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Optochemical sensor systems for aerospace applications

Optochemische Sensoren für Flugzeug Anwendungen

Paul, Sumit


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-110352
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2014/11035/

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Freie Schlagwörter (Englisch): optochemical , sensor , hydraulic , III-N
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.07.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 08.09.2014
Kurzfassung auf Englisch: In safety-critical applications opto-chemical sensors are preferred over conventional electrochemical ones due to several key advantages: built in media separation, harsh environment capability and electromagnetic immunity. In this thesis opto-chemical sensors whose functionality is based on the infrared absorption of fluids and/or the photoluminescence of nanostructure immersed in gaseous or fluid media are investigated. Application domains assessed relate to the fields of aeronautic safety and the smart maintenance of commercial aircrafts.

Chapter 1 focuses on chemical contamination monitoring in phosphate ester based hydraulic fluids. By implementing such sensors in an aircraft, key contamination parameters can be assessed without taking fluid samples from the pressurized hydraulic system. By performing repeated measurements on the hydraulic fluid, degradation trends can be established and maintenance actions can be scheduled before any irreversible damage on the fluid or on the hydraulic system occurred. By performing the necessary maintenance actions at a pre-determined time in a pre-determined place, expensive ground time of commercial aircrafts can be minimized and significant costs due to unscheduled maintenance can be avoided. The chemical properties of aviation hydraulic fluids and their degradation mechanisms are described in the first part of this chapter. This is followed by a presentation of results gained from Fourier Transform Infra-Red (FTIR) measurements on hydraulic fluids in different states of contamination and degradation. These results show that the free water content and the Total Acid Number (TAN) can be inferred from changes in the O-H stretching vibration bands in 3200 cm-1 - 3800 cm-1 range. With this knowledge in mind, a miniaturized mid-infrared (MIR) sensor system has been realized, which allows these contamination parameters to be determined online inside a functional hydraulic system. In order to avoid flow restrictions in the hydraulic system, an extension of this MIR sensor principle into the near infrared (NIR) range of overtone vibrations is presented. The functionality of this chemical sensor system is complemented by a particle contamination sensor whose function is based on a light barrier principle. Both sensors in combination allow all practically relevant contamination parameters to be monitored online, inside an aircraft or in a ground support car directly on the airfield.

Chapter 2 presents an all-optical sensor system that employs InGaN/GaN nanowire heterostructures (NWH) as optochemical transducers for gas detection. This transducer principle is best suited for safety-critical applications where reliable media separation is required, e.g. leaks in fuel and hydraulic lines. The photoluminescence intensity of the nanostructure has been found to be enhanced upon exposure to hydrogen and hydrocarbon gases and to be quenched upon exposure to oxidizing gases, such as O2, NO2 and O3. The chapter begins with the description of potential gas sensing applications in an aircraft. Afterwards the theory relating to the gas sensing mechanism using nanowires is discussed. Thereafter, the growth of group III-nitride based nanowires is presented, followed by a description of an optical fiber based sensor system that uses these nanowires as opto-chemical transducers. This experimental section also describes the gas test rig that had been used to assess the sensor performance. The presentation of the experimental results is divided in two parts: The first part focuses on the results obtained with hydrogen and hydrocarbon gases, while the second part describes the sensor response to different oxidizing gases. Minimum detectable H2 concentrations as low as 200 ppb at 50°C, and O3 concentrations as low as 10 ppb at room temperature, are demonstrated. The effects of temperature and humidity variations on the gas sensitivity are also reported in detail.

Chapter 3 begins with a brief presentation of pH-monitoring needs inside an aircraft. A particularly interesting application is the monitoring of the pH value of onboard-generated drinking water, coming from a fuel cell. Thereafter GaN/InGaN quantum dots (QDs) are described with their possible use as opto-chemical transducers for measuring pH changes in fluids. The related sensing mechanism is briefly described, followed by a description of the test setup. The results section proves the variation of photoluminescence intensity with applied electrical bias and with pH changes inside a fluid medium. The accessible pH range extends from pH = 7 to pH = 2. Resolutions of less than 0.1 pH units and response times in the order of seconds have been achieved.
Kurzfassung auf Deutsch: In sicherheitskritischen Anwendungen werden opto-chemische Sensoren gegenüber den herkömmlichen elektrochemischen Sensoren aufgrund einiger besonderer Vorteile bevorzugt: ihre intrinsische Medientrennung, ihre Eignung für raue Umgebungen und ihre elektromagnetische Störunanfälligkeit. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit opto-chemischen Sensoren deren Funktion auf den Absorptionseigenschaften von Flüssigkeiten im infraroten Bereich und / oder auf Photolumineszenz von Nanostrukturen in flüssigen oder gasförmigen Medien beruhen. Ihre Anwendung liegen hierbei im Bereich der Flugsicherung und der intelligenten Wartung ziviler Verkehrsflugzeuge.

Kapitel 1 konzentriert sich auf die Überwachung chemischer Verunreinigungen in Phosphatester basierten Hydraulikflüssigkeiten. Durch das Einbringen der Sensoren im Flugzeug, können hierbei wichtige Verschmutzungsparameter erfasst werden ohne Flüssigkeitsproben aus dem unter Druck stehenden Hydrauliksystem entnehmen zu müssen. Durch wiederholte Messung der Hydraulikflüssigkeit, können Abnutzungstrends der Flüssigkeit erfasst und$;$Wartungsaktionen anberaumt werden, bevor irreversibler Schaden an der Flüssigkeit oder am Hydrauliksystem auftritt. Durch die Durchführung der Wartungsarbeit zu einer geplanten Zeit, an einem geplanten Ort, können teure Stillstandszeiten minimiert und erhebliche Kosten, wie sie durch außerplanmäßige Reparaturen entstehen, vermieden werden. Die chemischen Eigenschaften der im Flugbetrieb eingesetzten Hydraulikflüssigkeiten und ihre Abnutzungsmechanismen werden im ersten Teil des Kapitels beschrieben. Im Anschluss werden Ergebnisse einer Fourier Transform Infrarotmessung von Hydraulikflüssigkeiten mit unterschiedlichen Verschmutzungs- und Degenerationsgraden präsentiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der freie Wasseranteil und die Total Acid Number (TAN) von Veränderungen des O-H Gruppen Streckresonanzbandes im Bereich von 3200 cm-1 - 3800 cm-1 abgeleitet werden kann. Auf Basis dieser Erkenntnis wurde ein Mit-infrarot Sensorsystem (MIR) entwickelt, welches es ermöglich diese Parameter online, innerhalb eines betriebsfähigen Hydrauliksystems zu überwachen. Um Durchflusseinschränkungen im Hydrauliksystem zu vermeiden, wird auf Basis von Oberwellenschwingungen eine Erweiterung des MIR Sensorprinzips auf den Nahinfrarotbereich (NIR) vorgestellt. Die Wirkungsweise dieses Sensorsystems wird durch einen Partikelsensor ergänzt, der nach dem Prinzip einer Lichtschranke funktioniert. In Kombination ermöglichen es beide Sensoren alle praktisch relevanten Verschmutzungsparameter im Flugzeug oder in einem versorgungsfahrzeug auf dem Rollfeld direkt online zu überwachen.

Kapitel 2 stellt ein voll-optisches Sensorsystem unter Verwendung von InGaN/GaN Nanowire Heterostructuren (NWH) als opto-chemische Wandler zur Gasdetektion vor. Dieses Wandlerprinzip ist für sicherheitskritische Anwendungen wie z.B. Lecks in Kraftstoff- oder Hydraulikleitungen, die eine zuverlässige Medientrennung benötigen, am besten geeignet. Die Intensität der Photolumineszenz der Nanostruktur wird hierbei durch die Anwesenheit von Wasserstoff und kohlenwasserstoffhaltigen Gasen verstärkt bzw. in Anwesenheit oxidierender Gase wir Sauerstoff, Stickstoffdioxid oder Ozon reduziert. Das Kapitel beginnt mit einer Beschreibung möglich Gassensoranwendungen im Flugzeug. Im Anschluss wird die Theorie bezüglich der Gassensormechanismen von Nanowires erläutert. Danach wird das Verfahren zum Wachstum von III-Nitrid-basierten Nanowires vorgestellt und ein Lichtwellenleiter basiertes Sensorsystem vorgestellt, das Nanowires als opto-chemische Wandler einsetzt. Dieser experimentelle Abschnitt beschreibt zudem den Testaufbau, der zur Bestimmung der Sensorperformance verwendet wurde. Die Vorstellung der experimentellen Ergebnis gliedert sich in 2 Teile: Der erste Teil konzentriert sich auf die Ergebnisse, die mit Wasserstoff und kohlenwasserstoffhaltigen Gasen erzielt wurden, während der zweite Teil das Sensorverhalten bezüglich verschiedener Oxidationsgase behandelt. Hierbei werden Nachweisgrenzen von 200 ppb bei 50°C für Wasserstoff und von 10 ppb bei Raumtemperatur für Ozon aufgezeigt. Zudem wird im Detail über die Einflüsse von Temperatur- und Feuchtevariationen berichtet.

Kapitel 3 beginnt mit einer kurzen Vorstellung der Anforderungen der pH-Wert Überwachung im Flugzeug. Eine besonderes interessante Anwendung ist hierbei die Überwachung des pH-Wert von Trinkwasser, welches On-board aus einer Brennstoffzelle generiert wird. Danach werden GaN/InGaN Quantum Dots und ihre mögliche Anwendung zur Bestimmung von ph-Wert Änderungen in Flüssigkeiten beschrieben. Der entsprechende Sensormechanismus wird kurz vorgestellt und im Anschluss wird der Versuchsaufbau beschrieben. Im Ergebnisteil wird die Veränderung der Photolumineszenzintensität bei elektrischer Vorspannung und bei variablen pH-Werten in einem flüssigen Medium nachgewiesen. Der Messbereich erstreckt sich hierbei von pH=7 bis pH=2. Hierbei werden Auflösungen von unter 0.1 pH und Antwortzeiten in der Größenordnung von Sekunden erreicht.
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