ppb- Bereich sowie die Konzentrationsmessung von NaCl in Wasser vorgestellt.