بخشی از مقاله
چکیده – طراحی و ساخت سامانه ي طیف نگاري فوتوآکوستیک لیزري به عنوان یک نشت یاب دقیق SF6 هدف این تحقیق میباشد. معادلات مربوط به یک تشدیدگر صوتی استوانه اي حاوي گاز بافر ازت، حل شد. پارامترهاي مهم، ابعاد بهینه تشدیدگر ، بسامد هاي تشدیدي، ضریب کیفیت ، ثابت سلول و سیگنال فوتوآکوستیک قابل آشکارسازي توسط میکروفون با استفاده از یک برنامه کامپیوتري محاسبه شده است. سپس نتایج روي آشکارسازي گاز SF6 با تابش لیزر پیوسته CO2 با تشدیدگر ساخته شده ، به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت، نتایج نشان داد که حساسیت آن از مرتبه ppb است.
-1 مقدمه
آشکارسازي نشت جزئی گازهاي صنعتی خطرناك از کارخانجات و پاکسازي آن اقدامی حیاتی در مناطق صنعتی به شمار میرود. لذا انتخاب شیوهاي مناسب که بتواند اکثر عوامل شیمیایی را با حساسیت بالا و با زمان پاسخدهی مناسب پوشش دهد حائز اهمیت است. از میان روشهاي اپتیکی آشکارسازي، طیف نگاري جذبی به دلیل سطح مقطع جذب بالا متداولتر از بقیه است. حساسیت آشکارسازي این روش بالا بوده و به طور وسیعی جهت مونیتورینگ گازها استفاده میشود.
از بین روشهاي طیفنگاري جذبی، روش فوتوآکوستیک روشی دقیق و گزینشی با حساسیت بسیار بالا تا مرتبه ppt است اصول آشکارسازي این روش با اندازهگیري مستقیم میزان تابش جذب شده توسط گاز انجام میشود. در این سیستم مطابق شکل1 باریکه لیزر مدوله شده با عبور از یک تشدیدگر صوتی امواجی فشاري تولید کرده که توسط میکروفون آشکارسازي شده و معیاري از غلظت گاز مورد نظر را فراهم میکند.
در این مقاله با حل معادلات حاکم برسیستم فوتوآکوستیک، پارامترهاي مهم در طراحی سیستم را استخراج میکنیم. ابعاد سلول طراحی شده، نوع میکروفون و همچنین توان لیزر رابطهاي مستقیم با میزان سیگنال و کمینه غلظت قابل آشکارسازي دارد. این تحقیق جهت آشکارسازي گاز SF6 با حساسیت 9ppb با موفقیت انجام گرفت. گازSF6 در پستهاي برق فشار قوي به عنوان عایق خوب کاربرد دارد، در ضمن علاوه بر این گاز میتوان تعداد زیادي از گونههاي هیدروکربنی را در ناحیه 9-11 میکرومتر توسط لیزر CO2 کوكپذیر مورد آنالیز قرار داد.
-2 تئوري
در اثر برخوردهاي مولکولی، دماي گاز بالا رفته و امواج فشاري یا صوتی تولید میکند. این امواج صوتی را میتوان با حل معادلات فیزیک کلاسیک، مکانیک سیالات و ترمودینامیک مورد تحلیل و بررسی قرار داد.
-3 طراحی تشدیدگر
نکته اول در طراحی سلول انتخاب فرکانس تشدیدي سلول و تعیین ابعاد آن است حد بالاي فرکانس توسط ناحیه کار میکروفون تعیین میگردد که براي میکروفون- هاي متداول 10-15kHz است. حد پایین فرکانس توسط نوفه الکترونیکی 1/f مشخص می شود که کمینه فرکانس مناسب حدود 1kHz میباشد. همچنین طول و شعاع تشدیدگر بایستی طوري انتخاب شود که سیگنال حداکثر شود. وابستگی فرکانس تشدید به ابعاد سلول براي گاز بافر نیتروژن در شرایط فشار 1000mbar و دماي 293 درجه کلوین توسط یک برنامه کامپیوتري مطابق شکل-2الف مورد بررسی قرار گرفت . براي اولین مد طولی حداکثر طول تشدیدگر حدود 170mm تعیین میگردد.
الف - وابستگی فرکانس تشدید به ابعاد سلول براي گاز بافر نیتروژن، ب - وابستگی سیگنال قابل آشکارسازي گاز SF6 به ابعاد سلول براي گاز بافر نیتروژن محاسبات براي ثابت سلول به صورت تابعی از ابعاد تشدیدگر براي اولین مد طولی تکرار شدند که نتایج آن در شکل-2ب براي سیگنال قابل آشکارسازي توسط میکروفون EK3024 شرکت Knowles براي 5ppm گاز SF6 ارائه شده است. ثابت سلول بیشینه براي شعاع کوچک و طول بزرگ بدست میآید. شعاع تشدیدگر مناسب براي حصول سیگنال بالا کمتر از 10mm تعیین گردید.
حداقل شعاع نیز به محدودیت هاي ساخت و به ضرورت عدم برخورد باریکه به دیواره هاي سلول به دلیل اجتناب از نوفه بستگی دارد . در این طرح شعاع تشدیدگر 3mm و طول آن 160mm در نظر گرفته شد که براي گاز بافر نیتروژن و گاز SF6، فرکانس تشدید 1057Hz ، ضریب کیفیت 31 ، ثابت سلول 8655Pa.cm/W و سیگنال قابل آشکارسازي 17/3mV با توان لیزر 0/2 وات و با حساسیت میکروفون 22mV/Pa در فرکانس تشدید بدست آمد.
-4 کاهش نوفه سیستمی و محیط
دو محفظه استوانه اي یا حجم بافر به صورت صافی صوتی در دو طرف سلول در نظر گرفتیم که نوفه حاصل از جذب لیزر توسط پنجره ها و تلاطم هاي ایجاد شده در ورودي و خروجی گاز و همینطور نوفههاي محیط را تضعیف میکند. جذب باریکه لیزر توسط پنجرهها، موج صوتی در همان فرکانس تشدید سلول ایجاد کرده که می توان ابعاد حجم بافر را طوري انتخاب کرد که براي این فرکانس میرا کننده باشد.
