Berührungsfreie Messung von Wasserfilmdicke, -temperatur und -zusammensetzung durch Absorption im Nahinfraroten

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik ; Energieverfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229633504

Die schnelle, berührungslose In-situ-Charakterisierung der Eigenschaften wässriger Filme auf Oberflächen, wie Schichtdicke, Temperatur und Konzentration gelöster Stoffe, stellt eine herausfordernde Aufgabe in vielen Bereichen der Technik, Biologie und Medizin dar. Für diese Anwendungsfälle ist daher die rein optische Bestimmung dieser Größen die Methoden der Wahl. Das vorliegende Vorhaben knüpft als zweite Projektperiode an Ergebnisse des Projektes SCHU 1369/16-1 an, in der ein auf Diodenlasern basierter Absorptionssensor im Wellenlängenbereich von 1,3-1,5 µm entwickelt wurde. Dieser erlaubt es, lokale Eigenschaften wässriger Filme, wie Filmdicke, Temperatur und die Konzentration von gelösten Substanzen (Salze, Harnstoff) zu detektieren. Der Sensor, der bisher in einem für technische Anwendungen wenig geeigneten Aufbau in Transmission betrieben wurde, soll im Weiteren für Messungen in Retro-reflexion bzw. Rückstreuung ertüchtigt und für dynamische Messungen der oben enannten Parameter eingesetzt werden. Das grundlegende Messprinzip besteht in der Bildung von Verhältnissen der gemessenen Absorbanz bei mehreren verschiedenen Wellenlängen, die mehrere Diodenlaser aussenden. Zur Erzielung einer höheren Empfindlichkeit soll der Sensor durch Integration eines weiteren Diodenlasers bei 1,9 µm (Wellenlänge mit deutlich stärkerer Absorbanz des Wassers) erweitert werden. Die charakteristischen Größen der wässrigen Filme sollen dabei quasi-simultan und mit hoher zeitlicher Auflösung im Millisekundenbereich bestimmt werden. Über die bisherigen Parameter hinaus soll untersucht werden, ob ebenfalls der pH-Wert des Films mit demselben Sensor bestimmt werden kann. Um die Komplexität des Sensors möglichst gering zu halten, kommt ein Zeitmultiplexverfahren zum Einsatz. Weiterhin soll die Eignung des Sensors bei Verwendung von NIR-LEDs als preiswertere Alternative zu Diodenlasern untersucht und quantifiziert werden. Ein weiteres zentrales Ziel ist es, die Methode für die flächige Bestimmung der wässrigen Filmeigenschaften durch Verwendung einer NIR-Kamera mit hoher Repetitionsrate zu erweitern. Die Transmission durch die Schicht wird sequenziell auf den jeweiligen Wellenlängen gemessen und daraus die oben genannten Eigenschaften flächig bestimmt. Die erzielbaren Genauigkeiten der mit den aufgelisteten Methoden bestimmten Filmeigenschaften werden im Rahmen einer Bayesschen Analyse quantifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Dreier