Dieser PraxisArbeits-Bericht basiert auf der Masterarbeit von Christian Niklas von der Fakultät Physik der Universität Göttingen in Kooperation mit dem Laser-Laboratorium Göttingen e.V. und der Vereta GmbH.
Motivation
Die Masterarbeit ist im Rahmen eines ZIM-Projektes entstanden und hat die Möglichkeit geboten eine Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie kennen zu lernen. Somit konnte Herr Niklas wertvolle Erkenntnisse für den weiteren Berufsweg erlangen.
Aufgabenstellung
Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Abgassensors auf Basis der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie (NDIR) zur Implementierung in einem Messkoffer, welcher zur Messung in zivilen Feuerstellen genutzt werden kann. Die zu messenden Gase Kohlenstoffdioxid (CO2) und -monoxid (CO) sind für die Umwelt relevant und das Projekt dient somit auch dem Klimaschutz. Zudem bietet die optische Detektion eine nachhaltige Alternative zu elektrochemischen Sensoren.
Vorgehensweise & Inhalte
Zur Entwicklung des Sensors wurden die beiden Gase separat charakterisiert und vermessen. In Abbildung 1 sind die Absorptionsspektren für CO und CO2 sowie die in der Verbrennung vorkommenden Gase H2O und NO dargestellt.
Aufgrund dieser Spektren wurde der Bereich von 2000-2500 cm-1 als Arbeitsbereich des Sensors ausgewählt, was einer Wellenlänge von 4-5 μm entspricht. Mithilfe dieser Daten konnten die optischen Komponenten für die jeweiligen Gase identifiziert werden.
Ergebnisse
Das Ergebnis der Arbeit ist eine Blaupause zur Erstellung eines NDIR-Sensors. Diese ist anhand der Gase CO und CO2 erstellt worden. In der folgenden Abbildung sind die Messergebnisse für beide Gase aufgezeigt.
Zusätzlich zu den Messpunkten werden Regressionen gezeigt, mit denen die Sensitivität und damit die Auflösung der Sensoren bestimmt werden kann. Die berechnete Auflösung für CO2 beträgt 60±1 ppm. Dieser Wert ist konkurrenzfähig mit marktüblichen CO2 Sensoren und genügt auch den Richtlinien der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin. Für CO hingegen liegt der Wert bei 139.90±6.58 ppm. Da ein CO Anteil von 60 ppm bereits als gesundheitsschädlich gilt, ist die Auflösung nicht tauglich für eine zivile Nutzung und bedarf weiterer Verbesserungen des Aufbaus. Dies ist Bestandteil fortlaufender Entwicklung.
Praxispartner
Vereta entwickelt und produziert Sensoren und komplette Regeleinheiten für Industrie, Gewerbe sowie Gebäude- und Fahrzeugtechnik. Patentierte Verfahren zur effizienten Auswertung von Temperaturdifferenzen bilden die Grundlage für maßgeschneiderte Problemlösungen. Das Leistungsspektrum umfasst vier Technologiebereiche: Klimaregelung nach gefühlter Temperatur, Prozessüberwachung mit Niveau-, Leckage- und Durchflusssensoren, Volumenstrommessung bis 700 °C, Feuchtebestimmung unter extremen Prozessbedingungen bis 350 °C und Staubmessgeräte.
Fazit
Student: Während der PraxisArbeit wurden mir Einblicke in die Zusammenarbeit von Industrie und Wissenschaft gewährt. Hierbei konnte ich explizit bei Entscheidungsprozessen mitwirken und Vorträge im industriellen Umfeld halten. Die PraxisArbeit ist ohne Einschränkungen jedem zu empfehlen, egal ob eine Zukunft in der Industrie oder in der Wissenschaft angestrebt wird.
Unternehmen: Durch die Zusammenarbeit mit dem Laser-Laboratorium Göttingen und dem Studenten Christian Niklas konnten ein Konzept und ein Demonstrator für einen Abgassensor entwickelt werden. Dieser soll nach weiterer Entwicklung in der Praxis genutzt werden.
Institut: Die Zusammenarbeit zwischen der Vereta GmbH und dem Laser-Laboratorium Göttingen hat zu wertvollen wissenschaftlichen Ergebnissen geführt. Diese konnten dank der finanziellen Unterstützung des SNIC Programms auf einer Konferenz durch den Studenten vorgestellt werden.
Rahmendaten
Hochschule: Georg–August Universität Göttingen
Institut: Laser–Laboratorium Göttingen e.V.
Studiengang: Master Physics
Titel: Quantifizierung von CO2 und CO Konzentrationen mittels nichtdispersiver Infrarotspektroskopie
Prüfer: Dr. rer. nat. Diplom Chemiker Hainer Wackerbarth
Bearbeitungszeitraum: 01/2018 bis 07/2018
Praxispartner: Vereta GmbH
Ansprechpartner: Dipl. Phys.–Ing, Inform. Waldemar Witt
