Spectroscopie photoacoustique à base de laser diode pour la détection du gaz acétylène et son analyse quantitative

  RÉSUMÉ

  L'acétylène dans l'huile est un gaz caractéristique important qui reflète les défauts de décharge prématurés du transformateur et des autres équipements électriques immergés dans l'huile. Des techniques de spectroscopie photoacoustique basées sur le laser de haute sensibilité et de bonne sélectivité peuvent être bien appliquées pour détecter des traces de gaz. Un montage expérimental portable et accordable avec une diode laser à rétroaction distribuée a été développé dans cet article. Les paramètres de propriété de la cellule photoacoustique, les relations entre les signaux photoacoustiques et la puissance du laser et les concentrations de gaz acétylène ont été analysés expérimentalement. Au moyen d'une modulation de longueur d'onde au laser diode, le spectre photoacoustique à l'acétylène à haute résolution proche de 1,5 mm dans la première bande d'ondes proche de l'infrarouge a été étudié. Une nouvelle méthode d'analyse quantitative photoacoustique a été proposée sur la base de la régression des moindres carrés. Les résultats théoriques et expérimentaux montrent la faisabilité d'un contrôle en ligne de l'acétylène et de la conception d'un spectromètre photoacoustique accordable à haute sensibilité.

  1. INTRODUCTION

  L'acétylène (C2H2) est l'un des principaux gaz utilisés dans les transformateurs et autres équipements électriques immergés dans l'huile présentant des défauts de décharge. La détection rapide et précise de l'acétylène dissous dans de l'huile isolante est une méthode efficace pour prévoir les défauts internes potentiels et pour mettre au point des équipements électriques permettant un diagnostic précoce [1-3].

  La spectroscopie photoacoustique (PAS) offre de bonnes perspectives en raison de sa stabilité, de sa haute sensibilité, de sa vitesse de détection rapide, de la séparation des gaz et de la consommation, qui peuvent être mesurées directement [4-6]. Bijnen et al. [7] ont conçu un système de détection PAS intracavité basé sur le laser au dioxyde de carbone et de l'éthylène a été détecté. En Chine, Yu a mesuré de faibles concentrations de 6 ppm de CH4 gaz avec PAS [8]. L'étude de Sigrist [9] résume de manière exhaustive les résultats de la recherche PAS en Chine et à l'étranger. Ces dernières années, les techniques spectroscopiques à base de lasers à semi-conducteurs sont devenues un axe de recherche en tant que sources de lumière, en raison de leur largeur de raie étroite, de leur longueur d'onde ajustable et de leurs excellentes propriétés. Ils ont été utilisés dans la détection PAS de gaz, ce qui nous permet d’analyser des lignes d’absorption moléculaire uniques et d’obtenir une bonne sélectivité, une plage dynamique étendue et une capacité de réglage de la portabilité [10]. Cet article présente la conception d’une installation expérimentale portable et ajustable avec un laser à diode à rétroaction distribuée (DFB). Les relations entre les signaux photoacoustiques (signaux PA) et la puissance du laser, ainsi que les concentrations en acétylène ont été analysées expérimentalement. Au moyen de la modulation de longueur d'onde du laser à diode, le spectre photoacoustique à l'acétylène à haute résolution proche de 1,5 mm dans la première bande d'ondes proches du proche infrarouge a été étudié. Sur la base de la régression des moindres carrés, une nouvelle méthode d'analyse quantitative photoacoustique a été proposée, qui permet de réduire les impacts dus aux erreurs de constante de cellule, d'absorption de gaz, de puissance laser et d'autres paramètres. Les résultats théoriques et expérimentaux montrent qu'il est possible d'effectuer un contrôle en ligne de l'acétylène et de concevoir un spectromètre photoacoustique accordable à haute sensibilité.

2. CONFIGURATION EXPÉRIMENTALE

  La figure 1 montre la configuration expérimentale PAS du gaz.

  Un laser à diode DFB fabriqué par NEL Corporation au Japon a une largeur de raie étroite (2 MHz) et une longue durée de vie, ce qui répond aux exigences de conception en termes de portabilité et de mise au point. Le spectre d'émission laser d'un laser DFB est donné à la figure 2, montrant une longueur d'onde centrale de 1520,09 nm. Le laser à diode fonctionne dans le mode de rayonnement mono-longitudinal, où la température et le courant d’injection sont contrôlés par un contrôleur laser afin d’ajuster la longueur d’onde de l’émission. Afin de minimiser le bruit acoustique généré par l'absorption des parois, un collimateur est installé à l'extrémité du laser de sorte que son faisceau soit aligné avec l'axe de la cellule photoacoustique (cellule PA), illustrée à la figure 1. La fréquence de modulation de la lumière a été contrôlée par un hacheur mécanique SR540 pour atteindre une performance stable. Un microphone EK-3024 a été utilisé pour acquérir le signal PA, dont la sensibilité est de 22 mU / Pa. Le signal PA a été mesuré à l'aide d'un ampli fi cateur à verrouillage SR830.

  La cellule PA est en laiton. Il contient cinq parties: deux fenêtres de Brewster, deux volumes tampons utilisés pour isoler le bruit de fond généré par l'absorption de la fenêtre et un résonateur central cylindrique de 5 mm de rayon et de 100 mm de long conçu en mode de résonance de cavité longitudinale unidimensionnelle, symétrique, comme indiqué Figure 3. Lorsque la lumière laser est polarisée, les fenêtres de Brewster sont utilisées pour réduire le bruit de réflexion généré par les lumières réfléchies par les fenêtres et les murs.

  L'intensité lumineuse incidente peut donc être augmentée dans une certaine mesure.

  3. RÉSULTATS ET DISCUSSION

  3.1.Paramètres de cellule photoacoustique

  La génération de signaux PA est un processus complexe de conversion d’énergie combinant lumière, chaleur et son. L'expression du signal PA du gaz peut être déduite des lois de la fluidité et de la thermodynamique [11]. L'équation (1) est une formule de base de la détection du PAS gaz [12]. Le signal PA, SPA est proportionnel à la

Figure 1. La configuration de test de PAS.

Figure 2. Spectre d'émission du laser à diode DEB.

Figure 3. Vue en coupe longitudinale d'une cellule PA.

puissance laser incidente P0 et coefficient d'absorption des gaz a [13]. La constante de cellule Ccell reflète la conversion de l'énergie lumineuse absorbée par le gaz en énergie acoustique dans le système PAS.

  La fréquence de résonance (f), le facteur de qualité et la constante de cellule de la cellule sont appelés paramètres caractéristiques de la cellule PA. En mode de résonance longitudinale unidimensionnelle, dans les équations ci-dessus, y est la vitesse du son dans le milieu, Rc et Lc sont respectivement le rayon et la longueur du résonateur, dv et dh sont respectivement la couche limite visqueuse et l'épaisseur de la couche limite thermique, g est le rapport thermique spéci fi que du gaz, Q est le facteur de qualité, Vc est le volume du résonateur, v est la fréquence de résonance angulaire, pj (rM, v) est la valeur du mode acoustique normalisé à la position rM du microphone, Ij est l'intégrale de recouvrement entre la distribution du faisceau laser et le mode acoustique de la cavité.

Leff est la longueur effective du résonateur et diffère de la longueur géométrique Lc par un facteur de correction en raison des effets de frontière aux extrémités du résonateur [14].

La vitesse de propagation du son dans l’azote à la température ambiante entre 20 ° C et environ 349,2 m / seconde. Par conséquent, la valeur théorique de la fréquence de résonance longitudinale du premier ordre peut être calculée à 1609 Hz pour cette cellule PA conçue sur la base de l'équation. (2). Dans le processus de traitement de la cellule PA réelle, l'erreur de mesure peut être introduite dans la structure. La vitesse du son peut également être affectée par la température, l'humidité et d'autres facteurs. Par conséquent, il est nécessaire de calibrer la fréquence de résonance en utilisant des méthodes expérimentales. La puissance de sortie du laser est maintenue à 13,7 mW avec la

Figure 4. Courbe de réponse en fréquence de la cellule PA.

longueur d'onde de rayonnement de 1520,09 nm pour l'étalonnage. La concentration standard de C2H2 est de 100 ml / l dans la cellule PA. Nous avons ajusté la fréquence de découpage de 500 à 2300 Hz lentement et avons enregistré les modifications du signal acoustique. Cette courbe de réponse en fréquence est illustrée à la figure 4. La figure montre que plus la fréquence de modulation est proche de la fréquence de résonance, plus l'intensité du signal PA est forte. En effet, les ondes acoustiques dans la cellule PA se produisent dans le premier ordre de résonance longitudinale. La fréquence de résonance expérimentale est de 1442 Hz, comme indiqué à la figure 4.

  Le facteur de qualité Q est un paramètre important des performances des cellules PA, qui reflète les pertes dans la propagation des ondes acoustiques. La valeur théorique du facteur de qualité peut être obtenue à partir de l'équation. (3) en tant que Q ¼ 62.2. Selon la courbe de réponse en fréquence, la valeur réelle Q a été donnée par la réf. [15]:

  où f et Df sont la fréquence de résonance et la valeur de demi-largeur du profil de résonance.

  Les résonances mesurées ont été ajustées avec une distribution de Lorentz, afin d’extraire le facteur de qualité Q ¼ 42,01 et la fréquence de résonance de la cellule PA longitudinale de 1442 Hz. La différence entre la valeur expérimentale Q et la valeur théorique est principalement due au fait que la qualité de la surface interne de notre résonateur n’est pas idéale, ce qui augmente la perte d’énergie acoustique.

  La constante de cellule Ccell est la base et le fondement du calcul du signal PA et de l'inversion des concentrations de gaz. Pour notre cellule PA, avec N2 comme gaz de fond, la valeur théorique de Ccell de 3999,0 Pa · cm / W a été obtenue selon l'Eq. (4). En règle générale, les valeurs théoriques et réelles de Ccell ne correspondent pas. C'est parce que le calcul était basé sur dv, dh, Q, etc., idéalisés et approximés, et limités également par la qualité de la cellule PA. La constante de cellule expérimentale peut être dérivée de Eq. (1) en mesurant le signal PA obtenu dans des conditions bien contrôlées, c'est-à-dire avec un éthylène certifié d'absorption connue (¼ 3:04 × 10 一 5 = cm = MPa) [16] et en mesurant la puissance du laser P0 (13.7 mW). Le niveau de bruit de fond moyen était de 3,2 mU avec du N2 pur dans la cellule PA. La figure 5 montre les signaux PA enregistrés pour 100 ml / l de C2H4 tamponné dans N2 et le signal PA enregistré pour cette cellule était de 224,8 mU. Ensuite, le Ccell expérimental peut être obtenu par Eq. (1) comme

Figure 5. Étalonnage de la constante de cellule.

  3.2.Spectroscopie photoacoustique dans la première bande harmonique

  La spectroscopie moléculaire est une méthode importante pour étudier la structure interne des molécules et vérifier la théorie spectrale. Les caractéristiques d'absorption infrarouge C2H2 proches de 1,5 mm ont été étudiées au moyen d'une diode laser DFB présentant des caractéristiques de largeur de raie étroite et d'un accord de longueur d'onde de 26 8C à la température ambiante et de 0,1 MPa.

  Les spectres PA expérimentaux de C2H2 à une concentration de 997,8 ml / l ont été obtenus dans des conditions bien contrôlées, c’est-à-dire avec un courant d’injection laser de 60 mA et une température comprise entre 20 et 31,5 8C et un pas de balayage de 0,05 à 8C. . Comme le montre la figure 6a, deux lignes d'absorption de C2H2 dans la première harmonique de la région proche infrarouge sont marquées respectivement par R (4) et R (5). Leurs longueurs d'onde de rayonnement laser correspondantes ont été mesurées à l'aide d'un spectromètre à 1520,58 et 1520,08 nm. Les spectres d'absorption calculés à partir de la base de données HITRAN2004 [17] et de la méthode d'intégration utilisée ligne par ligne [18] ont été donnés à la figure 6b à des fins de comparaison. La longueur d'onde centrale calculée des raies d'absorption est de 1520,57 nm (6576,48 / cm) et de 1520,09 nm (6578,56 / cm). Les résultats montrent un bon accord entre les spectres théorique et expérimental.

  3.3.Le rapport entre la puissance laser et la concentration en acétylène

  Une concentration standard de 810 ml / l de C2H2 a été injectée lentement dans la cellule PA. La fréquence de découpage à 1442 Hz rapportée à la fréquence de résonance longitudinale du premier ordre mesurée a été régulée et maintenue. Les réponses du capteur à divers niveaux de puissance laser ont été mesurées en ajustant la puissance de sortie du laser DFB (voir Figure 7). Il est à noter que lors de la régulation de la puissance de sortie, la longueur d'onde du rayonnement laser s'écartera de la raie d'absorption caractéristique 1520.09 nm de C2H2. Par conséquent, l'étalonnage de la longueur d'onde du rayonnement laser est nécessaire. L'étalonnage suivant

Figure 6. Spectre photoacoustique et coefficient d'absorption du spectre infrarouge de C2H2.

Figure 7. Signal PA en fonction de la puissance laser de C2H2.

les méthodes peuvent être utilisées. Réglez la puissance de sortie sur la valeur attendue, puis réglez la température du laser. Lorsque le signal PA atteint son maximum, nous pouvons conclure que la longueur d'onde du laser a été ramenée à 1520,09 nm.

  Sur la figure 7, une bonne linéarité (qualité de l'ajustement R2 = 0,998787) du signal PA entre 3 et 14 mW de la puissance de sortie du laser a été obtenue. Ceci est compatible avec l'équation. (1), qui révèle une relation linéaire entre la puissance du signal PA et la puissance du laser. L'effet PA dans les gaz est l'énergie de radiation absorbée par les molécules excitées converties en chauffage par transition non radiative. Lorsque la concentration de gaz est fixée et que le nombre de molécules de gaz excitées est limité, la puissance de sortie du laser augmente jusqu'à une valeur seuil, au-delà de laquelle le signal PA ne sera plus proportionnel à la puissance et deviendra saturé.

Les mesures de la réponse du capteur aux différentes concentrations d'acétylène (Figure 8) ont été effectuées avec de l'azote pur comme gaz vecteur. Les différentes concentrations de gaz ont été atteintes à l’aide d’un système de distribution de gaz contrôlé automatiquement par un ordinateur. Le capteur a fonctionné dans des conditions optimales, à savoir à une pression atmosphérique de 0,1 MPa, avec un courant laser de 45,30 mA et une puissance de 13,7 mW, une longueur d'onde de rayonnement de 1520,09 nm, la constante de temps de l'amplificateur de verrouillage fixé à 1 seconde, et à une fréquence de modulation égale à la fréquence de résonance de la cellule, soit environ 1442 Hz.

  On voit clairement qu’une bonne linéarité (R2 = 0,9971) des intensités du signal d’AP avec des concentrations de C2H2 a été atteinte. Il est compatible avec l'équation (1) également, qui révèle également la relation linéaire entre le signal PA et la concentration de gaz C2H2, comme illustré à la figure 8.

  4. ANALYSE QUANTITATIVE DE LA SPECTROSCOPIE PHOTOACOUSTIQUE ACETYLENE GAZ

  La technologie de détection de gaz PAS vise à utiliser le signal PA mesuré de l'échantillon de gaz pour une analyse quantitative. Nous avons proposé une nouvelle méthode d'analyse quantitative PAS du gaz basée sur notre système expérimental, à savoir la méthode de régression des moindres carrés [19] pour l'ajustement linéaire du signal PA d'un seul gaz à la concentration connue. Les concentrations de gaz peuvent être déduites de la force du signal PA

Figure 8. Signal de PA en fonction de la concentration en C2H2.

Figure 9. Analyse de régression des concentrations de C2H2 et des signaux d’AP sur la base de la méthode des moindres carrés.

selon la cartographie établie. La méthode peut pallier les faiblesses de l'analyse quantitative classique, qui requiert des informations sur la constante de cellule, le coefficient d'absorption des gaz et la puissance du laser, tout en évitant les erreurs introduites par ces paramètres.

  Les concentrations de C2H2 comprises entre 1 et 1 000 ml / l ont été analysées par notre dispositif expérimental afin d’établir la relation entre l’intensité du signal PA et la concentration en gaz. Les mesures ont été effectuées avec du gaz traversant lentement la cellule PA pour éviter les fuites de gaz causées par une mauvaise étanchéité de la cellule PA. La méthode utilisée consistait à effectuer plusieurs mesures à plusieurs reprises afin de réduire le bruit du système produit par une erreur de mesure. La figure 9 montre une bonne réponse linéaire du capteur aux concentrations de C2H2 dans la plage de concentration.

  Le résultat de l'ajustement de courbe en utilisant la méthode de régression linéaire des moindres carrés est:

  Selon l'analyse précédente, la concentration de C2H2 dans le mélange gazeux peut être obtenue à partir de l'Eq. (7). Pour vérifier le degré de précision de cette méthode, les résultats de la comparaison des différentes concentrations de C2H2 dans le mélange gazeux mesuré par le PAS et ceux obtenus par chromatographie en phase gazeuse (CPG) sont répertoriés dans le tableau I. L'écart e est le pourcentage de la différence entre les valeurs de détection PAS CPAS et GC CGC sur CGC.

  En comparant les concentrations de C2H2 mesurées par le PAS et celles par GC, nous pouvons voir que les différences entre elles ne sont pas petites, c'est-à-dire non supérieures à 4,2%. Les résultats de la détection PAS de gaz unique sur la figure 9 montrent que les signaux PA restent linéairement liés aux concentrations de C2H2 lorsque la concentration est inférieure à 0,1%.

Un paramètre essentiel pour la détection de traces de gaz est la sensibilité obtenue par le système, qui est principalement affectée par les bruits du système. Il est déterminé par le rapport signal sur bruit (SNR) des concentrations de gaz connues [20]:

Tableau I. Comparaison des résultats déterminés par spectrométrie GC et photoacoustique.

  où cmin est la sensibilité du système, c est la concentration de gaz connue. Lorsque la puissance de sortie du laser est de 13,7 mW et que la concentration en C2H2 est de 100 ml / l, le niveau de bruit du système est de 1,5 mU. Le signal de PA à cette concentration pour la cellule est de 89,24 mU. Le SNR était de 59,49, de sorte que la limite de détection minimale ou cmin à 100 ml / l pour un RSB de 1 est de 1,68 ml / l. Cette sensibilité peut être améliorée en augmentant la puissance du laser ou en réduisant le bruit de fond. Il est possible d'atteindre un niveau de détection inférieur à 1 ml / l.

  5. CONCLUSION

  (1) Dans cet article, nous avons développé une configuration expérimentale portable et ajustable avec une diode laser DFB. La fréquence de résonance, le facteur de qualité et la constante de cellule de la cellule PA ont été analysés expérimentalement, ce qui pourrait fournir des références pour la conception d'un spectromètre photoacoustique accordable à haute sensibilité.

  (2) Au moyen d'une diode laser DFB présentant les caractéristiques d'un accord étroit de largeur de raie et de longueur d'onde, les spectres PA de C2H2 dans la première harmonique proche de 1,5 mm ont été étudiés à la température ambiante de 26 ° C et à 0,1 MPa. Les résultats montrent un bon accord avec les spectres d'absorption calculés à partir de la base de données HITRAN2004.

  (3) Les lois selon lesquelles le signal PA varie avec la puissance du laser et les concentrations en acétylène ont été discutées. La linéarité du signal PA avec la puissance laser et la concentration en gaz a été obtenue en l'absence de saturation en puissance.

  (4) Une méthode d'analyse photoacoustique quantitative a été donnée dans l'article basée sur la régression des moindres carrés. Les résultats de la comparaison entre les concentrations de C2H2 mesurées par PAS et celles par GC montrent que la différence est inférieure à 4,2%.

  De plus, cette méthode peut compenser les erreurs introduites par la constante de cellule, le coefficient d'absorption de gaz et la puissance du laser. La méthode proposée est en mesure de répondre aux exigences de surveillance du C2H2 immergé dans l'huile.

  6. LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS

une coefficient d'absorption des gaz

c concentration de gaz connue

Ccell constante cellulaire

CGC Valeur GC

cmin sensibilité du système

CPAS Valeur de détection PAS

DFB commentaires distribués

éducation

fréquence de fresonance

GC chromatographie des gaz

Ij recouvrement imbriqué entre la répartition du faisceau laser et le mode acoustique de la cavité

Lc longueur du résonateur

Leff longueur effective du résonateur

P0 puissance laser incidente signal PA signal photoacoustique cellule PA cellule photoacoustique

PAS spectroscopie photoacoustique

pj (rM, v) valeur du mode acoustique normalisé à la position rM du microphone Q facteur de qualité

Rc rayon du résonateur

SPA Signal PA

SNR rapport signal sur bruit

Vc volume du résonateur

y vitesse du son dans le médium

dv couche limite visqueuse

dh épaisseur de la couche limite thermique

g rapport thermique spécifique du gaz

v fréquence de résonance angulaire

Df valeur de demi-largeur du pro fi l de résonance