TY - THES A1 - Weigl, Stefan T1 - Development of a sensor system for human breath acetone analysis based on photoacoustic spectroscopy N2 - The breath analysis section of this thesis outlines the potentials but also emphasises the concomitant challenges of human breath analysis. The section further describes the usefulness of a point-of-care (POC) device for breath acetone detection. In addition, it covers various breath analysis related subjects, which can be useful considering further developments of breath analysers. This includes an extensive summary involving the high abundant endogenous as well as the exogenous breath species present in a clinical environment. Subsequently, a detailed discussion about the theoretical aspects of absorption spectra is provided, forming the basis for the spectral interference chapter. Classical absorption spectroscopy (AS) is compared with photoacoustic spectroscopy (PAS) in view of trace gas analysis. Different modulation schemes for signal generation, i.e. amplitude modulation (AM) and wavelength modulation (WM) are part of the comparison, while the advantages and disadvantages of each technique are highlighted. As a result, PAS is considered superior to AS and hence is selected as the method of choice regarding the development of a sensor for breath acetone detection. A detailed mathematical derivation of the photoacoustic signal generation as well as the signal enhancement by means of acoustic resonance amplification is provided. Moreover, several phenomena causing signal attenuation are outlined, including vibrational-translational (VT) relaxation, vibrational-vibrational (VV) energy transfer mechanism, acoustic detuning and photodissociation. Various simulations regarding spectral interferences in the infra-red (IR) and ultraviolet (UV) region are presented, demonstrating the susceptibility towards spectral cross-sensitivities in the IR region, hence, rather suggesting the UV region for acetone detection. However, this simulation can be easily adopted to other target analytes and serves as a basis for multicomponent analysis approaches in the IR region using tuneable light sources. Ultra sensitive acetone detection employing a high power UV LED is presented and a detailed analysis considering the effects of environmental parameters onto the photoacoustic signal, including temperature, pressure, LED duty cycle and flow rate, is provided. In addition, general cross-sensitivities of the photoacoustic signal towards the high abundant species O2, CO2 and H2O have been investigated and discussed. Moreover, several LED and photoacoustic cell (PAC) combinations have been compared in order to evaluate improvement approaches regarding an enhancement of the system’s sensitivity. Finally, photoacoustic sensor setups employing an interband cascade laser (ICL) or a quantum cascade laser (QCL) have been studied and compared to various UV setups in view of different key performance parameters, including the limits of detection (LOD) and the normalised noise equivalent absorption (NNEA) coefficients. The juxtaposition of the different approaches once more emphasises the extraordinary sensitivity of photoacoustic spectroscopy. To the best of the author’s knowledge, the LODs (3σ) of the UV LED based photoacoustic measurement in typical breath conditions (12.5 ppbV) and the LOD of the QCL measurement (0.79 ppbV) provide two world records. First, regarding photoacoustic acetone detection using an UV LED and second, in view of other published results for photoacoustic acetone detection in general. N2 - Zu Beginn der Arbeit werden zum einen die Potentiale der Analyse des menschlichen Ausatemgases aufgezeigt und zum anderen die damit verbundenen Herausforderungen beschrieben. Dabei wird auch die Nützlichkeit eines Point-of-Care (POC) Gerätes zur Bestimmung des Acetongehalts im Ausatemgas hervorgehoben. Darüber hinaus werden verschiedene mit der Atemgasanalyse zusammenhängende Themen behandelt, die hinsichtlich weiterer Entwicklungen von Atemgasanalysegeräten sehr hilfreich sein können. Dazu gehört u.a. eine ausführliche Analyse der Zusammensetzung des menschlichen Ausatemgases, die sowohl die hauptsächlichen endogenen als auch die im klinischen Umfeld verstärkt vorkommenden, exogenen Bestandteile, aufgelistet. Anschließend werden die theoretischen Grundlagen von Absorptionsspektren detailliert behandelt, da sie die Grundlage für das Kapitel über die spektralen Interferenzen bilden. Des Weiteren werden die klassische Absorptionsspektroskopie (AS), als auch die photoakustische Spektroskopie (PAS), hinsichtlich ihrer Eignung für die Spurengasanalytik verglichen. Verschiedene Modulationsschemata für die Signalerzeugung, d.h. Amplitudenmodulation (AM) und Wellenlängenmodulation (WM), sind Teil des Vergleichs, wobei die Vor- und Nachteile jeder Technik hervorgehoben werden. Als Ergebnis wurde die PAS gegenüber der AS als überlegen angesehen und daher als Methode der Wahl bei der Entwicklung eines Sensors zur Bestimmung des Acetongehalts in der Ausatemluft ausgewählt. Eine detaillierte mathematische Herleitung der photoakustischen Signalerzeugung sowie der Signalverstärkung mittels akustischer Resonanzverstärkung ist ebenso in der Arbeit enthalten. Darüber hinaus werden mehrere Phänomene der Signaldämpfung skizziert, dazu zählen u.a. die Schwingungs-Translation Relaxation, der Schwinungs-Schwingungs Energieübertragungsmechanismus, die Photodissoziation und die akustische Resonanzverschiebung. Es werden verschiedene Simulationen bezüglich spektraler Interferenzen im infraroten (IR) und ultraviolleten (UV) Wellenlängenbereich vorgestellt, die die Anfälligkeit gegenüber spektralen Querempfindlichkeiten im IR-Bereich demonstrieren und somit eher den UV-Bereich für die Acetonbestimmung nahelegen. Die Simulationsergebnisse können leicht auf weitere Zielanalyten übertragen werden und dienen somit als Grundlage für Multikomponenten-Analyseansätze im IR-Bereich mittels durchstimmbarer Lichtquellen. Im Ergebnisteil wird u.a. ein hochempfindliches System zur Acetondetektion unter Verwendung einer Hochleistungs-UV LED vorgestellt. Dieses System wurde außerdem einer detaillierten Analyse unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Umgebungsparametern auf das photoakustische Signal, einschließlich Temperatur, Druck, LED-Tastverhältnis und Durchfl ussrate, unterzogen. Zusätzlich wurden Querempfi ndlichkeiten des photoakustischen Systems gegenüber den im Ausatemgas hochkonzentrierten Stoffen O2, CO2 und H2O untersucht und die Ergebnisse diskutiert. Darüber hinaus wurden verschiedene Kombinationen von LEDs und photoakustischen Zellen verglichen, um Verbesserungsansätze hinsichtlich der Empfindlichkeit des Systems zu untersuchen. Abschließend wurden photoakustische Sensorsysteme, die einen Interbandkaskadenlaser (ICL) oder einen Quantenkaskadenlaser (QCL) verwenden, untersucht und mit verschiedenen UV LED Systemen im Hinblick auf unterschiedliche Leistungsparameter, einschließlich der Nachweisgrenzen (NWG) und den normierten, rauschäquivalenten Absorptionskoeffizienten, verglichen. Die Gegenüberstellung der verschiedenen Ansätze unterstreicht einmal mehr die außerordentliche Empfindlichkeit der photoakustischen Spektroskopie. Nach bestem Wissen des Autors stellen die NWGs (3σ) der photoakustischen Messung mit einer UV LED in typischer Atemgaszusammensetzung (12.5 ppbV) und die NWG der QCL-Messungen (0.79 ppbV) zwei Weltrekorde dar. Zum einen gibt es keine Veröffentlichung hinsichtlich einer besseren, photoakustisch ermittelten NWG für Aceton mittels einer UV LED und zum anderen stellt die mit dem QCL photoakustisch gemessene NWG im Allgemeinen die beste, je veröffentlichte photoakustische NWG für Aceton dar. KW - Photoacoustic KW - Breath Analysis KW - Acetone Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:355-epub-447768 ER - TY - THES A1 - Jonker, Dirk T1 - Advanced nanofabrication techniques for electron emission devices N2 - The goal of this thesis is to develop an electron injection source based on a cold field emission cathode that ultimately functions as an alternative electron source used during the Birch reduction process. The experimental configuration to conduct an alternative Birch reduction involves the combination of various physical domains, including solid-state physics, physics of interfaces, electrochemistry, and fluid dynamics. The body of this thesis discusses the fabrication and characterization of a silicon nanocone array. It also presents a self-aligned method to incorporate an electronic gate structure that may function as an extractor grid. The emission behavior and transport properties of the silicon nanocones are assessed by scanning tunneling microscopy by performing measurements on flat silicon and silicon nanocone surfaces containing different dopant types and doping concentrations. Furthermore, additional experimental work is conducted to replace a thermally grown silicon dioxide layer with platinum silicide and characterize the electrical properties by means of scanning tunneling microscopy. Lastly, the thesis discusses the fabrication of two plasmonic structures and evaluates the plasmonic modes, surface enhancement, and Raman activity. KW - Nanofabrication KW - Scanning tunneling microscopy (STM) KW - Geometric diode KW - surface enhanced Raman scattering KW - silicon nanowires KW - silicon nanocones KW - platinum silicide (PtSi) KW - Plasmonic substrates Y1 - 2023 UR - https://research.utwente.nl/en/publications/advanced-nanofabrication-techniques-for-electron-emission-devices SN - 978-90-365-5632-3 U6 - https://doi.org/10.3990/1.9789036556323 ER - TY - THES A1 - Lindner, Matthias T1 - Miniaturisierte dielektrische Barrierenentladungen und ihre Anwendung für das Anti- bzw. De-Icing von aerodynamischen Oberflächen N2 - Das grundlegende physikalische Verständnis und die kontinuierliche Weiterentwicklung von dielektrischen Oberflächenbarrierenentladungen (SDBDs) sowie der damit erbundenen elektrischen Diagnostik, sind für eine Vielzahl von Niedertemperaturplasmaanwendungen von entscheidender Bedeutung. In Bezug auf die Anwendung dieser Plasmatechnologie in der Luftfahrt liegt neben der bereits umfassend erforschten aktiven Strömungskontrolle zunehmend der Schwerpunkt auf der Vermeidung von Eisablagerungen auf aerodynamischen Komponenten. Die Bildung von Eis auf Oberflächen wie zum Beispiel den Tragflächen kann unter extremen Wetterbedingungen erhebliche Leistungsdefizite hervorrufen und zu ernsthaften Sicherheitsrisiken führen. In Anbetracht der signifikanten Vorteile gegenüber traditionellen Enteisungsmethoden steht die Erforschung von SDBDs im Mittelpunkt des anwendungsorientierten Abschnitts dieser Arbeit. Vorliegende Arbeit untergliedert sich in einen grundlegenden und einen anwendungsbezogenen Teil. Darin werden sowohl die physikalischen Eigenschaften und Prozesse von SDBDs analysiert als auch ihre potenziellen Anwendungen in Bezug auf Flugsicherheit und Effizienz untersucht. Die wissenschaftliche Forschung hat in der Vergangenheit erhebliche Anstrengungen unternommen, um ein umfassendes Verständnis der physikalischen Vorgänge, die im Zusammenhang mit SDBDs stehen, zu erarbeiten. Insbesondere die präzise Bestimmung der räumlichen Ausdehnung der Entladung entlang der dielektrischen Oberfläche - die üblicherweise in direkter Proportionalität zur Amplitude der angelegten Spannung steht - ist hierbei eine herausfordernde Aufgabe. Diese umfangreichen Studien sind essenziell, um die Entladungseigenschaften und die grundlegenden physikalischen Prozesse zu verstehen, was erhebliche Anwendungspotenziale eröffnet. Parallel zu diesen grundlegenden Studien hat sich auch der praktische Einsatz von SDBDs zur Verhinderung der Eisbildung auf aerodynamischen Bauteilen bedeutend weiterentwickelt. Untersuchungen legen nahe, dass Lösungen auf Basis von SDBDs im Vergleich zu konventionellen Enteisungsmethoden, wie beispielsweise chemischen Enteisungsmitteln oder thermischen Systemen, ein höheres Effizienz- und Wirkungspotential besitzen könnten. Allerdings wurden bisherige Entwicklungen von SDBDs hauptsächlich auf Basis der Leiterplattentechnologie realisiert, was bestimmte Begrenzungen in Bezug auf ihre Anwendbarkeit für Anti-Icing- Technologie mit sich bringt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die sequentielle Ausbreitung der SDBD-Entladung entlang der dielektrischen Al2O3-Oberfläche systematisch analysiert. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigten, dass die Entladungen unmittelbar nach dem Erreichen der Zündspannung einen fest definierten Bereich belegen, der bis zum Erreichen einer kritischen Spannungsamplitude VL stabil bleibt. Anzumerken ist auch, dass das Ausbleiben der Plasmaausbreitung innerhalb dieses Spannungsbereichs zu einer linearen Korrelation zwischen der Entladungsleistung und der angelegten Spannungsamplitude führt. Diese tiefergehenden Einblicke in die Dynamik der Entladung können dazu beitragen, den Einsatz von SDBDs in diversen Anwendungsbereichen effizienter zu gestalten. Im zweiten Teil der Arbeit steht die Entwicklung und Implementierung eines innovativen Ansatzes zur Realisierung von SDBDs im Vordergrund, der auf der Nutzung von Dünnschichtsubstra-Vten und mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basiert. Die Verwendung dieser Technologie erlaubt einen präziseren Design- und Fertigungsprozess von Elektrodenstrukturen, was sich positiv auf die Effizienz der Enteisung auswirken kann. Zur Beurteilung des Anti-Icing-Potenzials der entwickelten MEMS-SDBDs wurde ein direkter Vergleich mit konventionellen PCB-SDBDs durchgeführt. Die Ergebnisse legen nahe, dass die 35 μm dicken Elektroden der PCB-SDBDs eine Oberflächenvereisung fördern, die vorrangig durch die Elektrodenkanten induziert wird. Im Gegensatz dazu wurde dieser Effekt bei den deutlich dünneren, lediglich 0.3 μm dicken, mittels MEMS gefertigten Elektroden nicht festgestellt. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass SDBDs, die mit MEMS-Technologien gefertigt wurden, einen signifikanten Vorteil in Anti-Icing-Anwendungen aufweisen könnten und stellen somit einen wesentlichen Fortschritt in der Forschung und Anwendung von SDBDs dar. Die in dieser Arbeit vorgelegten Forschungsergebnisse und innovativen Methoden liefern zahlreiche neue Erkenntnisse, die das Potential besitzen, sowohl das Verständnis als auch die Anwendung von SDBDs wesentlich zu erweitern. So bestätigen die Langzeitbelichtungsaufnahmen das neu entdeckte Phänomen einer sequenziellen Ausbreitung des Entladungsplasmas, das bei SDBDs mit dickeren Dielektrika stärker ausgeprägt ist. Eine neu entwickelte Methodik ermöglicht die Anwendung der Ladungs-Spannungs-Charakteristik von SDBDs, um essenzielle Parameter für ein vereinfachtes Ersatzschaltbild abzuleiten. Darüber hinaus wurde eine bemerkenswerte numerische Übereinstimmung zwischen der Ladungs-Spannungs-Charakteristik für den positiven Halbzyklus der Entladung und der aus den optischen Aufnahmen abgeleiteten spannungsabhängigen Reaktorkapazität festgestellt. Diese Erkenntnisse öffnen neueWege für die Optimierung und Anwendung von SDBDs in verschiedenen technischen Bereichen. Weiterhin identifizierte die durchgeführte Erosionsstudie Titan als optimal geeignetes Material für MEMS-Elektroden aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneten elektrischen Leitfähigkeit. Es wurden auch Potentiale zur Optimierung von MEMS-SDBDs durch die Auswahl geeigneter dielektrischer Materialien und geeigneter SDBD-Geometrien aufgezeigt. Eine solche Optimierung könnte die Enteisungseffizienz weiter verbessern, indem beispielsweise die dielektrischen Eigenschaften an die spezifischen Anwendungsanforderungen angepasst werden. Innovative Designkonzepte, wie eine gezielte Anordnung der Elektroden oder die Integration von Sensoren zur Überwachung des Enteisungsprozesses, könnten ebenfalls zur Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von MEMS-SDBDs beitragen. Ein weiterer bedeutender Aspekt ist die Anwendung von Piezotransformatoren zur Generierung der benötigten Hochspannung für SDBD-Systeme. Dieser innovative Ansatz könnte die Effizienz des auf SDBD-Technologie basierenden Enteisungsverfahrens optimieren und somit zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Flugzeugen unter extremen Wetterbedingungen beitragen. Das Forschungsfeld bietet viel Raum für zukünftige Studien, was die Bedeutung und Zukunftsrelevanz der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse hervorhebt. N2 - The fundamental physical understanding and continuous development of Surface Dielectric Barrier Discharges (SDBDs) and associated electrical diagnostics are of crucial importance for a wide range of low-temperature plasma applications. Regarding the application of this plasma technology in aviation, the focus is increasingly on the prevention of ice accumulation on aerodynamic components, in addition to the already extensively researched active flow control. The formation of ice on surfaces such as the wings can cause significant performance deficits under extreme weather conditions and lead to serious safety risks. Considering the significant advantages over traditional de-icing methods, the investigation of SDBDs is at the forefront of the application-oriented section of this work. This work is divided into a fundamental and an application-oriented part. Both the physical properties and processes of SDBDs are analyzed and their potential applications in terms of flight safety and efficiency are examined. Past scientific research has made considerable efforts to develop a comprehensive understanding of the physical processes associated with SDBDs. The precise determination of the spatial extension of the discharge along the dielectric surface - which is typically in direct proportion to the amplitude of the applied voltage - is a challenging task. These extensive studies are essential to understand the discharge characteristics and the fundamental physical processes, revealing significant application potential. In parallel to these fundamental studies, the practical use of SDBDs for preventing ice formation on aerodynamic components has also made significant progress. Research suggests that solutions based on SDBDs could have higher efficiency and effect potential compared to conventional de-icing methods such as chemical de-icing agents or thermal systems. However, past developments of SDBDs have been mainly based on printed circuit board technology, which brings certain limitations in terms of their applicability for anti-icing technology. In the first part of this work, the sequential propagation of the SDBD discharge along the dielectric Al2O3 surface was systematically analyzed. The experimental investigations carried out showed that the discharges occupy a fixed area immediately after reaching the ignition voltage, which remains stable until a critical voltage amplitude VL is reached. It should also be noted that the absence of plasma expansion within this voltage range leads to a linear correlation between the discharge power and the applied voltage amplitude. These deeper insights into the dynamics of the discharge can contribute to making the use of SDBDs more efficient in various application areas. In the second part of the work, the development and implementation of an innovative approach to realize SDBDs is in the foreground, based on the use of thin-film substrates and Microelectromechanical Systems (MEMS). Using this technology allows for a more precise design and manufacturing process of electrode structures, which can positively affect the efficiency of deicing. To assess the anti-icing potential of the developed MEMS-SDBDs, a direct comparison with conventional PCB-SDBDs was conducted. The results suggest that the 35 μm thick electrodes of the PCB-SDBDs promote surface icing, primarily induced by the electrode edges. In contrast, this effect was not observed with the much thinner, only 0.3 μm thick, electrodes produced using MEMS. These observations suggest that SDBDs manufactured using MEMS technologies could have a significant advantage in anti-icing applications and thus represent a significant advance in the research and application of SDBDs. The research results and innovative methods presented in this work provide numerous new insights that have the potential to significantly expand both the understanding and application of SDBDs. Long-exposure photographs confirm the newly discovered phenomenon of a stepwise expansion of the discharge plasma, which is more pronounced for SDBDs with thicker dielectrics. A new methodological approach – the bow tie plot - allows the utilization of the charge-voltage relationship in SDBDs to derive crucial parameters from the simplest equivalent circuit model. Furthermore, a remarkable numerical agreement was found between the charge-voltage characteristic for the positive half-cycle of the discharge and the voltage-dependent reactor capacity derived from the optical images. These findings present new opportunities for the enhancement and deployment of SDBDs across various technological sectors. Moreover, the erosion study conducted identified titanium as the optimal material for MEMS electrodes due to its high corrosion resistance and excellent electrical conductivity. There were also potentials for optimizing MEMS-SDBDs by selecting suitable dielectric materials and suitable SDBD geometries. Such optimization could further improve de-icing efficiency, for example by adjusting the dielectric properties to the specific application requirements. Innovative design concepts, such as targeted arrangement of electrodes or integration of sensors for monitoring the de-icing process, could also contribute to the performance and reliability of MEMS-SDBDs. Another significant aspect is the application of piezoelectric transformers to generate the required high voltage for SDBD systems. This innovative approach could optimize the efficiency of the de-icing process based on SDBD technology and thus contribute to improving the performance and safety of aircraft under extreme weather conditions. The field of research offers great potential for future studies, which underscores the significance and future relevance of the results obtained in this work. KW - Kaltes Plasma KW - Barrierenentladung KW - Enteisung KW - Flugzeugaerodynamik KW - MEMS KW - Plasmaentladung KW - Dielektrische Barrierenentladung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:384-opus4-1118933 UR - https://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/111893 ER - TY - THES A1 - Berndt, Dominik T1 - Thermische Wasserstoffsensoren für den Automobilbereich N2 - Für den sicheren Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind Sensoren wichtig, welche die Wasserstoffkonzentration im Fahrzeuginterieur kontinuierlich überwachen, um möglichen Entzündungen bzw. Explosionen vorzubeugen. Dafür wurden von verschiedenen nationalen und internationalen Instanzen bestimmte Kriterien definiert, die Wasserstoffsensoren für einen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen erfüllen müssen. Im Jahr 2020gab es noch keinen einzigen kommerziell erhältlichen Sensor, der alle diese Kriterien bedienen konnte. In der vorliegenden Arbeit wurde für zwei verschiedene Sensoren die Eignung des thermischen Wirkprinzips für die Detektion von Wasserstoff im Kontext dieser Sicherheitskriterien untersucht. Dabei wurden mit einem MEMS-Sensor und einem Mikrodrahtsensor zwei vergleichsweise einfache Geometrien herangezogen, welche den eindimensionalen und zylindersymmetrischen Fall abbilden sollen. Für zwei dynamische Operationsmodi (gepulste Ströme und 3ω-Methode) wurden darauf aufbauend analytische Modelle basierend auf vereinfachten Sensorgeometrien entwickelt, um die Temperaturentwicklung des Sensorelements in Abhängigkeit der Zeit zu charakterisieren. Diese Studien wurden anschließend anhand von detaillierteren Modellen mithilfe von FEM-Simulationen ergänzt und spezifiziert. Darin konnte gezeigt werden, dass für den gepulsten Betrieb sowohl die Pulshöhe als auch die Zeitkonstante des gemessenen Widerstands- bzw. Temperaturpulses als Messgröße herangezogen werden kann. Beim 3ω-Betrieb konnte zudem eine starke Frequenzabhängigkeit dieser Widerstands- bzw. Temperaturcharakteristik beobachtet werden. Die analytischen und numerischen Studien wurden anschließend durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Im Hinblick auf die zuvor definierten Kriterien stellte sich heraus, dass die Auswertung der Zeitkonstante beim gepulsten Betrieb im Hinblick auf Sensitivität und Auflösungsgrenze der Auswertung der Pulshöhe deutlich unterlegen ist. Beim 3ω-Betrieb können durch die hochintegrierte Messumgebung deutlich höhere Genauigkeiten und Auflösungsgrenzen erzielt werden. Für den MEMS-Sensor wurde bei einer Anregungsfrequenz von 1 Hz mit 55 ppm die bislang geringste in der Literatur berichtete Auflösungsgrenze für einen thermischen Wasserstoffsensor erreicht. Der Leistungsverbrauch ist dabei im Vergleich zum Pulsbetrieb entsprechend des jeweiligen Tastgrads leicht bis mäßig erhöht, die Ansprechzeit wird bei beiden Operationsmodi maßgeblich durch die Sensorgeometrie beeinflusst. Die geometrischen Parameter der jeweiligen Sensoren haben ferner einen starken Einfluss auf die Sensitivität, womit die Divergenz in der Performance von MEMS-Chip und Drahtsensor erklärt werden kann. Es besteht ferner eine starke Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängigkeit des Sensorsignals, welches bei beiden Operationsmodi indirekt proportional zur Wärmeleitfähigkeit des betrachteten Gasgemischs ist. Die Abhängigkeit vom definierten Umgebungsdruck ist lediglich für die Zeitkonstante relevant, bei der Pulshöhe besteht keine Druckabhängigkeit. Es konnte eine grundsätzliche Eignung des thermischen Messprinzips für den Einsatz eines Wasserstoffsensors im Automobilbereich festgestellt werden. Für eine Anwendung müssen allerdings Referenzsensoren für Temperatur, Feuchtigkeit und Druck implementiert werden und eine Kalibrierung in Abhängigkeit dieser Größen erfolgen. Der 3ωBetrieb ist aufgrund der höheren Genauigkeit zu bevorzugen. Während der MEMSSensor im Hinblick auf Sensitivität, Ansprechzeit und Leistungsaufnahme gut abschneidet, liegen die Vorteile des Mikrodrahtsensors in seiner Robustheit und der vergleichsweise einfachen Realisierbarkeit N2 - For the safe operation of a fuel cell vehicle, sensors that continuously monitor the hydrogen concentration in the vehicle interior are crucial in order to prevent possible ignitions or explosions. For this purpose, various national and international institutions have defined certain criteria that hydrogen sensors must meet for being used in fuel cell vehicles. In 2020, there was not yet a single commercially available sensor that could serve all of these criteria. In the present work, the suitability of the thermal operating principle for the detection of hydrogen in the context of these safety criteria was investigated for two different sensors. Two relatively simple geometries, a MEMS sensor and a micro-wire sensor, were used to represent the one-dimensional and cylinder-symmetric case. Analytical models based on simplified sensor geometries were subsequently developed for two dynamic operation modes (pulsed currents and 3ω-method) to characterize the temperature response of the sensor element as a function of time. These studies were then extended and specified using more detailed models based on FEM simulations. In these studies, it was shown that for pulsed operation, both the pulse height and the time constant of the measured resistance or temperature pulse can be used as a measurand. For 3ω-operation, a strong frequency dependence of these resistance or temperature characteristics was also observed. The analytical and numerical studies were subsequently confirmed by experimental results. With respect to the previously defined criteria, the evaluation of the time constant during pulsed operation was found to be significantly inferior to the evaluation of the pulse height in terms of sensitivity and resolution limit. For 3ω-operation, significantly higher accuracies and resolution limits could be achieved due to the highly integrated measurement environment. For the MEMS sensor, at an excitation frequency of 1 Hz, the lowest resolution limit for a thermal hydrogen sensor reported in the literature to date was achieved at 55 ppm. The power consumption is slightly increased compared to the pulse mode according to the corresponding duty cycle. The response time is significantly influenced by the sensor geometry for both operation modes. Furthermore, the geometrical parameters of the individual sensors have a strong influence on the sensitivity, which can explain the divergence in the performance of the MEMS chip and the micro-wire sensor. There is also a strong temperature and humidity dependence of the sensor signal, which is indirectly proportional to the thermal conductivity of the gas mixture. The dependence on the ambient pressure is only relevant for the time constant, there is no pressure dependence for the pulse height. A fundamental suitability of the thermal measurement principle for the use of a hydrogen sensor in the automotive sector could be identified. However, for an application, reference sensors for temperature, humidity and pressure must be implemented and calibration must be performed as a function of these variables. The 3ω-operation is preferred due to its higher accuracy. While the MEMS sensor performs well in terms of sensitivity, response time and power consumption, the advantages of the microwire sensor are based on its robustness and the fact that the manufacturing process is comparably easy. KW - Kraftfahrzeugtechnik KW - Brennstoffzellenfahrzeug KW - Wasserstoff KW - Gassensor KW - Sensortechnik KW - Feuchtigkeitsabhängigkeit KW - thermischer Wasserstoffsensor Y1 - 2023 UR - https://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/frontdoor/deliver/index/docId/105227/file/Diss_Berndt.pdf CY - Regensburg ER - TY - THES A1 - Höller, Christoph T1 - Indirect methods of obtaining activity and mobility of structure-borne sound sources N2 - The work reported in this thesis focuses on the development of indirect methods for the experimental determination of important source parameters for structure-borne sound source characterization. In the first part of the thesis, matrix inversion methods for the determination of blocked forces are investigated. A simplified measurement procedure is proposed which offers a solution to the two major challenges to these methods, namely the acquisition of the FRF matrix and the problems associated with matrix inversion. The proposed procedure involves a free, low-mobility receiver plate which is modelled numerically. Calculated FRFs are used together with measured velocity responses to inversely determine the blocked forces. It is found that while the method has great potential in principle, in practice the accurate modelling of the receiver plate is of critical importance. In the second part of the thesis, three formulations are considered for the indirect determination of source mobility. Instead of performing measurements on the source in the free state, the source mobility is obtained from measurements made in-situ. This approach is beneficial if the source is difficult to suspend, or if it contains non-linear structural elements. The three formulations are validated numerically and experimentally. It is found that the methods can quantify source mobilities of single-contact and multi-contact sources from in-situ measurements. However, typical measurement errors, such as background noise or inaccuracies in sensor positioning, can significantly reduce the accuracy and reliability of the methods. In the final part of the thesis, the reception plate method for the determination of the power injected by a high-mobility source into a low-mobility receiver is reviewed, and a source substitution method proposed as a development. The substitution method circumvents problems that may arise when the reception plate method is applied to coupled walls and floors. A special focus of investigation is on the calibration of the receiver structure. It is found that the calibration can be performed with shaker or hammer, and that an average calibration factor may be used. The source substitution method thus offers a potential alternative to the reception plate method, for application with coupled plates. Y1 - 2013 UR - https://livrepository.liverpool.ac.uk/id/eprint/14233 N1 - University of Liverpool, Dissertation PB - University of Liverpool CY - Liverpool ER -