Sensorsysteme für Prozess- und Zustandsmonitoring

Sauerstoffmaß bei Hohlraumerweiterter mm-Wellen-Spektroskopie

Modell des FP-Resonators und Verteilung des E-Feldes im Resonator.
Modell des FP-Resonators und Verteilung des E-Feldes im Resonator.

Ein spektrometrisches Messverfahren für die Sauerstoffkonzentration in Gasen wurde im ENIAC-Projekt ESEE (Environmental Sensors for Energy Efficiency) zusammen mit Partnern von Infineon, Airbus und der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt und erprobt. Es arbeitet auf der Basis eines mit dem zu messenden Gas gefüllten Fabry-Pérot-Resonators im Frequenzbereich 50 GHz … 70 GHz. Der Resonator vergrößert virtuell die Absorptionsweglänge des Spektrometers um den Wert seines Gütefaktors, so dass eine praktisch verwertbare Empfindlichkeit erreicht wird. Zwei integrierte Transceiver sind direkt an den Fabry-Pérot-Resonator angekoppelt. Im Gegensatz zu bisher publizierten Arbeiten wird hier anstelle von Koppelfolien und Antennen mit einer axialen Kopplung durch zwei Stubs im Zentrum der Reflektoren des Resonators gearbeitet, wodurch eine wesentliche Verkleinerung des Bauraumes zustande kommt. Erste Messungen mit einem kommerziell verfügbaren Netzwerkanalysator am Resonator zeigen, dass die Sensitivität für die Detektion von Sauerstoff im Konzentrationsbereich 2 % ... 20 % ausreichend hoch ist. Anwendungsmöglichkeiten werden neben dem Raumluftmonitoring in Fahrzeugen und Gebäuden vor allem zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Treibstofftanks gesehen, da das hier eingesetzte Verfahren im Gegensatz zu den meisten Sauerstoffsensoren keine beheizten Bauteile benötigt. In anderen Frequenzbereichen würde mit dem gleichem Prinzip auch Ammoniak oder Schwefeldioxid detektierbar sein.

Gemessene Änderung des Qualitätsfaktors bei unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen.
Bild eines der Reflektoren mit dem axialen Kopplungshalterung.