Diodelaser-gebaseerde foto-akoestische spectroscopiedetectie van acetyleengas en de kwantitatieve analyse

  SAMENVATTING

  Acetyleen in olie is een belangrijk kenmerkend gas dat vroege ontlaadfouten van transformator en andere ondergedompelde elektrische apparatuur weergeeft. Op laser gebaseerde fotoakoestische spectroscopietechnieken met hoge gevoeligheid en goede selectiviteit kunnen goed worden toegepast om sporengassen te detecteren. In dit artikel is een draagbare en afstembare experimentele opstelling met een diodelaser met gedistribueerde feedback ontwikkeld. De parameters van de fotoakoestische celeigenschappen, de relaties tussen de fotoakoestische signalen en de laservermogen en de acetyleengasconcentraties werden experimenteel geanalyseerd. Door middel van diodelasergolflengtemodulatie werd het acoustische fotoakoestische spectrum met hoge resolutie nabij 1,5 mm in de eerste boventoonband nabij infrarood onderzocht. Een nieuwe methode van fotoakoestische kwantitatieve analyse werd voorgesteld op basis van de minste vierkante regressie. De theoretische en experimentele resultaten tonen de haalbaarheid van on-line monitoring van acetyleen en het ontwerpen van een afstembare fotoakoestische spectrometer met hoge gevoeligheid.

  1. INLEIDING

  Acetyleen (C2H2) is een hoofdfunctie bij het gebruik van transformatoren en andere ondergedompelde elektrische apparatuur met ontladingstoringen. Tijdige en nauwkeurige detectie van acetyleen opgelost in isolerende olie is een effectieve methode om de potentiële innerlijke fouten en de ontwikkeling van elektrische apparatuur voor vroege diagnose te voorspellen [1-3].

  Fotoakoestische spectroscopie (PAS) biedt goede vooruitzichten vanwege de stabiliteit, hoge gevoeligheid, snelle detectiesnelheid, zonder gasscheiding en -verbruik, die direct kan worden gemeten [4-6]. Bijnen et al. [7] ontworpen intradrainaal PAS-detectiesysteem op basis van de koolstofdioxidelaser en ethyleen gedetecteerd. In China werden lage concentraties van 6 ppm CH4-gas gemeten met PAS door Yu [8]. De studie van Sigrist [9] geeft een uitgebreid overzicht van de onderzoeksresultaten van PAS in China en in het buitenland. In recente jaren zijn op halfgeleiderlasers gebaseerde spectroscopische technieken een onderzoeksfocus geworden als lichtbronnen, vanwege hun smalle lijnbreedte, afstembare golflengte en andere uitstekende eigenschappen. Ze zijn gebruikt bij de detectie van gas-PAS, waardoor we moleculaire absorptielijnen kunnen analyseren en een goede selectiviteit, een groot dynamisch bereik en een aanpasbaarheid van de draagbaarheid kunnen bereiken [10]. Dit document presenteert het ontwerp van een draagbare en afstembare experimentele opstelling met een diodelaser met verdeelde feedback (DFB). De relaties tussen de fotoakoestische signalen (PA-signalen) en het laservermogen en de acetyleenconcentraties werden experimenteel geanalyseerd. Door middel van diodelaser-golflengtemodulatie werd het acoustische fotoakoestische spectrum met hoge resolutie nabij 1,5 mm in de eerste boventoonband van nabij-infrarood onderzocht. Op basis van de kleinste kwadratische regressie werd een nieuwe methode van fotoakoestische kwantitatieve analyse voorgesteld, die de effecten ten gevolge van de fouten in de celconstante, gasabsorptie, laservermogen en andere parameters kan verminderen. De theoretische en experimentele resultaten laten zien dat het haalbaar is om online acetyleen te monitoren en een instelbare foto-akoestische spectrometer met hoge gevoeligheid te ontwerpen.

2.EXPERIMENTELE SETUP

  Figuur 1 toont de experimentele opstelling van gas-PAS.

  Een DFB-diodelaser gemaakt door NEL Corporation in Japan heeft een smalle lijnbreedte (2 MHz) en een lange levensduur, die voldoet aan de ontwerpvereisten om draagbaar en instelbaar te zijn. Laseremissiespectrum van een DFB-laser wordt gegeven in figuur 2, die een middengolflengte van 1520,09 nm toont. De diodelaser wordt gebruikt in de modus voor enkelvoudige longitudinale straling, waarbij de temperatuur en de injectiestroom worden geregeld door een lasercontroller om de emissiegolflengte af te stemmen. Om de akoestische ruis gegenereerd door wandabsorptie te minimaliseren, is aan het einde van de laser een collimator geïnstalleerd, zodanig dat de bundel ervan uitgelijnd was met de as van de fotoakoestische cel (PA-cel), weergegeven in figuur 1. De lichtmodulatiefrequentie werd geregeld door een mechanische chopper SR540 om een ​​stabiele prestatie te bereiken. Een microfoon EK-3024 werd gebruikt om het PA-signaal te verkrijgen, waarvan de gevoeligheid 22 mU / Pa is. Het PA-signaal werd gemeten met behulp van een lock-in-versterker SR830.

  De PA-cel is gemaakt van messing. Het bevat vijf delen: twee Brewster-vensters, twee buffervolumes die worden gebruikt om achtergrondgeluid dat wordt gegenereerd door vensterabsorptie te isoleren en een centrale cilindrische resonator met een straal van 5 mm en een lengte van 100 mm, ontworpen in eendimensionale longitudinale holteresonantiemodus, die symmetrisch was, zoals weergegeven in afbeelding 3. Omdat het laserlicht gepolariseerd is, worden de Brewster-ramen gebruikt om het reflectiegeluid te verminderen dat wordt veroorzaakt door de door het raam en de muur gereflecteerde lichten.

  Vandaar dat de invallende lichtintensiteit enigszins kan worden verhoogd.

  3. RESULTATEN EN DISCUSSIE

  3.1.Foto akoestische celparameters

  PA-signaalgeneratie is een complex energieconversieproces dat combineert met licht, warmte en geluid. De expressie van een gas-PA-signaal kan worden afgeleid op basis van de wetten van het vocht en de thermodynamica [11]. Vergelijking (1) is een basisformule voor gas-PAS-detectie [12]. Het PA-signaal, SPA is evenredig met de

Figuur 1. De testopstelling van PAS.

Figuur 2. Emissiespectrum van DEB-diodelaser.

Figuur 3. De tekening in langsdoorsnede van de PA-cel.

invallend laservermogen P0 en gasabsorptie coëfficiënt a [13]. De celconstante Ccell weerspiegelt de conversie van lichtenergie die wordt geabsorbeerd door het gas naar akoestische energie in het PAS-systeem.

De resonantiefrequentie (f), kwaliteitsfactor en celconstante van de cel worden de karakteristieke PA-celparameters genoemd. In eendimensionale longitudinale resonantiemodus, in de bovenstaande vergelijkingen, is y de geluidssnelheid in het medium, Rc en Lc zijn de resonatorradius en de lengte, respectievelijk, dv en dh zijn respectievelijk de viskeuze grenslaag en de thermische grenslaagdikte, g is de specifieke warmteverhouding van het gas, Q is de kwaliteitsfactor, Vc is het resonatorvolume, v is de hoekresonantiefrequentie, pj (rM, v) is de waarde van de genormaliseerde akoestische modus op de positie rM van de microfoon, IJ is de overlap-integraal tussen de laserstraalverdeling en de akoestische modus van de holte.

  Leff is de effectieve lengte van de resonator en deze verschilt van de geometrische lengte Lc door een correctiefactor vanwege de grenseffecten aan de resonatoruiteinden [14].

  De geluidsvoortplantingssnelheid in stikstof bij kamertemperatuur 20 ° C is ongeveer 349,2 m / seconde. Daarom kan de theoretische waarde van de eerste orde longitudinale resonantiefrequentie worden berekend als 1609 Hz voor deze ontworpen PA-cel op basis van Vgl. (2). Tijdens het proces van daadwerkelijke PA-celverwerking kan de meetfout in de structuur worden ingevoerd. De geluidssnelheid kan ook worden beïnvloed door temperatuur, vochtigheid en andere factoren. Daarom is het noodzakelijk om de resonantiefrequentie te kalibreren met behulp van experimentele methoden. Het uitgangsvermogen van de laser wordt op 13,7 mW gehouden met de

Figuur 4. Frequentiebereikcurve van de PA-cel.

stralingsgolflengte van 1520,09 nm voor de kalibratie. De standaard C2H2-concentratie is 100 ml / l in de PA-cel. We hebben de hakfrequentie langzaam aangepast van 500 naar 2300 Hz en de veranderingen van het akoestische signaal geregistreerd. Deze frequentieresponscurve wordt getoond in figuur 4. De fi guur toont dat wanneer de modulatiefrequentie dichter bij de resonantiefrequentie ligt, des te sterker de intensiteit van het PA-signaal is. Dit komt omdat de akoestische golven in de PA-cel optreden in de eerste orde longitudinale resonantie. De experimentele resonantiefrequentie is 1442 Hz zoals weergegeven in figuur 4.

  De kwaliteitsfactor Q is een belangrijke parameter voor de prestaties van de PA-cel, wat de verliezen in de voortplanting van de akoestische golf weergeeft. De theoretische waarde van de kwaliteitsfactor kan worden verkregen uit Vgl. (3) als Q ¼ 62,2. Volgens de frequentieresponscurve werd de werkelijke waarde Q gegeven door Ref. [15]:

  waarbij f en Df de resonantiefrequentie en de halve breedte-waarde van het resonantieprofiel zijn.

  De gemeten resonanties zijn voorzien van een Lorentziaanse verdeling, om de kwaliteitsfactor Q ¼ 42.01 en de resonantiefrequentie van de longitudinale PA-cel f ¼ 1442 Hz te extraheren. Het verschil tussen de experimentele waarde Q en de theoretische waarde is voornamelijk te wijten aan het feit dat de kwaliteit van het binnenoppervlak van onze resonator niet ideaal is, waardoor het verlies van geluidsvermogen toeneemt.

  De celconstante Ccell is de basis en fundering van de PA-signaalberekening en de inversie van gasconcentraties. Voor onze PA-cel, met N2 als het achtergrondgas, werd de theoretische waarde van Ccell van 3999,0 Pa.cm / W verkregen volgens Vgl. (4). Over het algemeen komen de theoretische en werkelijke waarden van Ccell niet overeen. Dit komt omdat de berekening was gebaseerd op dv, dh, Q, etc., die geïdealiseerd en benaderd waren, en ook beperkt waren door de kwaliteit van de PA-cel. De experimentele celconstante kan worden afgeleid van Vgl. (1) door het PA-signaal te meten dat is verkregen onder goed gecontroleerde omstandigheden, dwz met een gecerti fi ceerd ethyleen met een bekende absorptie (¼ 3:04 × 10 一 5 = cm = MPa) [16] en door het laservermogen P0 (13,7 mW). Het gemiddelde achtergrondruisniveau was 3,2 mU met pure N2-vulling in de PA-cel. Figuur 5 toont de PA-signalen opgenomen voor 100 ml / l C2H4 gebufferd in N2 en het PA-signaal opgenomen voor deze cel was 224,8 mU. Vervolgens kan de experimentele C-cel worden verkregen door vergelijking. (1) als

Figuur 5. Kalibratie van de celconstante.

  3.2.Foto-akoestische spectroscopie in de eerste boventoonband

  Moleculaire spectroscopie is een belangrijke methode om de interne structuur van moleculen te bestuderen en de spectrale theorie te verifiëren. De C2H2 infrarood absorptiekarakteristieken nabij 1,5 mm werden bestudeerd, door middel van een DFB laserdiode met kenmerken van smalle lijnbreedte en de afstemming van de golflengte bij kamertemperatuur van 26 8C en bij 0,1 MPa.

  De experimentele PA-spectra van C2H2 bij een concentratie van 997,8 ml / l werden verkregen in goed gecontroleerde omstandigheden, dwz met de laserinjectiestroom van 60 mA en de temperatuur in het bereik van 20-31,5 8C bij een scanstap van 0,05 8C stap . Getoond in Figuur 6a zijn twee absorptielijnen van C2H2 in de eerste boventoon van het nabij-infraroodgebied gemarkeerd als respectievelijk R (4) en R (5). De corresponderende laserstralingsgolflengten werden gemeten met een spectrometer als 1520,58 en 1520,08 nm. De absorptiespectra berekend op basis van de HITRAN2004-database [17] en de gebruikte regel-voor-regel integratiemethode [18] zijn gegeven in figuur 6b ter vergelijking. De berekende middengolflengte van absorptielijnen is 1520,57 nm (6576,48 / cm) en 1520,09 nm (6578,56 / cm). De resultaten laten een goede overeenkomst zien tussen de theoretische en de experimentele spectra.

  3.3.De relatie tussen het laservermogen en de concentratie van acetyleen

  Een standaardconcentratie van 810 ml / l C2H2 werd langzaam in de PA-cel geïnjecteerd. De hakfrequentie bij 1442 Hz gerelateerd aan de gemeten eerste longitudinale resonantiefrequentie van de eerste orde werd gereguleerd en gehandhaafd. De sensorreacties op verschillende laservermogensniveaus zijn gemeten door het DFB-laseruitgangsvermogen aan te passen (zie afbeelding 7). Opgemerkt wordt dat bij het regelen van het uitgangsvermogen de laserstralingsgolflengte zal afwijken van de karakteristieke absorptielijn 1520.09 nm van C2H2. Daarom is de kalibratie van de laserstralingsgolflengte noodzakelijk. De volgende kalibratie

Figuur 6. Fotoakoestisch spectrum en absorptiecoëfficiënt van het infraroodspectrum van C2H2.

Figuur 7. PA-signaal versus laservermogen van C2H2.

methoden kunnen worden gebruikt. Stel het uitgangsvermogen in op de verwachte waarde en stel vervolgens de lasertemperatuur bij. Wanneer het PA-signaal zijn maximum bereikt, kunnen we concluderen dat de lasergolflengte was teruggebracht tot 1520,09 nm.

  In figuur 7 is een goede lineariteit (goedheid van R2 ¼ 0,9987) van het PA-signaal tussen 3 en 14 mW van het laseruitgangsvermogen bereikt. Dit is consistent met Eq. (1), die een lineair verband van PA-signaalsterkte met het laservermogen onthult. Het PA-effect in gassen is de geabsorbeerde stralingsenergie van de geëxciteerde moleculen omgezet in verwarming door niet-bestraffende overgang. Wanneer de gasconcentratie is vastgezet en de aantallen van het aangeslagen gasmolecuul beperkt zijn, neemt het laseruitgangsvermogen toe tot een drempelwaarde, waarna het PA-signaal niet langer evenredig is met het vermogen en de beurt om te worden verzadigd.

De metingen van de sensorreactie op de verschillende acetyleenconcentraties (figuur 8) zijn gemaakt met zuivere stikstof als het dragergas. De verschillende gasconcentraties werden bereikt met behulp van het gasdistributiesysteem dat automatisch wordt bestuurd door een computer. De sensor werkte onder optimale omstandigheden, namelijk bij een atmosferische druk van 0,1 MPa, met een laserstroom van 45,30 mA en een vermogen van 13,7 mW, de stralingsgolflengte van 1520,09 nm, de tijdconstante van de lock-in-versterker ingesteld op 1 seconde, en met een modulatiefrequentie gelijk aan de resonantiefrequentie van de cel, die ongeveer 1442 Hz is.

  Duidelijk is te zien dat een goede lineariteit (R2 ¼ 0,9971) van de PA-signaalsterkten met C2H2-concentraties is bereikt. Het is consistent met Vgl. (1) ook, wat ook de lineaire relatie van PA-signaal met de C2H2-gasconcentratie onthult, zoals getoond in Figuur 8.

  4.QUANTITATIEVE ANALYSE VAN ACETYLEENGAS FOTOACOUSTISCHE SPECTROSCOPIE

  PAS gasdetectietechnologie heeft tot doel het gemeten PA-signaal van het gasmonster te gebruiken voor kwantitatieve analyse. We stelden een nieuwe methode voor van kwantitatieve gas-PAS-analyse op basis van ons experimentele systeem, namelijk het gebruik van de kleinste-kwadratische regressiemethode [19] voor het lineair instellen van het PA-signaal van een enkel gas met de bekende concentratie. Gasconcentraties kunnen worden afgeleid van de PA-signaalsterkte

Figuur 8. PA-signaal versus C2H2-concentratie.

Figuur 9. Regressieanalyse van de C2H2-concentraties en de PA-signalen op basis van de methode met het kleinste kwadraat.

volgens de gevestigde mapping. De methode kan de tekortkomingen van de traditionele kwantitatieve analyse die de informatie over celconstante, gasabsorptiecoëfficiënt en laservermogen vereist, overbruggen en de door deze parameters geïntroduceerde fouten vermijden.

  De C2H2-concentraties van 1 tot 1000 ml / l zijn door ons experimentele apparaat geanalyseerd om de relatie tussen de PA-signaalsterkte en de gasconcentratie vast te stellen. De metingen zijn uitgevoerd met gas dat langzaam door de PA-cel stroomt om gaslekkage te vermijden die wordt veroorzaakt door slechte luchtdichtheid van de PA-cel, en nam een ​​gemiddelde methode van meerdere malen metingen voor het verminderen van systeemruis die wordt geproduceerd door meetfouten. Figuur 9 toont een goede lineaire sensorreactie op C2H2-concentraties in het concentratiebereik.

  Het curve-instellingsresultaat met de lineaire kleinste-kwadratische regressiemethode is:

  Volgens de vorige analyse kan de concentratie van C2H2 in het gasmengsel worden verkregen op basis van verg. (7). Om de nauwkeurigheid van deze methode te verifiëren, worden de vergelijkingsresultaten van de verschillende C2H2-concentraties in het gasmengsel gemeten door de PAS en die door gaschromatografie (GC) vermeld in tabel I. Afwijking e is het percentage van het verschil tussen de PAS-detectiewaarde CPAS en GC-waarde CGC boven CGC.

  Wanneer we de C2H2-concentraties gemeten door de PAS en die door GC vergelijken, kunnen we zien dat de verschillen daartussen niet klein zijn, d.w.z. geen> 4,2%. De resultaten van de enkelvoudige gas-PAS-detectie in figuur 9 laten zien dat de PA-signalen een lineaire relatie met C2H2-concentraties behouden wanneer de concentratie lager is dan 0,1%.

Een essentiële parameter voor het detecteren van gassporen is de gevoeligheid van het systeem, die vooral wordt beïnvloed door de systeemgeluiden. Het wordt bepaald door de signaal-ruisverhouding (SNR) van de bekende gasconcentraties [20]:

Tabel I. Vergelijking van resultaten bepaald door GC en fotoakoestische spectrometrie.

  waar cmin de gevoeligheid van het systeem is, is c de bekende gasconcentratie. Wanneer het uitgangsvermogen van de laser 13,7 mW is en de C2H2-concentratie 100 ml / l, bedraagt ​​het systeemruisniveau 1,5 mU. Het PA-signaal in deze concentratie voor de cel is 89,24 mU. De SNR was 59,49, dus de minimale detectielimiet of cmin bij 100 ml / l voor een SNR van 1 is 1,68 ml / l. Deze gevoeligheid kan worden verbeterd door het laservermogen te vergroten of de achtergrondruis te verminderen. Het is mogelijk om een ​​detectieniveau van minder dan 1 ml / l te bereiken.

  5. CONCLUSIE

  (1) In dit artikel is een draagbare en afstembare experimentele opstelling met een DFB-diodelaser ontwikkeld. De resonantiefrequentie, kwaliteitsfactor en de celconstante van de PA-cel werden experimenteel geanalyseerd, wat referenties zou kunnen verschaffen voor het ontwerpen van een afstembare fotoakoestische spectrometer met hoge gevoeligheid.

  (2) Door middel van een DFB-laserdiode met de kenmerken van een smalle lijnbreedte en golflengte-afstemming, werden de PA-spectra van C2H2 in de eerste boventoon nabij 1,5 mm onderzocht bij kamertemperatuur 268C en bij 0,1 MPa. De resultaten laten een goede overeenkomst zien met de absorptiespectra berekend op basis van de HITRAN2004-database.

  (3) De wetten die het PA-signaal varieert met het laservermogen en de acetyleenconcentraties zijn besproken. De lineariteit van het PA-signaal met het laservermogen en de gasconcentratie werd bereikt in afwezigheid van de vermogensverzadiging.

  (4) Een methode voor fotoakoestische kwantitatieve analyse is gegeven in het artikel op basis van de minste vierkante regressie. De vergelijkingsresultaten tussen de C2H2-concentraties gemeten door PAS en die door GC laten zien dat het verschil

  Bovendien kan deze methode de fouten compenseren die worden geïntroduceerd door de celconstante, gasabsorptiecoëfficiënt en het laservermogen. De voorgestelde methode is in staat om te voldoen aan de vereisten voor monitoring van C2H2 ondergedompeld in olie.

  6.LIJST VAN SYMBOLEN EN AFKORTINGEN

een gasabsorptie coëfficiënt

c bekende gasconcentratie

Ccell celconstante

CGC GC-waarde

cmin gevoeligheid van het systeem

OCMW PAS-detectiewaarde

DFB verdeelde feedback

edeviation

fresonantie frequentie

GC gaschromatografie

ij overlapping integraal tussen de laserstraalverdeling en de akoestische modus van de holte

Lc resonator lengte

Leff effectieve lengte van de resonator

P0 invallend laservermogen PA-signaal fotoakoestisch signaal PA-cel fotoakoestische cel

PAS fotoakoestische spectroscopie

pj (rM, v) waarde van de genormaliseerde akoestische modus op de positie rM van de microfoon Q kwaliteitsfactor

rc resonatorradius

SPA PA-signaal

SNR signaal - ruis verhouding

Vc resonator volume

Y geluidssnelheid in het medium

dv visceuze grenslaag

dh thermische grenslaagdikte

g speci fi eke warmteverhouding van het gas

v hoek resonantiefrequentie

df halfbreedtewaarde van het resonantieprofiel