TU Darmstadt / ULB / TUprints

Tunable diode laser absorption tomography for spatially resolved concentration measurements

Seidel, Anne :
Tunable diode laser absorption tomography for spatially resolved concentration measurements.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

[img]
Preview
Text
Diss_project_printversion_firstpages.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (17MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Tunable diode laser absorption tomography for spatially resolved concentration measurements
Language: English
Abstract:

Das Ziel dieser Arbeit war es, ein Messinstrument und mathematische Methoden für die zweidimensionale, räumlich aufgelöste Absorptionsspektroskopie auf der Grundlage sehr stark reduzierter Messdaten zu entwickeln. Es stellte sich sehr schnell heraus, dass die Gestaltung wegen der stark variierenden Randbedingungen technischer und wissenschaftlicher Systeme zweckspezifisch sein muss. Deshalb wurde der Schwerpunkt auf eine Anwendung aus dem Bereich der Umweltphysik, genauer der Bodenphysik, gelegt. Es wurde ein Instrument für die Erfassung von Treibhausgaskonzentrationen in der Boden-Luft-Grenzschicht von tauenden Permafrostböden entwickelt. Die räumliche Verteilung der Gase, die aus den Bodenstrukturen austreten, soll das Verständnis und die Modellbildung von positiven Rückkopplungsprozessen in der Klimaforschung verbessern. Das Instrument besteht aus kontinuierlich gescannten Laserstrahlen und kostengünstigen retroreflektierenden Folien. Momentan kann eine Fläche von 0.8×0.8 m2 abgedeckt und mit einer Bildfrequenz von bis zu 2.5 Hz dargestellt werden. Die spektroskopische Methode Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) ermöglicht absolute Messungen von Pfad-integrierten Konzentrationen ohne auf Referenz-Gasmessungen zurückgreifen zu müssen. Die Akkuratheit der Konzentrationen, die mit dem scannenden, reflektierenden Instrument gemessen wurden, wird anhand von Messungen eines homogenen H2O - Feldes ermittelt. Es wird eine Auswahl vielversprechender Rekonstruktionstechniken hinsichtlich der Qualität des rekonstruierten Bildes, der räumlichen Auflösung und der notwendigen Rechenzeit untersucht. Schließlich werden tomographische Messungen eines definierten Konzentrationsfeldes präsentiert, das durch eine kontrollierte Strömung aus kreisförmigen laminaren Jets generiert wird. Zuletzt werden einige Aspekte des Dynamikumfangs der Konzentrationen, der Strukturgrößen und der Messgeschwindigkeit aufgezeigt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The scope of this work was to develop and implement instrumentation and mathematical methods for two-dimensional, spatially resolved absorption spectroscopic tomography based on a drastically reduced amount of measurement data. Very soon it turned out that design has to be purpose-specific due to the strongly varying boundary conditions of technical and scientific systems. Therefore, it was focussed onto an application from environmental soil science. An instrument for monitoring climate gas concentration in the soil-air boundary layer of thawing permafrost was developed. The spatial distribution of gas that is emitted from soil structures shall enhance the understanding and modelling of positive feedback processes in climate research. The device is based on continuously scanned laser beams and inexpensive retro-reflecting foil. Currently, an area of 0.8×0.8 m2 is covered and can be imaged with up to 2.5 Hz rate. The spectroscopic method Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) allows for absolute measurements of path-integrated concentrations without the need for any reference-gas measurement. The accuracy of concentrations retrieved from the scanning reflective instrument is investigated with measurements of an homogeneous H2O field. A selection of promising reconstruction techniques is examined regarding reconstructed image quality, spatial resolution and calculation time. Eventually, tomographic measurements of a defined concentration field that is generated by a controlled flow from circular laminar jets are presented. The reconstructed images are compared to the approximately known concentration fields. Aspects of the instruments’ dynamic range of concentrations, structure sizes and measurement speed are illuminated.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Tomographie, Absorptionsspektroskopie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
tomography, absorption spectroscopyEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 30 Apr 2015 05:33
Last Modified: 30 Apr 2015 05:33
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44805
Referees: Ebert, Prof. Dr. Volker and Kempf, Prof. Dr. Andreas and Dreizler, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 22 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4480
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year