بخشی از مقاله
(کاربرد فیبر نوری در طراحی و ساخت سنسور اندازه گیری رطوبت در گاز متان)
چکیده
امروزه تامین انرژی از جمله مهمترین دغدغه های بشراست که دراین میان روش های گوناگونی جهت تامین این نیاز وجود دارد که ازجمله این روش ها استفاده از انرژی هسته ای و باد و آب و ... می باشد اما همچنان مهمترین منبع تامین انرژی در این کره خاکی همانا منابع فسیلی هستند.
همانگونه که مستحضرید کشور ایران از جمله مهمترین دارندگان این منابع در جهان است و سرمایه گذاری گسترده در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی توسط دولت در چند سال اخیر به خصوص در صنعت گاز نوید آینده ای روشن در این بخش را می دهد. ایران به عنوان دومین دارنده منابع گاز جهان می تواند فعالیت گسترده ای در این راه انجام دهد اما فناوری استحصال و پالایش و پخش آن همچنان جزو فناوری های پیشرفته به حساب می آید که با توجه به سرمایه گذاری گسترده در این بخش ها این گونه می طلبد که در ایجاد و رشد و توسعه این فناوری ها نیز که بدنه اصلی صنعت نفت و گاز را تشکیل می دهد سرمایه گذاری مطلوب صورت پذیرد تا کشور رااز وابستگی به فناوری های غیربومی در این صنعت استراتژیک وارهاند.البته ناگفته نماند که درچند سال اخیر کارهای خوبی دراین زمینه صورت پذیرفته اما به نظر کافی نمی رسد لذا باید باب پژوهش در این بخش گشوده شود و این امر بدون حمایت گسترده در همه زمینه ها به خصوص از جانب صاحب اختیاراصلی این صنعت ملی یعنی دولت و درراس آن وزارت محترم نفت امکانپذیر نمی باشد. در این مقاله طراحی و ساخت حسگر باریک شده فیبرنوری تک مد به روش کششی-حرارتی با استفاده از لیزر CO2 بمنظور آشکارسازی برهمکنش رطوبت - گاز متان برای اندازه گیری رطوبت گاز گزارش شده است. در این روش رطوبت و متان برروی فیبرنازک شده موجب تغییر ضریب شکست وشعاع غلاف میشود. این فرایند منجر به تغییر در شدت طیف خروجی از حسگر می شود که از تئوری لانگمور تبعیت می نماید.
واژگان کلیدی: حسگر فیبرنوری باریک شده ، برهمکنش رطوبت- گاز متان ، اندازه گیری رطوبت گاز
-1 مقدمه
گاز عبوری از داخل خط لوله انتقال به خصوص در فاصله بین چاه گاز تا پالایشگاه با کاهش فشار و دما دچار انجماد به دلیل رسیدن به نقطه شبنم می گردد که نتیجه آن تشکیل بلوری جامد و سخت است که دراصطلاح به آن یخ هیدروکربوری می گویند. این حالت معمولا در دمای حدود 15 درجه سلسیوس اتفاق می افتد که این کاهش دما در خطوط لوله معمولا در فصول سرد سال ایجاد می گردد لذا احتمال ایجاد این حالت وجود دارد حال اگر بتوان به موقع این ایجاد رطوبت را با استفاده از سیستمی تشخیص داد می توان با استفاده از روش هایی جلوی بروز این حالت را گرفت.
درواقع ساخت این رطوبت سنج به همین دلیل صورت گرفته است.
امروزه با رشد روزافزون تکنولوژی حسگرهای فیبرنوری ، حسگرهای فیبرنوری جایگزین حسگرهای الکتریکی میشوند . از مزیتهای حسگرهای فیبرنوری میتوان به سایز کوچک، حساسیت بالا اشاره نمود. حسگرهای برپایه میدان میراشونده یک دسته از این حسگرها است. دراین نوع حسگر عامل برهمکنش میدان میراشونده فیبر نوری است. از آنجائی که عمق نفوذ در فیبرنوری معمولی بسیارکوچک است ، می بایستی در حسگرهای فیبرنوری باتوجه به اندازه نمونه عمق نفوذ افزایش یابد. افزایش میدان میراشونده موجب افزایش حساسیت حسگر می شود. تحقیقات متعددی پیرامون چگونگی افزایش عمق نفوذ صورت گرفته است که نتیجه آنها معرفی چهار عامل خمش ، نازک سازی ، تغییر زاویه ورودی نور و افزایش طول موج به عنوان عوامل موثر در افزایش عمق نفوذ می باشد. از این رو فیبر نوری به عنوان حسگر مورد نظر، از ناحیه کمر باریک شده تا عمق نفوذ افزایش یابد. از آن جائی که ابعاد مولکولی آب 0/28 نانومتر است می بایستی عمق نفوذ تا این مقدار افزایش یابد ، از این رو علاوه بر استفاده از فیبر نازک شده ، از منبع نور 1550 نانومتر استفاده شده است . استفاده از این منبع نور اختلالی در روند آزمایش ایجاد نخواهد کرد ، زیرا رطوبت در طول موج فرا بنفش جذب داشته و در طول موج 1550 نانومتر فاقد جذب می باشد. استفاده از این طول موج در حسگر فیبر نوری علاوه بر افزایش عمق نفوذ میدان میراشونده امکان استفاده از فیبرهای مخابراتی که ارزان و دردسترس می باشند را فراهم مینماید. در این مقاله برهمکنش رطوبت - متان که از گاز متان خروجی پالایشگاه ها بدست آمده برای غلظت 100 فمتوگرم با استفاده از حسگر فیبر نوری مورد بررسی و آشکار سازی قرار گرفته است.
-2 شرح عملکرد سیستم:
این سیستم تشکیل شده از یک بخش سنسوری که دراین بخش از سنسور ساخت داخل استفاده شده که در توضیح باید گفت که این سنسور قابلیت تشخیص سطوح مختلف رطوبت گاز عبوری از داخل خط لوله را دارد. این سنسور با منبع تغذیه AC کار می کند لذا احتیاج به طراحی یک منبع AC برای آن بود البته از آنجا که معمولا گاز عبوری از خط لوله به جهت وجود گازهای بسیار سمی و اسیدی نظیر H2S و CO2 بسیار خورنده است لذا طراحی یک پکیج مقاوم نیز از ضروریات به حساب می آمد که این کار نیز دراین پروژه انجام گرفت.
در ادامه طرح ها و نقشه های مورد استفاده در این سیستم آورده شده است:
عملکرد سیستم:
همگی ما آشنایی کاملی با تکنولوژی فیبر شیشه داریم به خصوص در جهان ارتباطات راه دورجایی که این تکنولوژی بسیار موفق بوده است.در حوضه تکنولوژی سنسورها این فناوری توانسته به درجه خاصی از اهمیت در سال های اخیر دست یابد.به هرحال فواید آن جهت کاربرد در صنعت به اندازه کافی قابل ملاحظه می باشد.سنسورهای فیبر نوری می توانند در اکثر شرایط سخت اندازه گیری به کار روند:
· در میدان های قوی مغناطیسی
· در محیط های قابل انفجار
· در محیط های در معرض تشعشع
· در موقعیت های با خوردگی بالا
· در نقاط مورد اندازه گیری از راه دور یا نقاط با دسترسی سخت
این تکنولوژی به تدریج در حال تبدیل به یک قانون در عرصه تجارت صنعتی می باشد.دلیل تاخیر در ورود قیمت بالای این سنسورها نیست بلکه این واقعیت است که این تکنولوژی نوین باوجود فواید گسترده تاکنون در سطح وسیعی ناشناخته باقی مانده است. سنسورهای فیبر نوری دارای موفقیت با تاخیری نسبت به سنسورهای الکترونیکی یا سیستم های سنسوریک مرسوم می باشند.سیستم های اندازه گیری فیبر نوری به طور موثری کارایی خود را نشان داده اند به خصوص در محیط هایی که تکنولوژی های اندازه گیری رایج تاکنون با مشکلات رفع نشدنی روبرو شده اند. تکنولوژی سنسورهای فیبر شیشه می تواند در تعداد بالا با قیمتی قابل توجیه تولید شود. نور به عنوان وسیله ای برای دریافت و ارسال اطلاعات دارای تعداد زیادی فواید آشکار در میان تکنولوژی های اندازه گیری می باشد.
به عنوان یک مثال برای استفاده از این تکنولوژی به عنوان یک سنسور رطوبت فیبر نوری ، این مطلب راهی را نشان می دهد که این تکنوژی می تواند در آینده به تصویر بکشد. این روش اندازه گیری رطوبت در آزمایشگاه های داخلی توسعه یافته و به ثبت رسیده است. ما در آزمایشگاه های خود به توسعه دانسته هایمان در این زمینه پرداخته ایم ، در ترکیب با دیگر سنسورهای فیبر نوری، مقادیر فیزیکی اضافی، همانند دما و فشار به وسیله ماژول های الکترونیکی رایج می توان از این سنسورها استفاده نمود.سیستم سنسوریک فیبر نوری می توانند سنسورهای رایج را کامل کنند و حتی می توانند با آنها رقابت نیز نمایند.
-3 کلیات سیستم اندازه گیری
شکل -1 کلیات سیستم اندازه گیری
تصویر بالا نشاندهنده کلیات سیستم می باشد که تاحدود زیادی براساس نظریه Fabry-Perot می باشد. یک فیلتر با یک ساختار فیلمی نازک نقش یک عنصر ترانسدیوسر را در انتهای رشته هدایتگر موج ایفا می نماید. در این چیدمان نوری، فیلتر ، در محدوده طیفی 820nm - که نخستین دریچه فیبر نوری شیشه- کوارتز نامیده می شود- تولید حداقل انعکاسی مطمئن و مناسب می نماید. LED های با کیفیت بالا به عنوان منبع نوری با پهنای باند نوری مناسب برای این دریچه فراهم شده اند. محدوده انتشار LED ها باید بتواند محدوده طیفی ترانسدیوسر انعکاسی را تحت نفوذ متغییر های اندازه گیری قرار دهد.
تغییرات طیفی بوسیله ابزارهای اندازه گیری طیفی که با تکنولوژی سنسورهای فیبر نوری توسعه یافته اند تشخیص و پردازش می شود. یک پولی کروماتور کوچک و با شفافیت بالا به عنوان قلب سیستم عمل می نماید.
رشته هدایتگر موج نوری به LED ها ، عناصر ترانسدیوسرو پولی کروماتور متصل است. سنسورهای رطوبت ، فشار و دما می توانند به تجهیزات اندازه گیری هم طیف متصل شوند.
شکل-2 شمای کلی سیستم
- 4 سنسور
شکل " - 3 سنسور فیبر نوری" تشکیل شده از دوبخش ترانسدیوسر و رشته کابل هدایتگر موج با نقاط اتصال نوری.
یکی از سرهای این کابل های فیبر نوری دارای حساسیت نسبت به رطوبت بوده و دارای یک لایه منعکس کننده نور می باشد ، و سر دیگر آن دارای کانکتوری نوری می باشد که توسط آن به یک منبع نوری و واحد اندازه گیری طول موج نوری (Polychromator) متصل می گردد . فیبر نوری در این حالت نقش منتقل کننده نور مورد اندازه گیری را برعهده دارد.
سنسور های حسگر رطوبت واقعی "فیلتر تداخلی فیلم نازک " Fabry-Perot نامیده می شود و یک سیستم چندلایه است که شامل 8 لایه /4 دی الکتریک با یک (Nl) پایین و 10 لایه با یک شاخص انعکاسی بالا (Nh) می باشد. ضخامت نهایی نوک سنسور تقریبا برابر 2 m می باشد.
اکسیدها ، مواد مناسب برای لایه دی الکتریک می باشند ، نظیر SiO2 با یک شاخص انعکاسی پایین یا TiO2 ، ZrO2 و HfO2 با ضرایب انعکاسی بالا از جمله اکسیدهای مناسب در این زمینه می باشند. این مواد به جهت پایداری دمایی و مقاومت شیمیایی شان معروف شده اند.
لایه ها توسط تبخیر تحت خلا پر فشار و دارا بودن یک ساختار متخلخل ممتاز تولید می شوند. مطالعات نشان داده که اندازه این خلل و فرج ها در لایه های سنسور که مقدار اثر رطوبت را اندازه گیری می نماید کوچکتر از 0,4nm می باشد. این به این معنی است که فقط ذراتی که کوچکتر از 0.4nm می باشند می توانند در این سوراخ های ریز نفوذ کرده و جذب شوند. در مقایسه اندازه موثر یک مولکول آب برابر 0,28nm می باشد.
