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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
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.