Remote measurement of liquid water film thickness, temperature, and composition using near-infrared absorption

• Applicant: Professor Dr. Christof Schulz
• Subject Area: Technical Thermodynamics ; Energy Process Engineering ; Fluid Mechanics
• Term: from 2013 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 229633504

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Projekt „Berührungsfreie Messung von Wasserfilmdicke, -temperatur und -zusammensetzung durch Absorption im Nahinfraroten“ wurden verschiedene, auf Lichtabsorption im NIR basierende, Verfahren zur Messung der Dicke wässriger Filme und der Konzentration darin gelösten Harnstoffs und Dimethylharnstoffs entwickelt. Dazu wurde zuerst umfangreiche spektroskopische Untersuchungen der wässerigen Lösungen im NIR durchgeführt, um Wellenlängenbereiche zu identifizieren, bei denen sowohl die Absorptionsstärke als auch deren Änderung mit unterschiedlichen Harnstoffkonzentrationen groß ist. So wurden besonders geeignete Messwellenlängen in den beiden markanten Wasserbanden um 1450 und 1933 nm und der unter Harnstoffzugabe entstehenden NH-Bande bei 2200 nm ausgewählt. Die bildgebende Messung von dünnen, wässrigen Filmen bei konstanter Temperatur wurde anhand der optischen Absorption des Lichts von zwei NIR-Diodenlasern (1469 und 1353 nm) im Zeitmultiplexverfahren demonstriert. Die Filme wurden auf undurchsichtige Aluminiumsubstrate aufgebracht und das reflektierte Licht mit einer synchronisierten InGaAs-Focalplane-Array- Kamera detektiert. Die Filmdicke wurden aus den Absorptionsverhältnissen bei den beiden Wellenlängen für jeden Pixel abgeleitet. Präzise Messungen (Unsicherheit weniger als 9 %) der Dicke von Wasserfilmen wurden für, in einer Küvette präparierte, bekannte Filmdicken im Bereich von 100–300 μm demonstriert und anschließend auf Messungen an freien Filmen übertragen. Bei 100 Hz aufgenommene Filme der Filmdicke zeigen die Fähigkeit, die Dynamik fließender Filme zu erfassen. Durch Reduzieren des Bildausschnittes der Kamera und Nutzung einer Transmissionsanordnung für die Beleuchtung konnten Messungen der Oberflächenbenetzung eines Substrates durch ein Wasserspray bei einer Bildwiederholungsrate von 1 kHz realisiert werden. Die simultane Messung der Schichtdicke (7–1000 µm) und Harnstoffkonzentration (0– 40 Gew.%) von Harnstoff/Wasser-Dünnfilmen wurde bei Temperaturen von 298 bis 323 K demonstriert. Die Lichtquelle für wellenlängenspezifische Absorption war eine Wolframlampe, zu der vier schmalbandige optische Filter zur Auswahl der Detektionswellenlänge angebracht wurden von 1350, 1450, 1933 und 2200 nm. Diese Auswahl an Detektionsbereichen optimierte die Empfindlichkeit und ermöglichte präzise Messungen von Filmen bis hinunter zu 7 μm Filmdicke. Der größte gemessene Fehler bei der Schichtdicke betrug 5%, und in der Harnstoffkonzentration 9,45%. Messungen der Harnstoffkonzentration konnte nicht durchgeführt werden für Schichtdicken kleiner als 100 μm, da der Harnstoff auf den inneren Quarzoberflächen von der Küvette während des Füllvorgangs. Eine Erweiterung dieses Konzeptes zur zusätzlichen Messung einer weiteren unbekannten Konzentration wurde realisiert indem eine zusätzliche Absorptionsbande bei 2270 nm genutzt wurde. Dabei konnten simultan die Schichtdicke, sowie die Konzentration von Harnstoff und Dimethylharnstoff in den wässrigen Lösungen bestimmt werden.

Publications

• Diode laser-based standoff absorption measurement of water film thickness in retro-reflection, Gordon Conference Laser Diagnostics in Combustion (2017)
  M. Lubnow, R. Pan, C. Brocksieper, J.B. Jeffries, T. Dreier, C. Schulz
  
• Water Film Thickness Imaging based on Time-Multiplexed Near-Infrared Absorption, in Imaging and Applied Optics 2018 (3D, AO, AIO, COSI, DH, IS, LACSEA, LS&C, MATH, pcAOP), Orlando, Florida, 2018, p. LW2C.3: Optical Society of America
  M. Lubnow, T. Dreier, C. Schulz
  
• Water film thickness imaging based on timemultiplexed near-infrared absorption, Opt. Expr. 26, (2018) 20902-20912
  M. Lubnow, J. B. Jeffries, T. Dreier, C. Schulz
  
• An NIR sensor for measuring aqueous urea solution film thickness and concentration using a broadband light source, Gordon Conference Laser Diagnostics in Energy and Combustion Science (2019)
  M. Lubnow, T. Dreier, C. Schulz
  
• NIR sensor for aqueous urea solution film thickness and concentration measurement using a broadband light source, Appl. Opt. 58 (2019) 4546-4552
  M. Lubnow, T. Dreier, C. Schulz