ديود ليزر الطيف الضوئي القائم على الليزر الكشف عن غاز الأسيتيلين والتحليل الكمي

  ملخص

  يعتبر الأسيتلين الموجود في الزيت غازًا مهمًا يميز الأعطال المبكرة للتفريغ في المحولات وغيرها من المعدات الكهربائية المغمورة بالزيت. يمكن تطبيق تقنيات التحليل الطيفي الضوئي المستندة إلى الليزر ذات الحساسية العالية والانتقائية الجيدة بشكل جيد لكشف الغازات النزرة. تم تطوير إعداد تجريبي محمول وقابل للانضباط مع ليزر دايود ردود الفعل الموزع في هذه الورقة. تم تحليل المعلمات الخاصية الخلية الصوتية الضوئية ، والعلاقات بين الإشارات الضوئية وقوة الليزر وتركيزات غاز الأسيتيلين تجريبيا. من خلال تعديل طول الموجة الليزرية بالليزر ، تم التحقق من الطيف الضوئي عالي الاستطاعة للأيتيلين قرب 1.5 ملم في النطاق الأول للأشعة فوق الحمراء القريبة. تم اقتراح طريقة جديدة للتحليل الكمي الضوئي على أساس انحدار مربع على الأقل. تظهر النتائج النظرية والتجريبية جدوى رصد الأسيتيلين عبر الإنترنت وتصميم مطياف ضوئي صوتي قابل للضبط مع حساسية عالية.

  1 المقدمة

  الأسيتيلين (C2H2) هو غاز رئيسي في تشغيل المحولات وغيرها من المعدات الكهربائية المغمورة بالزيت مع حالات فشل التفريغ. إن الكشف في الوقت المناسب والدقيق عن الأسيتيلين المذاب في الزيت العازل هو طريقة فعالة للتنبؤ بالأعطال الداخلية المحتملة وتطوير المعدات الكهربائية للتشخيص المبكر [1–3].

  إن التحليل الطيفي الضوئي (PAS) له آفاق جيدة بسبب ثباته ، حساسيته العالية ، سرعة الكشف السريع ، بدون فصل واستهلاك الغاز ، والتي يمكن قياسها مباشرة [4–6]. Bijnen et al. [7] نظام كشف PAS intracavity مصمم على أساس ليزر ثاني أكسيد الكربون ، واكتشف الاثيلين. في الصين ، تم قياس تركيزات منخفضة من 6 جزء في المليون من غاز الميثان مع PAS بواسطة Yu [8]. الدراسة التي أجراها Sigrist [9] تعطي ملخصا شاملا لنتائج أبحاث PAS في الصين والخارج. في السنوات الأخيرة ، أصبحت تقنيات التحليل الطيفي القائمة على ليزر أشباه الموصلات تركيزا على الأبحاث كمصادر للضوء ، بسبب خطها الضيق ، الطول الموجي القابل للانضغاط وخصائص ممتازة أخرى. وقد تم استخدامها في الكشف عن الغاز PAS ، والتي تمكننا من تحليل خطوط امتصاص الجزيئية واحدة ، وتحقيق انتقائية جيدة ، ومجموعة ديناميكية كبيرة ، قابلية قابلية التحويل [10]. تقدم هذه الورقة تصميم إعداد تجريبي محمول وقابل للانضباط مع ليزر ديود ردود الفعل الموزع (DFB). تم تحليل العلاقات بين الإشارات الضوئية (إشارات السلطة الفلسطينية) وقوة الليزر ، وتركيزات الأسيتيلين تجريبيا. عن طريق تعديل طول الموجة الديود ليزر ، تم التحقيق في الطيف الضوئي عالية الدقة الأسيتيلين بالقرب من 1.5 ملم في الفرقة الأولى من الأشعة تحت الحمراء القريبة. على أساس انحدار مربع على الأقل ، تم اقتراح طريقة جديدة للتحليل الكمي الضوئي ، والتي يمكن أن تقلل من التأثيرات بسبب الأخطاء في ثابت الخلية ، امتصاص الغاز ، طاقة الليزر وغيرها من المعلمات. تظهر النتائج النظرية والتجريبية أنه من الممكن إجراء مراقبة على الإنترنت للأسيتيلين وتصميم مطياف ضوئي صوتي قابل للضبط مع حساسية عالية.

2. الإعداد الافتراضي

  يوضح الشكل 1 الإعداد التجريبي PAS للغاز.

  يمتلك جهاز ليزر ديود DFB الذي تصنعه شركة NEL في اليابان عرضًا خطيًا ضيقًا (2 ميجاهرتز) وعمرًا طويلاً ، والذي يلبي متطلبات التصميم الخاصة بالحمل والموالفة. يتم إعطاء طيف انبعاث الليزر لليزر DFB في الشكل 2 ، مما يدل على الطول الموجي للمركز من 1520.09 نانومتر. يعمل ليزر الصمام الثنائي في وضع الإشعاع الطولي الأحادي ، حيث يتم التحكم في درجة الحرارة وحقن الحقن بواسطة وحدة تحكم ليزرية لضبط طول موجة الانبعاثات. من أجل تقليل الضوضاء الصوتية الناتجة عن امتصاص الجدار ، يتم تركيب ميزاء في نهاية الليزر بحيث يتم محاذاة شعاعه مع محور الخلية الضوئية (خلية PA) ، كما هو موضح في الشكل 1. تم التحكم في تردد تشكيل الضوء بواسطة المروحية الميكانيكية SR540 لتحقيق أداء مستقر. تم استخدام ميكروفون EK- 3024 للحصول على إشارة PA ، التي تبلغ حساسيتها 22 mU / Pa. تم قياس إشارة السلطة الفلسطينية باستخدام مضخم صوتي SR830.

  خلية PA مصنوعة من النحاس الأصفر. تحتوي على أجزاء:::::: two Brew Brew Brew Brew Brew Brew Brew Brew Brew Brew used used used used used used used used used used used used used used used used used used used used used used used used used one one one one one designed designed designed designed designed designed،،،،،،،،،،،، في الشكل 3. نظرًا لاستقطاب ضوء الليزر ، يتم استخدام نوافذ Brewster لتقليل الضوضاء الناتجة عن الأضواء التي يتم إعادة تركيبها على النوافذ والجدران.

  ومن ثم يمكن زيادة كثافة الضوء إلى حد ما.

  3. النتائج والمناقشة

  3.1.المعلمات الخلية الصوتية

  توليد إشارة PA هو عملية تحويل طاقة معقدة تتحد مع الضوء والحرارة والصوت. يمكن اشتقاق تعبير إشارة PA الغازية على أساس قوانين المعرفية والديناميكا الحرارية [11]. المعادلة (1) هي صيغة أساسية في الكشف عن الغاز PAS [12]. إشارة السلطة الفلسطينية ، واس هو يتناسب مع

الشكل 1. إعداد اختبار PAS.

الشكل 2. طيف الانبعاث من الليزر ديود DEB.

الشكل 3. الرسم المقطع الطولي لخلية PA.

قوة الليزر الحادث P0 ، وامتصاص الغاز الضفيرة [13]. ثابت الخلية Ccell يعيد التحويل من الطاقة الضوئية الممتصة من الغاز إلى الطاقة الصوتية في نظام PAS.

  ويطلق على تردد الرنين (f) وعامل الجودة وثابت الخلية للخلية معلمات مميزة لخلية PA. في أسلوب الرنين الطولي أحادي البعد ، في المعادلات السابقة ، y هي سرعة الصوت في الوسط ، Rc و Lc هما نصف قطر الرنانة والطول ، على التوالي ، dv و dh هما الطبقة الحدودية اللزجة وسمك الطبقة الحدية الحرارية ، على التوالي ، g هي نسبة الحرارة النوعية للغاز ، Q هو عامل الجودة ، Vc هو حجم الرنان ، v هو التردد الرنيني الزاوي ، pj (rM، v) هي قيمة الوضع الصوتي الطبيعي عند موضع rm للميكروفون ، IJ هو التداخل المتكامل بين توزيع حزمة الليزر والوضع الصوتي للتجويف.

Leff هو الطول الفعال للمرنان وهو يختلف عن الطول الهندسي Lc بعامل تصحيح بسبب التأثيرات الحدودية عند نهايات الرنان [14].

  وتبلغ سرعة انتشار الصوت في النتروجين عند درجة حرارة الغرفة 20 8 درجة مئوية حوالي 349.2 م / ثانية. لذلك ، يمكن حساب القيمة النظرية للتردد الأول للرنين الطولي على أساس 1609 هرتز لخلية PA المصممة على أساس المعادل. (2). في عملية معالجة الخلايا PA الفعلية ، يمكن إدخال خطأ القياس إلى الهيكل. يمكن أن تتأثر سرعة الصوت أيضًا بدرجة الحرارة والرطوبة وعوامل أخرى. وبالتالي ، من الضروري معايرة تردد الرنين باستخدام أساليب تجريبية. يتم الحفاظ على قوة خرج الليزر عند 13.7 ميغاواط مع

الشكل 4. منحنى استجابة التردد لخلية PA.

الطول الموجي للإشعاع من 1520.09 نانومتر للمعايرة. تركيز C2H2 القياسي هو 100 مل / لتر في خلية PA. قمنا بتعديل تردد التقطيع من 500 إلى 2300 هرتز ببطء ، وسجلت تغيرات الإشارة الصوتية. يظهر منحنى استجابة التردد هذا في الشكل 4. ويبين الشكل أنه عندما يكون تردد التشكيل أقرب إلى تردد الرنين ، يكون الأقوى هو شدة إشارة PA. هذا لأن الموجات الصوتية في خلية PA تحدث في الرنين الأول الطولي. تردد الرنين التجريبي هو 1442 هرتز كما هو موضح في الشكل 4.

  يعتبر عامل الجودة Q معلماً هاماً لأداء خلية PA ، وهو ما يعيد الخسائر في انتشار الموجات الصوتية. يمكن الحصول على القيمة النظرية لعامل الجودة من Eq. (3) كما Q ¼ 62.2. وفقًا لمنحنى استجابة التردد ، تم إعطاء القيمة الفعلية Q من خلال المرجع. [15]:

  حيث f و Df هما تردد الرنين وقيمة نصف العرض للرنين.

  تم قياس الأصداء المقيسة بتوزيع لورنتزي ، من أجل استخراج عامل الجودة Q ¼ 42.01 وتردد الرنين لخلية PA الطولية f ¼ 1442 Hz. إن الفرق بين القيمة التجريبية Q والقيمة النظرية يرجع بشكل رئيسي إلى حقيقة أن جودة السطح الداخلي لمرننا ليست مثالية ، مما يزيد من فقدان الطاقة الصوتية.

  ثابت الخلية Ccell هو أساس وأساس حساب إشارة PA وتدوير تركيزات الغاز. لخلية PA لدينا ، مع N2 كغاز الخلفية ، تم الحصول على القيمة النظرية Ccell من 3999.0 Pa · سم / ث وفقا لمعادل. (4). بشكل عام ، لا تطابق القيم النظرية والفعلية لـ Ccell. ويرجع ذلك إلى أن الحساب استند إلى قيم dv و dh و Q وما إلى ذلك ، التي كانت مثالية وتقريبية ، وكانت أيضًا محدودة بجودة خلية PA. يمكن اشتقاق ثابت الخلية التجريبية من المعادل. (1) عن طريق قياس إشارة السلطة الفلسطينية التي تم الحصول عليها في ظروف يتم التحكم فيها جيداً ، أي مع إيثيلين مُعتمد من الامتصاص المعروف (أ ¼ 3:04 × 10 一 5 = سم = MPa) [16] وقياس قوة الليزر P0 (13.7 ميغاواط). وكان متوسط ​​مستوى الضوضاء في الخلفية يبلغ 3.2 ميغاواط مع N2 المملوء النقي في خلية PA. يبين الشكل 5 إشارات PA المسجلة لـ 100 مل / لتر من C2H4 مخزّنة في N2 وكانت إشارة PA المسجلة لهذه الخلية 224.8 mU. ثم ، يمكن الحصول على Ccell التجريبي بواسطة Eq. (1) كما

الشكل 5. معايرة ثابت الخلية.

  3.2.المطيافية الصوتية الصوتية في الفرقة الأولى من الأصوات

  يعتبر التحليل الطيفي الجزيئي طريقة مهمة في دراسة البنية الداخلية للجزيئات والتحقق من نظرية الطيف. تمت دراسة خصائص امتصاص الأشعة تحت الحمراء C2H2 بالقرب من 1.5 ملم ، عن طريق ديود ليزر DFB مع خصائص خط العرض الضيق وضبط الطول الموجي في درجة حرارة الغرفة من 26 8C و 0.1 MPa.

  تم الحصول على الأطياف التجريبية للسلسلة C2H2 التجريبية بتركيز 997.8 مل / لتر في ظروف جيدة التحكم ، أي مع تيار حقن الليزر 60 مللي أمبير ودرجة الحرارة في نطاق 20–31.5 8C عند خطوة مسح تبلغ 0،05 درجة × 8 . مبين في الشكل 6 أ ، يتم تمييز سطرين الامتصاص لـ C2H2 في الجزء العلوي من المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء على أنها R (4) و R (5) ، على التوالي. تم قياس أطوال موجات الإشعاع الليزرية المقابلة لها بواسطة مطياف مثل 1520.58 و 1520.08 نانومتر. تم توضيح أطياف الامتصاص المحسوبة من قاعدة بيانات HITRAN2004 [17] وطريقة تكامل خطي تلو الآخر [18] في الشكل 6 ب لغرض المقارنة. الطول الموجي المحسوب لمصادر خطوط الامتصاص هو 1520.57 نانومتر (6576.48 / سم) و 1520.09 نانومتر (6578.56 / سم). النتائج تظهر وجود اتفاق جيد بين الأطياف النظرية والتجريبية.

3.3.العلاقة بين قوة الليزر وتركيز الأسيتيلين

  تم حقن تركيز معياري قدره 810 مل / لتر من C2H2 في خلية PA ببطء. وقد تم تنظيم وتغيير تردد التقطير عند تردد 1442 هرتز إلى تردد الرنين الطولي المرتبة قياساً. تم قياس استجابات أجهزة الاستشعار لمستويات طاقة الليزر المختلفة عن طريق ضبط قوة خرج الليزر DFB (انظر الشكل 7). ويلاحظ أنه عند تنظيم طاقة الخرج ، فإن طول الموجة الإشعاعية للليزر سيغادر من خط الامتصاص المميز 1520.09 نانومتر من C2H2. لذلك ، من الضروري معايرة الطول الموجي للإشعاع الليزر. المعايرة التالية

الشكل 6. الطيف الضوئي والطيف امتصاص الأشعة تحت الحمراء coefient من C2H2.

الرقم 7. إشارة السلطة الفلسطينية مقابل قوة الليزر من C2H2.

يمكن استخدام الطرق. تعيين انتاج الطاقة من القيمة المتوقعة ومن ثم الفرنسيسكان ني ضبط درجة حرارة الليزر. عندما تصل إشارة PA إلى الحد الأقصى ، يمكننا أن نستنتج أنه تم ضبط الطول الموجي للليزر إلى 1520.09 نانومتر.

  في الشكل 7، الخطي جيدة (صلاح فاي ر R2 ¼ 0.9987) إشارة السلطة بين 3 و 14 ميغاواط من انتاج الطاقة ليزر تم تحقيقه. هذا يتفق مع المعادل. (1) ، والتي تكشف عن علاقة خطية من قوة إشارة السلطة الفلسطينية مع قوة الليزر. تأثير السلطة الفلسطينية في الغازات هو الطاقة الإشعاعية الممتصة للجزيئات المثارة المحولة إلى التسخين من خلال الانتقال غير المتعادل. عندما يتم ضبط تركيز الغاز ويكون عدد جزيئات الغاز المثارة محدودًا ، تزداد قوة خرج الليزر إلى قيمة عتبة ، وبعد ذلك لن تكون إشارة PA متناسبة مع القدرة وتتحول إلى مشبعة.

  وقد أجريت قياسات استجابة أجهزة الاستشعار لتركيزات الأسيتيلين المختلفة (الشكل 8) مع النيتروجين النقي مثل الغاز الناقل. تم تحقيق تراكيز مختلفة للغاز باستخدام نظام توزيع الغاز الذي يتم التحكم به آليًا بواسطة الكمبيوتر. تم تشغيل المستشعر في الظروف المثلى ، أي عند الضغط الجوي بقيمة 0،1 ميغاباسكال ، مع تيار الليزر 45،30 mA وقوة 13.7 mW ، الطول الموجي الإشعاعي لـ 1520.09 نانومتر ، ثابت الوقت لمكبر الصوت المضبوط إلى ثانية واحدة ، وعلى تردد تشكيل يساوي تردد الرنين للخلية ، وهو ما يقرب من 1442 هرتز.

  يمكن أن نرى بوضوح أن خطية جيدة (R2 ¼ 0.9971) من قوة إشارة السلطة الفلسطينية مع تركيزات C2H2 قد تم تحقيقها. وهو يتفق مع المعادل. (1) كذلك ، والذي يكشف أيضًا عن العلاقة الخطية لإشارة PA مع تركيز غاز C2H2 ، كما هو موضح في الشكل 8.

  4.التحليلات التكافلية للغاز الطلائي الضوئي ACETYLENE GAS PHOTOACOUSTIC SPECTROSCOPY

  تهدف تكنولوجيا الكشف عن الغاز PAS إلى استخدام إشارة PA المقاسة لعينة الغاز للتحليل الكمي. اقترحنا طريقة جديدة للتحليل الكمي للغاز PAS استنادا إلى نظامنا التجريبي ، وهو استخدام طريقة الانحدار الأقل مربعة [19] لبيان إشارة السلطة الفلسطينية لغاز واحد مع التركيز المعروف. يمكن اشتقاق تركيزات الغاز من قوة إشارة السلطة الفلسطينية

الرقم 8. إشارة السلطة الفلسطينية مقابل تركيز C2H2.

الرقم 9. تحليل الانحدار من تركيزات C2H2 وإشارات السلطة الفلسطينية على أساس طريقة أقل مربع.

وفقا لرسم الخرائط المعمول بها. يمكن أن تتغلب هذه الطريقة على أوجه القصور في التحليل الكمي التقليدي الذي يتطلب معلومات عن ثابت الخلية ، وامتصاص امتصاص الغاز وقوة الليزر ، وتجنب الأخطاء التي تطرحها هذه المعلمات.

  تم تحليل تركيزات C2H2 من 1 إلى 1000 مل / لتر بواسطة جهازنا التجريبي لتحديد العلاقة بين قوة إشارة PA وتركيز الغاز. وقد أجريت القياسات مع الغاز المستحث من خلال خلية PA ببطء لتجنب تسرب الغاز الناجم عن ضيق الهواء الضعيف لخلية PA ، واتخذت طريقة متوسطة لقياسات متعددة الأوقات لتقليل ضوضاء النظام الناتجة عن خطأ القياس. يوضح الشكل 9 استجابة حساسة خطية جيدة لتركيزات C2H2 في نطاق التركيز.

  إن نتيجة المنحنى باستخدام طريقة الانحدار الأقل خطيًا هي:

  وفقا للتحليل السابق ، يمكن الحصول على تركيز C2H2 في خليط الغاز على أساس المعادل. (7). وللتحقق من درجة دقة هذه الطريقة ، ترد في الجدول (1) نتائج مقارنة تركيزات C2H2 المختلفة في خليط الغاز المقاسة بواسطة PAS وتلك الناتجة عن طريق تحليل كروماتوجرافي الغاز (GC). الانحراف e هو النسبة المئوية للفرق بين قيمة الكشف PAS القيمة CPAS و GC CGC على CGC.

  بمقارنة تركيزات C2H2 التي تم قياسها بواسطة PAS وتلك التي كتبها GC ، يمكننا أن نرى أن الاختلافات بينهما ليست صغيرة ، أي لا & gt؛ 4.2٪. تظهر نتائج الكشف عن الغاز PAS واحد في الشكل 9 أن إشارات السلطة الفلسطينية تبقى علاقة خطية مع تركيزات C2H2 عندما يكون التركيز أقل من 0.1 ٪.

  تتمثل المعلمة الأساسية لكشف آثار الغاز في الحساسية التي يحققها النظام ، والتي تتأثر بشكل أساسي بأصوات النظام. يتحدد بواسطة نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لتركيزات الغاز المعروفة [20]:

الجدول 1. مقارنة النتائج التي يحددها GC والطيف الضوئي الصوتي.

  حيث cmin هي حساسية النظام ، c هو تركيز الغاز المعروف. عندما تكون طاقة خرج الليزر 13.7 ميغاواط و تركيز C2H2 100 مل / لتر ، يكون مستوى ضوضاء النظام 1.5 mU. إشارة PA عند هذا التركيز للخلية هي 89.24 وحدة حرارية. كان SNR 59.49 ، لذلك الحد الأدنى للكشف أو cmin عند 100 مل / لتر لـ SNR من 1 هو 1.68 مل / لتر. يمكن تحسين هذه الحساسية عن طريق زيادة قوة الليزر أو الحد من الضوضاء في الخلفية. من الممكن الوصول إلى مستوى الكشف أقل من 1 مل لكل لتر.

  5. الخلاصة

  (1) تم تطوير إعداد تجريبي محمول وقابل للانضباط مع ليزر ديود DFB في هذه الورقة. تم تحليل تردد الرنين وعامل الجودة وثابت الخلية لخلية PA بشكل تجريبي ، والذي يمكن أن يوفر مراجع لتصميم مطياف ضوئي صوتي قابل للضبط مع حساسية عالية.

(2) عن طريق الصمام الثنائي الليزري DFB مع خصائص الخط الضيق وضبط الطول الموجي ، تم التحقيق في أطياف PA في C2H2 في المرة الأولى بالقرب من 1.5 ملم في درجة حرارة الغرفة 26 8C و 0.1 MPa. تظهر النتائج اتفاقية جيدة مع أطياف الامتصاص المحسوبة من قاعدة بيانات HITRAN2004.

  (3) وقد تناقشت القوانين التي تختلف بها إشارة السلطة الفلسطينية مع قوة الليزر وتركيزات الأسيتيلين. تم تحقيق خطية إشارة PA مع قوة الليزر وتركيز الغاز في غياب تشبع الطاقة.

  (4) تم إعطاء طريقة للتحليل الكمي الضوئي في الورقة على أساس انحدار مربع على الأقل. نتائج المقارنة بين تركيزات C2H2 التي تم قياسها بواسطة PAS وتلك التي تظهر في GC تبين أن التناقض هو & lt؛ 4.2٪.

  علاوة على ذلك ، يمكن لهذه الطريقة أن تعوض الأخطاء التي أدخلها ثابت الخلية ، وامتصاص امتصاص الغاز وقوة الليزر. الطريقة المقترحة قادرة على تلبية متطلبات مراقبة C2H2 مغمورة في النفط.

  6. قائمة الرموز والاختصارات

ا امتصاص الغاز coef c

ج تركيز الغاز المعروف

Ccell ثابت الخلية

CGC قيمة GC

cmin حساسية النظام

CPAS قيمة كشف PAS

DFB ملاحظات موزعة

edeviation

تردد احتفالي

GC كروماتوغرافيا الغاز

اي جاي تداخل لا يتجزأ بين توزيع شعاع الليزر والوضع الصوتي للتجويف

قانون العمل طول الرنان

ليف طول فعال للمرنان

P0 حادثة ليزر طاقة PA إشارة إشارة ضوئية خلية خلية PH خلية ضوئيّ

PAS مطيافية ضوئية

pj (rM، v) قيمة الوضع الصوتي المقيس عند موضع rM للميكروفون س عنصر الجودة

الصليب الأحمر نصف قطر الرنان

منتجع صحي إشارة السلطة الفلسطينية

SNR إشارة إلى نسبة الضوضاء

الرأسمالي حجم الرنان

ذ سرعة الصوت في المتوسط

العنف المنزلي طبقة حدود لزجة

درهم سماكة طبقة الحدود الحرارية

ز SPECI فاي (ج) المعدل حرارة الغاز

الخامس تردد الرنين الزاوي

مدافع قيمة نصف العرض للرنين