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Main Title: Investigation of TDLAS for its Application as Primary Standard for Partial Pressure Measurements
Translated Title: Untersuchung von TDLAS um seine Anwendbarkeit als Primär-Normale für Partial-Drucken zu bestimmen
Author(s): Padilla Víquez, Gerardo José
Advisor(s): Kronfeldt, Detlef
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Verwendbarkeit der durchstimmbaren Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS) als Primärmethode für Partialdruck-Messung. Um diese Untersuchung durchführen zu können, konstruierten wir ein 3-Kanal-Spektrometer, das eine Vakuumkammer mit beweglicher Herriott-Zelle umfasst. Weiterhin haben wir eine neue Steuerungs- und Verarbeitungssoftware IPSIAM (Integrated Processing System for Integrated Absorbance Measurements) entwickelt. Es wurde ein Messverfahren auf Basis der direkten numerischen Integration des Absorptionsvermögens (nach dem Beer-Lambert-Gesetz) eingesetzt. Um die Genauigkeit der Eingangsgrößen unseres Messverfahrens zu verbessern, entwickelten wir drei neuartige Messsysteme, die trotz ihrer Einfachheit Verbesserungen bei der Lösung ihre jeweiligen Aufgaben lieferten. Das erste Messsystem erlaubte die gleichzeitige indirekte Messung der Ein- und Ausgangsintensität. Die so erreichte relative Unsicherheit der optischen Transmission beträgt nur 0.1 % (k = 1). Das zweite Messsystem beruht auf der Anwendung eines Linearmodells zur Charakterisierung der Herriott-Zelle ohne diese aus der Kammer entfernen zu müssen. Eine indirekte Messung der Herriott-Zellenparameter (wirksamer Krümmungsradius und Distanz der Spiegel) wurde so ermöglicht. Es wurde eine relative Unsicherheit von 0.01 % (k = 1) erreicht. Das dritte System ermöglichte die direkte Messung der Gastemperatur unter Verwendung von zwei PT-100-Sensoren im Inneren der Vakuumkammer. Mit dieser Methode ließ sich die Unsicherheit der Gastemperatur um einen Faktor 100 auf 0.002 % verringern. Nachdem eine nicht vernachlässigbare Apparatefunktion des Spektrometers beobachtet wurde, entwickelten wir einen neuen Algorithmus zur Entfaltung von Spektren. Damit konnte der durch die Apparatefunktion auftretende Integrationsfehler beseitigt werden. Nach unserem Wissensstand ist dies der erste Entfaltungs-Algorithmus, der in der Lage ist, Messungen des vorliegenden Typs zu korrigieren. Ein weiterer neu entwickelter Algorithmus erlaubt die Messung des Gesamt-Absorptionsvermögens und erstmals die Berechnung der zugehörigen Unsicherheit gemäß GUM. Um die Genauigkeit der Ergebnisse der Messungen (Linienintensitäten und Partialdruck) zu verbessern, haben wir wiederholt gemessen und analysierten die Ergebnisse mit Hilfe der Funktional-Struktural-Linearanalyse. Mit unserem System konnten wir mehrere Linienintensitäten von CO2 mit einer relativen Unsicherheit von 1.0 % (k = 2, Vertrauensniveau von ungefähr 95 %) messen. Das ergab eine Verbesserung der Genauigkeit um wenigstens den Faktor 4 (wahrscheinlich sogar den Faktor 10) im vergleich zu den Unsicherheiten in HITRAN. Dennoch stimmen unsere Ergebnisse mit den in HITRAN gegebenen Werten überein. Wir haben dem Partialdruck von CO2 mit einer relativen Unsicherheit von 1.5 % (k = 2, Vertrauensniveau von ungefähr 95 %) gemessen. Unsere Ergebnisse stehen in Übereinstimmung mit den entsprechenden gravimetrischen Werten der PTB-Braunschweig (für eine Mischung von 5 % CO2 in N2) und der BAM (für eine Mischung von 0.1 % CO2 in N2). Unsere Messungen sind die ersten rückführbaren TDLAS-Messungen der entsprechenden Linienintensitäten und des Partialdrucks von CO2 (so weit wir wissen). Die an unserem Messplatz erreichten geringen Messunsicherheiten zeigen, dass TDLAS als Primärmethode zur Partialdruckbestimmung zumindest von CO2 geeignet ist.
The goal of this work was to investigate the viability of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) for its use as a primary standard for partial pressure measurements. To undertake this investigation, we constructed a 3-channel spectrometer and developed a new controlling and processing software IPSIAM (Integrated Processing System for Integrated Absorbance Measurements) to implement a measurement procedure based on the direct numerical integration of the absorbance vs. wave-number curve (implied by the Beer-Lambert law). In order to improve the accuracy of the input quantities of our measurement procedure, we developed three novel measuring systems, which in spite of being simple, delivered good improvements to their respective tasks. The first permits the simultaneous indirect measuring of the input intensity (entering the chamber) and transmitted intensity (leaving the chamber), with such accuracy that the ratio of them gives us the transmission figure with a relative uncertainty of 0.1%. The second was the application of a linear model to the characterization of our Herriott Cell, which permitted us the indirect measurement of the Herriott Cell parameters, i.e. the effective curvature radius and mirrors’ distance, with reduced uncertainty (0.01%) using an external IR-laser interferometer and without having to remove the Herriott Cell out of the chamber. The third was the direct measuring of the gas temperature inside the chamber using two internal PT-100 sensors. Each sensor was welded to 4 small rods (4-wire resistance measurement) from the feed-trough connector to avoid contact with the chamber walls. With our method we dropped the gas’ temperature uncertainty from 0.2% to 0.002%. We developed two new algorithms in order to improve the accuracy of our measurements. After observing that some of our measurements were affected by a non-negligible apparatus-function, we developed a new algorithm to deconvolutionate the spectra and get rid off the error introduced by the apparatus-function to the integrated absorbance measurement. Our deconvolution algorithm, as far as we know, is the first one capable of correcting such measurements. We implemented our algorithm in one of our IPSIAM programs, and made several simulations, which agreed with the measured data. Another new algorithm developed by us permitted the measurement of the integrated absorbance and the calculation of its uncertainty according to GUM (by the first time, as far as we know). To improve the accuracy of the measurements’ output quantities (line intensities and partial pressures) we made repeated measurements and analyzed them in the framework of functional-structural linear analysis. Our system measured several line intensities of CO2 with a relative expanded uncertainty of 1.0% (k = 2, about 95% level of confidence) which signifies an improvement in the level of accuracy by a factor of 4 (probably a factor of 10) in terms of the uncertainty figures given in HITRAN (nevertheless our results are in agreement with the values given in HITRAN). We measured partial pressures of CO2 with a relative expanded uncertainty of 1.5% (k = 2, about 95% level of confidence); our results are in agreement with the corresponding gravimetric values reported by the PTB-Braunschweig (for a 5% CO2 in N2 mixture) and by the BAM (for a 0.1% CO2 in N2 mixture). As far as we know these are the first TDLAS traceable measurements of the corresponding line intensities and of partial pressures of CO2. The metrological level reached by our measuring installation permits to consider it as a primary standard for partial pressure measurements of CO2.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11610
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1545
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1248
Exam Date: 30-Nov-2005
Issue Date: 8-Dec-2005
Date Available: 8-Dec-2005
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): CO2
Linien Stärke
Primär Normale
Spektroskpie
TDLAS
CO2
Line Intensity
Primary standard
Spectroscopy
TDLAS
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