بخشی از مقاله
چکیده
تداخلسنج هتروداین یک سیستم اندازهگیری با حساسیت بالا است که اختلاف وضوح ضریب شکست با تغییر مقدار رطوبت در غشای پیل سوختی را اندازهگیری میکند. این سیستم، تغییرات درصد رطوبت غشای پیل سوختی را با استفاده از اندازهگیری اختلاف مسیر نوری که توسط ضریب شکست آب باعث شده است، تعیین میکند. هنگامی که درصد رطوبت غشا تغییر میکند، ضخامت و ضریب شکست غشا مطابق با آن تغییر خواهد کرد. با اندازهگیری اختلاف فازی که ناشی از اختلاف مسیر نوری ایجاد شده است، می-توان ضریب شکست پیل سوختی را اندازه گرفت. در این مقاله بخش الکترونیک تداخل سنج هتروداین سه مود توسعه یافته به منظور اندازهگیری اختلاف فاز متناظر با ضریب شکست شبیهسازی شده است. این بخشها شامل تقویتکننده، فیلتر، مخلوطکننده، نوسان-ساز و بخش اندازهگیری فاز است. در نهایت نمودار تغییرات اختلاف فاز به ازای ضریب شکست مایع پیل سوختی برای چند اختلاف مسیر نوری شبیهسازی شده است و با مقایسه آن با تداخلسنج دومود معمولی نشان دادهایم که قابلیت تفکیکپذیری دراین سیستم افزایش یافته است.
مقدمه
پیل سوختی دستگاهی است الکتروشیمیایی که انرژی حاصل از واکنش شیمیایی را به انرژی الکتریکی مفید تبدیل میکند. تبدیل انرژی در پیل سوختی، تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است .[1-2] رشد و توسعه فناوری پیل سوختی از طرفی به دلیل بازده بالا، عدم آلودگی محیط زیست و سهولت نحوه بهرهبرداری میباشد و از طرف دیگر ناشی از این امر است که انواع پیلهای سوختی در موارد بسیار وسیعی از جمله در نیروگاهها، شاتل های فضایی، زیر دریایی ها، خودروها و .... کاربرد دارد، به طوری که میتوان گفت امروزه رقیب اکثر فناوریهای فعلی تولید انرژی الکتریکی و حتی گرمایی محسوب میگردد. پیل سوختی با غشای پروتونی PEM بهطور گستردهای به عنوان منبع انرژی استفاده میشود.
عملکرد پیل سوختی بستگی مستقیم به میزان آب موجود در غشای آن دارد. رطوبت بالا باعث افزایش بازدهی پیل سوختی میشود اما چنانچه میزان رطوبت بیش از حد شود مشکلاتی از جمله باد کردن، فشار مکانیکی و خرابی غشای پیل سوختی پدیدار میشوند. از آنجاییکه درصد رطوبت و ضریب شکست در غشا در هر نقطه باهم متناسب هستند، پس با تخمینزدن نمایه ضریب شکست، می توان بهدرستی تغییر در میزان آب غشای پیل سوختی را اندازهگیری کرد. روشهای تداخلسنجی برای اندازهگیری ضریب شکست به صورت تحقیقات خیلی پرطرفدار و جذاب در سال های اخیر تبدیل شدهاند که این به شبیهسازی سیستم الکترونیکی برای دلیل دقت، ویژگی های غیرمخرب و اندازهگیری سریع و تنظیم نسبتا آسان سیستم نوری و آزمایشگاهی آنهاست. هر چه قابلیت تفکیک پذیری تداخل سنج بهتر باشد اندازهگیری ضریب شکست با دقت بیشتری همراه خواهد بود.
به منظور افزایش قابلیت تفکیکپذیری، تداخلسنج سوپرهتروداین در سال 2001 توسط Yokoyama و همکارانش [3] ارائه شد. تنها عیب این تداخلسنج دارا بودن خطای بیشتر نسبت به دو مود است. با توجه به نیاز صنعت به افزایش قابلیت تفکیکپذیری، نوعی از تداخلسنجهای سوپر هتروداین در سال 2010 توسط علیایی و همکارانش ارائه شد [4] که این تداخلسنج دارای قابلیت تفکیکپذیری چهار برابر نسبت به تداخلسنج هتروداین دو مود و دو برابر نسبت به تداخلسنج سوپرهتروداین معرفی شده در سال 2001 است. آرایش نوری این تداخلسنج مشابه با تداخلسنج دو مود ارائه شده توسط Guo و همکارانش - 2000 - است [5]، با این تفاوت که به جای منبع نور دو مود از لیزر سه مود برای افزایش قابلیت تفکیک-پذیری استفاده شده است.
استفاده از روشهای الکترونیک با دقت بالا برای اندازهگیری مستقیم اختلاف فاز متناظر با ضریب شکست ظاهر شده در طرحهای تداخلی مورد استفاده قرار گرفته است. از قدیمیترین روشهایی که برای آشکارسازی فتوالکتریک استفاده می-شود روش نول است. در این روش اصلیترین عامل محدودیت دقت این است که در عمل با لیزر دقت اندازهگیری محدود میشود. روش دیگر اندازهگیری فاز روش شمارش فریز الکترونیکی است .[6] روشهای متفاوت دیگری موجود است که در مرجع [6] به تفکیک بیان شده است. روشی که در این مقاله به آن پرداختهایم، روش تداخلسنجی هتروداین است. در این روش یک جابهجایی فرکانس کوچک در پرتو تداخلسنج ظاهر میشود که با روش هتروداین آشکار میشود. در روش سوپرهتروداین، دو سیگنال دریافت شده از مسیرهای مبنا و اندازهگیری، ابتدا تقویت شده و سپس با مخلوط شدن در خود به فرکانس پایینتر تبدیل میشوند و در نهایت اختلاف فاز بین این دو سیگنال که متناظر با جابهجایی و با ثابت بودن جابجایی متناظر با ضریب شکست مایع پیل سوختی است توسط اندازهگیر فاز اندازهگیری میشود.
در این مقاله بخش الکترونیک سامانه تداخل سنجی به منظور اندازهگیری جابجایی متناظر با ضریب شکست مایع پیل سوختی شبیه سازی شده است. همان طور که بیان شد تغییرات رطوبت غشای پیل سوختی باعث تغییر اختلاف مسیر نوری و در نهایت اختلاف فاز میگردد. پس ما میتوانیم با طراحی سیستمی که میتواند اختلاف فاز را به طور دقیق اندازه بگیرد، به تغییرات ضریب شکست و در نهایت به تغییر رطوبت پی برد. این بخشها شامل تقویتکننده، فیلتر، مخلوطکننده، نوسان-ساز و بخش اندازهگیری فاز است.در قسمت اول به یک تقویتکننده با بهره بزرگتر از 15 دسیبل، پهنایباند 500 مگاهرتز و عدد نویز کمتر از 2/5 دسیبل نیاز است. این مشخصات به این دلیل انتخاب شده است که سطح جریان دریافتی از بخش نوری تداخلسنج در محدوده میکروآمپر و محدودهی فرکانسی آن در رنج 500 مگاهرتز است. یک تقویتکننده کم نویز با فناوری CMOS 0.5ʽm از نوع کاسکود را طراحی و شبیهسازی کردهایم که به بهره 19/1 دسیبل و عدد نویز 2/5 دسی-بل در فرکانس 500 مگاهرتز دست یافتهایم. در قسمت دوم یک فیلتر میانگذر از نوع بسل با فرکانس مرکزی 500 مگاهرتز شبیهسازی شده است.
پس از این قسمت، یک مخلوطکننده متعادل دوگانه سلول گیلبرت طراحی و شبیهسازی شده است که به بهره تبدیل 7/511 دسیبل با ورودی RF برابر با 500 مگاهرتز، ورودی LO برابر با 500/3 مگاهرتز و خروجی IF برابر با 300 کیلوهرتز رسیدهایم. فیلتر پایینگذری از نوع بسل با فرکانس قطع 300 کیلوهرتز برای عبور هارمونیک بافرکانس تداخلی ثانویه بعد از مخلوطکننده لازم است قرار داده شود که شبیهسازی شده است. در نهایت دو سیگنال آنالوگ بازسازی شده به یک مقایسهگر سرعت بالا داده میشود و پس از تبدیل شدن به پالس دیجیتال به بخش اندازهگیر فاز فرستاده میشود. در عمل، بخش اصلی اندازهگیرفاز یک شمارنده سرعت بالا با قابلیت تفکیکپذیری 1 نانوثانیه است که TDC-GP1 نام دارد. این شمارنده فواصل زمانی را به مقادیر دیجیتالی تبدیل میکند و تعداد شمارش با رابطهای که با فاز دارد، توسط میکروکنترولر بر روی LCD نمایش داده میشود. به این ترتیب فاز متناظر با ضریب شکست مایع پیل سوختی آشکار میشود.
اساس کار تداخل سنج سه مود بهبود یافته
شکل 1 سامانه تداخل سنجی سه مود بهبود یافته را نشان می دهد. در این سیستم، میدانهای الکتریکی خروجی لیزر سه مود عبارتند از:
در این معادله v1, v2 , v3 فرکانسهای نوری منبع لیزر هستند و به دلیل قطبش بیضوی به وجودآمده است. ابتدا نور خروجی لیزر سهمود توسط شکافندهی پرتو - BS - 32 به دو مسیر هدف و مرجع فرستاده میشود، سپس بازتاب آنها، بر اساس قطبش، به وسیلهی شکافنده- قطبنده پرتو جدا میشود و به سمت آشکارسازهای D1, D2 میروند. در مسیر مرجع یک صفحه تاخیر ربع طول موج با زاویه 45 درجه قرار داده شده است تا جهت قطبشها را عوض کند. همان طور که مشاهده میکنید پیل سوختی در مسیر هدف قرار داده شده است که این باعث تولید اختلاف فاز می گردد. که این اختلاف فاز پس از تبدیل شدن سیگنال نوری توسط آشکارسازهای D1, D2 به سیگنال جریانی، قابل رویت است. جریان خروجی آشکارساز که با هم اختلاف فاز دارند و به سیستم الکترونیکی جهت آشکارسازی فاز متناسب با ضریب شکست پیل سوختی فرستاده می شود عبارت است از: این روابط، fb فرکانس تداخلی ثانویه و خطای غیرخطی ناشی از بخش نوری است و در نهایت اختلاف فاز بین سیگنالهای اندازهگیری و مرجع - - به صورت معادله - 4 - است: جمله دوم خطای غیرخطی است که در مرجع [4] تعریف شده است.
