179 Pages
English
Gain access to the library to view online
Learn more

Attenuated total reflection technique for on-line oil monitoring by means of a FTIR fiber-optic probe [Elektronische Ressource] / Katarzyna Kudlaty

Gain access to the library to view online
Learn more
179 Pages
English

Description

Institute for Measurement Systems and SensorTechnologyAttenuated Total Re ection techniquefor on-line oil monitoringby means of a FTIR b er-optic probeKatarzyna KudlatyVollst andiger Abdruck der von der Fakult at fur Elektrotechnik undInformationstechnik der Technischen Universit at Munc hen zur Erlangung desakademischen Grades einesDoktor-Ingenieursgenehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Doris Schmitt-LandsiedelPrufer der Dissertation: 1. Dr.-Ing. habil. Alexander W. Koch2. Univ.-Prof. Markus-Christian AmannDie Dissertation wurde am 29.04.2004 bei der Technischen Universit at Munc heneingereicht und durch die Fakult at fur Elektrotechnik und Informationstechnikam 01.10.2004 angenommen.AbstractIn the presented thesis, infrared measurement techniques adapted to on-line mon-itoring of the deterioration of lubricants are presented. The deterioration of lubri-cants is revealed by changes of their infrared spectra. For purposes of on-line mon-itoring a Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) was combined withthe Attenuated Total Re ectance (ATR) measurement technique using infraredtransmitting b ers. The proposed set-up enables direct access to the investigatedsubstances and is characterized by its high measurement sensitivity. The spectro-scopic results enabled the development of a novel, robust and industry-suitableATR-sensor to monitoring of lubricant while in use.

Subjects

Informations

Published by
Published 01 January 2004
Reads 15
Language English
Document size 6 MB

Exrait

Institute for Measurement Systems and Sensor
Technology
Attenuated Total Re ection technique
for on-line oil monitoring
by means of a FTIR b er-optic probe
Katarzyna Kudlaty
Vollst andiger Abdruck der von der Fakult at fur Elektrotechnik und
Informationstechnik der Technischen Universit at Munc hen zur Erlangung des
akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Doris Schmitt-Landsiedel
Prufer der Dissertation: 1. Dr.-Ing. habil. Alexander W. Koch
2. Univ.-Prof. Markus-Christian Amann
Die Dissertation wurde am 29.04.2004 bei der Technischen Universit at Munc hen
eingereicht und durch die Fakult at fur Elektrotechnik und Informationstechnik
am 01.10.2004 angenommen.Abstract
In the presented thesis, infrared measurement techniques adapted to on-line mon-
itoring of the deterioration of lubricants are presented. The deterioration of lubri-
cants is revealed by changes of their infrared spectra. For purposes of on-line mon-
itoring a Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) was combined with
the Attenuated Total Re ectance (ATR) measurement technique using infrared
transmitting b ers. The proposed set-up enables direct access to the investigated
substances and is characterized by its high measurement sensitivity. The spectro-
scopic results enabled the development of a novel, robust and industry-suitable
ATR-sensor to monitoring of lubricant while in use. The sensor is characterized
by a higher mechanical stability and a signi can t price advantage in comparison
to FTIR-ATR- b er-optic technique. The results obtained from the new sensor
concur with those of a traditional spectroscopic investigation to prove the appli-
cability of the proposed solution for the detection of signi can t degradation of
lubricants.Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Infrarot-Messtechniken dargestellt, die zur
on-line Uberwachung von Olalterungsprozessen in industriellen Anlagen ein-
setzbar sind. Der Olalterungsprozess wird durch die Analyse der Infrarot-
Spektren der Ole sichtbar. Um diese on-line messen zu k onnen, wird die Fourier-
Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) mit Abgeschw achter Total-Re exions-
Messtechnik (ATR) mittels Infrarot-Lichtwellenleiter kombiniert. Diese Mes-
sanordnung erm oglicht den direkten Zugang zu Proben bei gleichzeitiger
Aufrechterhaltung der hohen Sensitivit at der Messanordnung. Auf dieser Grund-
lage wurde ein neuartiger, kompakter, mechanisch stabiler und preiswerter ATR-
Sensor, der zur on-line Uberwachung des Zustands der Ole geeignet ist, konzipiert,
entwickelt und im praktischen Betrieb getestet.Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aims of the Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Structure of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Lubricants 5
2.1 Classi cation and Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Aging Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 Aging in General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Auto-Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.3 Oxidation at High Temperatures . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Infrared Spectroscopy 19
3.1 Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Infrared Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.2 Absorption Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Fourier Transform Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 32
III CONTENTS
3.2.1 Michelson Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Spectral Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 Apodisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.4 Phase Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.5 Sampling and Signal to Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.6 Advantages of FTIR Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.7 Infrared Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Quantitative Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1 Classical Chemometric Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.2 Factor Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4 Attenuated Total Re ectance Spectroscopy 66
4.1 Internal Re ection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2 Attenuated Total Re ectance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Infrared Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Measurement Results 85
5.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 On-Line Aging Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.1 Measurement Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.2 Detector Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.3 Measurement Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.4 Temperature Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106CONTENTS III
5.2.5 Crystal Aging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3 Fresh and Old Lubricants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.1 Static Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.2 Aging Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6 ATR Sensor 130
6.1 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.1.1 Optical Bench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.1.2 Signal Conditioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.1.3 Measurement Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.2 Measurement Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7 Conclusions 150
List of Symbols 153
List of Abbreviations 157
Bibliography 159
Acknowledgement 169
Publications 170