Quang phổ Laser Diode
Quang phổ Laser Diode
Quang phổ hấp thụ quang học để định lượng nồng độ khí đã được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp hơn 60 năm. Tất cả các phép đo quang phổ hấp thụ đều dựa trên định luật Beer-Lambert, trong đó nói rằng quá trình truyền sẽ phân rã theo hàm mũ dưới dạng exp (-Sg (f) NL) trong đó S là cường độ vạch hấp thụ, g (f) là hàm hình dạng vạch, N là nồng độ của các phân tử khí hấp thụ, và L là chiều dài quang tuyến. Đối với áp suất đủ thấp (vài bar) nhiều khí có các vạch hấp thụ rõ rệt. Đối với hầu hết các loại khí được quan tâm trong công nghiệp, sự hấp thụ cơ bản nằm ở tia hồng ngoại ở giữa (MIR). Tuy nhiên, các loại laser diode đáng tin cậy cho hoạt động ở nhiệt độ phòng CW vẫn chưa có sẵn ở bước sóng vượt quá 2500 nm. Do đó, các dải hấp thụ âm bội trong tia hồng ngoại gần (NIR),nơi các laser bán dẫn III-V thương mại đã được phát triển cho truyền thông quang học được sử dụng trong phép đo khí của chúng tôi. Điều này đòi hỏi độ nhạy hấp thụ rất cao vì độ hấp thụ thường giảm theo thứ tự độ lớn đối với mọi âm bội cao hơn.
Quang phổ HCl
Hình 1: Các dải cơ bản và âm bội đối với HCl. Dải cơ bản nằm xung quanh số sóng 3000 trong khi dải âm bội đầu tiên nằm giữa số sóng 5000 và 6000.
Nguyên tắc đo lường
Không giống như các thiết bị quang phổ UV hoặc IR thông thường, máy phân tích khí của NEO Monitors sử dụng nguyên tắc đo được gọi là ‘quang phổ vạch đơn’, giúp loại bỏ nhiễu chéo từ các khí khác. Một vạch hấp thụ khí duy nhất không có giao thoa được chọn trong dải quang phổ IR gần. Đường hấp thụ này được quét bằng laser diode một chế độ trong trang viên sau: a) laser được điều chỉnh bằng nhiệt độ để xác định chính xác bước sóng trung tâm của đường hấp thụ và b) bước sóng laser được quét bằng cách áp dụng dòng điện dốc (xem Hình . 2). Nguyên tắc đo đơn giản nhất là quang phổ hấp thụ trực tiếp, trong đó sự hấp thụ tại tâm đường thẳng được so sánh với sự hấp thụ ở phía bên của đường thẳng. Tuy nhiên, kỹ thuật này có độ nhạy phát hiện tương đối thấp. Một kỹ thuật vượt trội,được sử dụng bởi các máy phân tích khí của chúng tôi, là quang phổ điều biến bước sóng (WMS). Một điều chế tần số cao của tần số laser được áp dụng và chồng lên đoạn đường nối hiện tại. Bằng cách sử dụng bộ khuếch đại khóa trong, các thành phần hài có thể được chọn để đo. Máy phân tích của chúng tôi phát hiện tín hiệu hài thứ hai, tín hiệu này không bị ảnh hưởng bởi các điều chế đầu ra laser nhỏ (do điều chỉnh laser theo dòng điện) nhưng vẫn đủ mạnh để phát hiện (biên độ của tín hiệu hài giảm để tăng sóng hài). Sự kết hợp giữa WMS và phát hiện sóng hài thứ 2 cho phép đo độ hấp thụ tương đối xuống 10-6 và phân giải nồng độ khí trong khoảng ppm và ppb thấp.Bằng cách sử dụng bộ khuếch đại khóa trong, các thành phần hài có thể được chọn để đo. Máy phân tích của chúng tôi phát hiện tín hiệu hài thứ hai, tín hiệu này không bị ảnh hưởng bởi các điều chế đầu ra laser nhỏ (do điều chỉnh laser theo dòng điện) nhưng vẫn đủ mạnh để phát hiện (biên độ của tín hiệu hài giảm để tăng sóng hài). Sự kết hợp giữa WMS và phát hiện sóng hài thứ 2 cho phép đo độ hấp thụ tương đối xuống 10-6 và phân giải nồng độ khí trong khoảng ppm và ppb thấp.Bằng cách sử dụng bộ khuếch đại khóa trong, các thành phần hài có thể được chọn để đo. Máy phân tích của chúng tôi phát hiện tín hiệu hài thứ hai, tín hiệu này không bị ảnh hưởng bởi các điều chế đầu ra laser nhỏ (do điều chỉnh laser theo dòng điện) nhưng vẫn đủ mạnh để phát hiện (biên độ của tín hiệu hài giảm để tăng sóng hài). Sự kết hợp giữa WMS và phát hiện sóng hài thứ 2 cho phép đo độ hấp thụ tương đối xuống 10-6 và phân giải nồng độ khí trong khoảng ppm và ppb thấp.Sự kết hợp giữa WMS và phát hiện sóng hài thứ 2 cho phép đo độ hấp thụ tương đối xuống 10-6 và phân giải nồng độ khí trong khoảng ppm và ppb thấp.Sự kết hợp giữa WMS và phát hiện sóng hài thứ 2 cho phép đo độ hấp thụ tương đối xuống 10-6 và phân giải nồng độ khí trong khoảng ppm và ppb thấp.
Giới hạn phát hiện
Giới hạn phát hiện đối với các khí khác nhau phụ thuộc vào cường độ hấp thụ cụ thể và độ nhạy phát hiện tổng thể của thiết bị. Ở chế độ truyền bình thường, độ nhạy phát hiện bị giới hạn bởi nhiễu phản hồi Etalon và laser. Nhiễu Etalon là nhiễu quang học do phản xạ nhỏ từ các bề mặt quang học. Nó xuất hiện dưới dạng dao động chồng lên tín hiệu hài bậc 2 và do đó ảnh hưởng đến phép đo nồng độ khí. Rất khó loại bỏ nhiễu Etalon bằng xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Để giảm thiểu ảnh hưởng của nó, điều quan trọng là phải thiết kế màn hình khí dựa trên laser với tối thiểu các thành phần quang học giữa laser và máy dò. Thiết kế của chúng tôi chỉ bao gồm một thấu kính chuẩn trực cho tia laser, một thấu kính hội tụ cho máy dò và các cửa sổ bảo vệ hình nêm cho bộ phát và bộ thu.Một giải pháp thay thế sẽ là đặt tia laser và máy dò ở một bộ phận trung tâm và sử dụng sợi quang cho điểm đo, nhưng giải pháp như vậy sẽ khiến không thể có được độ nhạy phát hiện tương tự do nhiễu quang bổ sung.
Hiệu ứng mở rộng dòng
Biên độ đỉnh của sự hấp thụ và tín hiệu sóng hài bậc 2 giảm khi độ rộng đường truyền tăng lên. Biên độ của tín hiệu sóng hài bậc 2 là thước đo nồng độ khí và do đó phải tính đến các biến thể của độ rộng đường để có phép đo chính xác.
Các hiện tượng sau đây sẽ ảnh hưởng đến chiều rộng đường: mở rộng đường tự nhiên, mở rộng Doppler và mở rộng va chạm. Trong hầu hết các quy trình công nghiệp, sự mở rộng va chạm chiếm ưu thế. Do đó, áp suất và nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến chiều rộng đường truyền. Trong các ứng dụng mà các thông số này được biết đến nhiều như các phép đo trong điều kiện khí quyển, có thể dễ dàng hiệu chỉnh hoặc hiệu chỉnh để mở rộng đường. Tuy nhiên, trong bối cảnh công nghiệp có thể có những thay đổi lớn trong các điều kiện quy trình. Nhiệt độ và áp suất dễ đo và có thể được đưa vào thiết bị để bù liên tục. Nhưng sự mở rộng va chạm cũng phụ thuộc vào tiết diện va chạm của các phân tử. Do đó, sự thay đổi trong thành phần khí có thể ảnh hưởng đến độ rộng đường truyền và tín hiệu hài bậc 2.Các khí thường xuyên xuất hiện trong các quá trình công nghiệp và có ảnh hưởng lớn đến độ rộng của dây chuyền là H2O, CO2 và các hydrocacbon như CH4. Hình 3 minh họa các hiện tượng với một ví dụ về ảnh hưởng của nồng độ H2O đến biên độ của tín hiệu điều hòa bậc 2 đối với HCl. Rõ ràng là phải bù đắp sự phụ thuộc lớn như vậy.
Vì tia laser được quét qua đường hấp thụ nên có thể đo được chiều rộng của đường. Hạn chế của phép đo chiều rộng đường bổ sung là sự gia tăng tiếng ồn trong nồng độ khí đo được. Do đó bù chiều rộng đường tự động chủ yếu áp dụng cho các ứng dụng có sự thay đổi lớn về nồng độ khí. Một ứng dụng điển hình là đốt chất thải. Theo hiểu biết của chúng tôi, các màn hình khí của NEO Monitors AS là thiết bị duy nhất trên thị trường tích hợp tính năng bù chiều rộng dòng.
Quang phổ Laser Diode
Mail: Jan.tran@wili.com.vn
