用于检测空气压缩系统中油污染的光声传感器外文翻译资料

 2022-01-28 10:01

用于检测空气压缩系统中油污染的光声传感器

摘要：我们提出了一种用于持续性检测符合ISO-8573标准的压缩空气系统中的油污染的在线（实地）传感器。此传感器基于光声效应并具有在线和实时特点，能在很大程度上使需要高准度压缩空气的广泛用户受益，包括医院、制药行业、电气制造业和洁净室设施等。我们测试了此传感器的灵敏度、可重复性、分子交叉干扰的稳健性以及校准的稳定性。通过定制的带间级联激光器（ICL），在约2950（3.38m）处激发分子键C-H振动，显式测量己烷（）和癸烷（）气体。在此原型光声(PA)传感器在癸烷的测量中，我们得到了0.3ppb的标准差，对应的归一化噪声等效吸收系数为。

  1. 引言

如今对于许多行业来说，压缩空气是很重要的一部分，它操作安全又相对便宜并且非常可靠。然而，压缩空气易受油污染，即使是微量的污染对于许多工业应用来说也是灾难性的，并且对人类健康有害。1991年，国际标准化组织（ISO）制定了压缩空气纯度的ISO-8573-1标准。此举是为了管理压缩空气系统的部件选择，设计和测量。根据该标准，所有具有6个或更多个碳原子的碳氢化合物分子都被认定是“油”。因此，以下有机化合物类别（碳氢化合物）都是“油”：溶剂（例如甲苯，己烷，癸烷......），VOC（挥发性有机化合物），粘合剂，线和表面密封剂，芳香味化合物（空气清新剂，香水等），洗涤剂/清洁剂。油总以三种形式中的一种存在于压缩空气系统的管道：气溶胶，壁流和/或蒸汽（油雾）。气溶胶部分被聚结过滤器除去并且形成为冷凝物。壁流也会以冷凝物的形式展现，或沿着管道壁传输到终端用户，再通过聚结过滤器移除部分。蒸汽和油雾不会被聚结过滤器滤除，因此成为了一个巨大的难题。由于缺乏任何可靠，高灵敏度的在线传感器系统，关键行业被迫依赖人工取样和随后的实验室分析，这样不仅需要繁琐的工作，并且效率低下，更不能保证压缩空气系统符合要求或行业采用的监管要求规范。因此，传感器的主要特点应该是能够在线测量8ppb或更低油污染物的浓度，以满足ISO-8573标准对1级或更高级别压缩空气纯度水平的灵敏度要求。现在有两种油用于空气压缩机：合成油和矿物油。根据Colyer的2007年出版物，经典碳氢化合物的市场份额约为80％，但据称聚乙二醇润滑剂在压缩机中具有许多优点，并且受到压缩空气公司的大力推广。

我们提出了一种基于光声效应，并可用于在线监测压缩空气的油污染传感器。光声光谱技术（PAS）因其易于使用，紧凑，且能在十亿分之一（ppb）量级进行痕量气体测量，是一种用于环境，工业和生物监测和成像的成熟技术。原型光声传感器的设计和布局如图1所示。

图1.a）原型传感器的3D设计图。传感器平台由三个单元组成：采样系统（未示出），光学光谱单元和电子软件。 前箱是PA传感器头，而后箱是系统控制单元。系统控制单元由组合的现场可编程门阵列（FPGA）和微处理器组成。通过软件，系统控制单元提供对PA传感器中重要部件的控制和监控。b）PA传感器头内部的图片。

光声光谱（PA）系统包括一个安装在空气压缩系统中使用等速采样方法的样品收集器，和两个单元：PA传感器模块和驱动器模块。光声光谱技术基于检测分子吸收调制光辐射而产生的声波。产生的光声信号与分子密度成正比，这使得光声光谱技术能够直接测量吸收，而非依赖于根据辐射的传输来计算吸收。然而光声光谱技术不是绝对技术，并且需要针对已知样品（已知浓度的气体/油）进行校准。

通过定制的带间级联激光器（ICL），我们在约2950（3.38m）处激发分子键C-H振动，显式测量己烷（）和癸烷（）气体。光声传感器对油浓度的灵敏度低于1ppb，根据经认证的参考气体（由荷兰计量研究所VSL认证），适用于1级检测（据ISO8573进行最严格的分级）。观察到光谱信号与己烷和癸烷的物质部分的量之间存在的线性依赖，证明了光声传感器对所有等级的油污染都有鉴别作用。压缩空气系统和在线光声传感器之间的接口很关键，因为它保证传感器采集到的是压缩空气的代表性样品。采样系统应能够在高达16bar的压力下工作，并能够承受高达32 bar（lt;1秒）的压力脉冲，故而，设计应该足够坚固且重型到能承受高压。系统采用等速采样方法连续采集空气样品，压缩空气以1.7 L / min的速度连续流动以便传感器快速采样，采样探头位于压缩空气系统管道的中心。通过选择特殊的管长和直径，压缩空气系统中的空气速度与探头中的空气速度相同。关于等速采样的更多细节可以在ISO8573标准中找到。

我们测试了传感器的以下参数：灵敏度（ppb级），测量的准确度和标准偏差（STD），长期稳定性，响应时间，再现性和偏置/背景信号，自清洁方法和流动噪声抗扰度。在此文章中，我们提供了PA传感器的灵敏度，响应时间和可重复性以及随时间的稳定性的数据。在线检测油污染物的能力将显著增强制造商和用户的能力，以保证其产品的质量，并消除许多风险和不合格的问题。

2.光声效应

此传感器基于光声效应。光声技术检测的声波是通过吸收各种分子种类中的调制光辐射而产生的声波。在气体中，声波是通过分子碰撞和跃迁的局部加热产生的。气体分子因吸收激光辐射而激发，增加的能量是通过分子碰撞过程和分子跃迁释放能量转换为局部加热，从而产生声波。压敏装置（例如麦克风，音叉或悬臂）用于监测这些调制声波。以伏特为单位测量的光声信号的幅度由下式给出：

其中P是入射辐射的功率，是吸收系数，它取决于每立方厘米的分子总数和吸收截面，Sm是麦克风的灵敏度，F是光声池的特定常数，这取决于光声池的几何形状和品质因数Q。理想情况下，高灵敏度的光声传感器应只放大声波并抑制声音和电噪声以及来自光声池（池壁和窗口）中其他材料的同相背景吸收信号。

图2.a）装置主要部分的框图。光声池控制器调节池内温度，气体流速和压力。ICL（间带级联激光器）控制器控制ICL的温度和调制。 b）传感器头和内部PAS单元的光学部件的展示。使ICL产生的3.38mu;m激光束并对准，并两次通过光声池以增强与油分子的相互作用。安装间带级联激光器;光声池;后耦合镜;硅窗（SW）。通过COMSOL仿真模拟了光声池的中心存在频率为6.5kHz的声信号谐振模式。两个直径为30mm的板构成声谐振器，这是光声池的主要部件。

3.实验方案

方案主要部分的框图和传感器头的原理图如图2所示。光声光谱系统的典型设置包括调幅光源和带麦克风的光声信号谐振增强的吸收腔。由于当激光光谱比吸收光谱窄时，吸收谱之外的激光功率不会被吸收，所以此时可以获得激光功率转化为光声信号的最高效率。要监测的油的C-H拉伸带位于约3.38mu;m处，在图3（b）中可以看到是己烷。该带非常宽且光谱密集，因此不需要高分辨率光谱探测油分子中的各个旋转吸收峰。因此，我们使用宽带定制的间带级联激光器，其激光光谱与己烷吸收光谱一起显示在图3（b）中。其他需要考虑的问题是光声光谱测量所需的功率水平，紧凑性，外形尺寸和价格。激光器用Peltier元件控制温度保持在20℃（ /-0.1℃）。如果间带级联激光器的温度不能保持恒定，激光频谱的频率将会发生变化，这将改变激光光谱和吸收光谱之间的重叠，从而导致光声信号发生改变，从而改变能评估的油浓度等级。将占空比为50/50的方波输入到激光控制器中，通过调制电流来控制光强度的调制。激光控制器可以在100Hz至20kHz的频率下工作。激光器的输出光束用模制的IR非球面透镜实现准直。透镜在波长3-5mu;m的范围涂有AR涂层。在准直透镜后面插入分束器以将大约0.5％的激光照射到MIR光电探测器（PbSe，1.5-4.8mu;m，交流耦合放大器）上，用于光功率测量和光声信号的归一化。通过光声池的光学传输效率在3.38mu;m处约为97％，并且对于每个光声池窗口，吸收系数约为。吸收峰波长为3.38mu;m的ICL可提供超过60mW的光功率。光声信号可以让使光多次通过光声腔来增强，由于反射，光吸收路径的长度增加导致光声光谱仪的灵敏度增加。到目前为止，光声光谱系统已经应用了各种多次通过和单次通过的构造，例如环形腔，凹腔和横向方型腔。我们使用具有高反射镜（大约99％，曲率半径为500mm）的双通构造，以将光束反射回光声池，如图2（b）所示。双通构造用于增强光信号与油分子的相互作用，从而增强光声信号和灵敏度。

图3. a）显示大约6.5 kHz的声信号谐振和对应的鼓面模式。使用COMSOL可视化模拟鼓面模式的。 b）ICL的标准化光谱（红色曲线）以3.38mu;m为中心，与己烷吸收光谱（黑色曲线）绘制在一起。

光声池的声谐振器具有开孔结构，由两个直径为30mm的圆形板制成，并相隔10mm的距离。光声池的声学响应如图3（a）所示。为了使空气连续流过光声池（最高流速2L/min），输入输出管道连接在流通池的两侧。喷嘴的尺寸为直径10mm，使用流量控制器可保持流量稳定。声谐振器由直径为80mm的外腔覆盖，并充当声流噪声和窗片吸收噪声的缓冲区。我们从理论上和实验上研究了缓冲区的设计。理论研究包括使用OpenFOAM软件，但模拟并未在此处给出。此分析旨在研究和优化光声池的几何形状和气体流速对池内气体分布的影响以及流动噪声是如何影响谐振声信号的。光声池需被加热至65℃（0.1℃），其温度控制非常重要，因为精确的共振频率是温度的函数，温度的变化会增加光声信号的不确定性。

麦克风位于板的中间，因此具有最大的声振幅。来自麦克风的信号用具有可变增益的自制低噪声放大器放大，并在进一步信号处理之前用7kHz带通滤波器（3-10kHz）滤波。我们采用锁相放大器处理所有数据。ICL调制由信号发生器控制，信号发生器也作为锁相放大器的本地振荡器。来自锁定放大器的数据采用具有16位分辨率的250kS/s数据采集（DAQ）卡进行采集。

4.使用VSL标准下的油气检测样品的结果

图4.在VSL测试期间使用的两级稀释系统设置。VSL测量是在灵敏平衡的条件下测量液体混合物随时间的质量损失。各种稀释步骤的混合比决定了浓度。

PAS技术并非绝对技术，而是需要使用经过认证的气体作为校准参考样本。实验通过激发己烷和癸烷分子C-H自选振动模式进行，其使用的样品由符合荷兰计量研究所VSL标准的动态取样系统制备。如图4所示，该动态系统是一个两步稀释系统。将少量物质（液相）通过小毛细管送入烘箱，对其加热并用已知量的氮气和纯净的空气混合一起流动。下一个稀释步骤通过用定量的纯净空气进一步稀释浓度。每60秒测量一次质量损失，该物质的质量损失与各种流速的信息可以得到己烷和癸烷浓度的高精度计算结果。在以下数据中所有己烷和癸烷的浓度和相关不确定性都由油的质量损失决定。注意到使用PA传感器进行的所有实验测量均已通过，测量速度为1.7L/min。所有实验中气流和光声池的压力保持在约1巴。

图5（a）显示了锁相放大器信号与己烷和癸烷浓度之间的线性相关性，每次测量的不确定度小于3％。其中癸烷测量的拟合具有最佳的线性响应，这可能是对准和光声传感器中的气体样品的稳定性产生的小的漂移导致的。在几小时内我们完成了癸烷浓度的测量，而在2天内测量己烷而没有重新对准光学系统。图5（b）显示了在几小时内测量的己烷的测量结果，并且观察到光声传感器的线性度更好。这些结果强调了校准和重新校准光声传感器对于获得可信浓度值的重要性。从图5（a）可以看出，癸烷信号大约是己烷信号响应的1.5倍，这与作为碳数的函数的归一化吸收保持一致。用锁相放大器处理图5所示的数据，积分时间为3秒。

图5.传感器锁相放大器信号与己烷和癸烷物质（浓度）之间的线性相关性。a）癸烷和己烷的ISO 3级和ISO 4级测量。b）癸烷和己烷的ISO 1级（低于80ppb）和ISO 2级（低于800ppb）的测量值。 注意，ppm：mol/mol和ppb：nmol/mol。

图6. a）使用光声传感器测量癸烷（C10H22）随时间变化的浓度。可以看到使用样品的平均浓度为11.5plusmn;4.4ppb，标准偏差为0.3ppb。用锁相放大器处理测量，积分时间为10秒。 b）光声背景信号电平为0.93ppb，测量为1ppb癸烷浓度。锁定放大器的积分时间为10秒，灰色阴影区域的数据为1秒。

图6（a）显示了对11.5plusmn;4.4ppb癸烷认证参考样品的测量结果，光声传感器的电压信号使用该值校准。可以清楚地看到，传感器在前7小时内测量的浓度略高2ppb，这归因于稀释系统中的油气冷凝，因为油是粘性分子，易粘附到表面上并缓慢蒸发，因此进入传感器的浓度略高于制备的浓度。但是在空气中以11.5ppb癸烷浓度冲洗7小时后，系统最终达到稳定水平。8小时后的测量值的标准差为0.3ppb。在3.38mu;m处，癸烷的最大吸收量为每1mu;mol / mol吸收，

全文共6856字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[275]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章