«Сельскохозяйственная промышленность и промышленность по переработке отходов выделяют значительное количество метана, – сказал Марк Зондло, руководитель исследовательской группы Принстонского университета, которая разработала датчик. «Обнаружение утечек метана также имеет решающее значение для нефтегазовой отрасли как по экологическим, так и по экономическим причинам, поскольку природный газ в основном состоит из метана."
В журнале Optics Express оптического общества (OSA) исследователи из Принстонского университета и США.S. Лаборатория военно-морских исследований демонстрирует свой новый датчик газа, в котором используется межполосное каскадное светоизлучающее устройство (ICLED) для обнаружения концентраций метана до 0.1 частей на миллион.
ICLED – это новый тип сверхмощных светодиодов, излучающих свет в средней инфракрасной (ИК) области спектра, которые можно использовать для измерения многих химических веществ.
«Мы надеемся, что это исследование в конечном итоге откроет дверь к недорогим, точным и чувствительным измерениям метана», – сказал Натан Ли, первый автор статьи. «Эти датчики можно использовать для лучшего понимания выбросов метана от животноводческих и молочных ферм, а также для обеспечения более точного и всестороннего мониторинга климатического кризиса."
Создание менее дорогостоящего датчика. Лазерные датчики в настоящее время являются золотым стандартом для обнаружения метана, но они стоят от 10 000 до 100 000 долларов США каждый. Сенсорная сеть, которая обнаруживает утечки на свалке, нефтехимическом предприятии, на очистных сооружениях или на ферме, будет чрезмерно дорогой для реализации с использованием лазерных датчиков.
Хотя определение метана было продемонстрировано с помощью светодиодов среднего ИК-диапазона, производительность была ограничена низкой интенсивностью света, создаваемой доступными устройствами.
Чтобы существенно улучшить чувствительность и разработать практическую систему для мониторинга метана, исследователи использовали новый ICLED, разработанный командой Джерри Мейера из Университета Калифорнии.S. Лаборатория военно-морских исследований.
«Разработанные нами светодиоды ICLED излучают примерно в десять раз больше мощности, чем производимые коммерчески доступные светодиоды среднего ИК диапазона, и потенциально могут производиться серийно», – сказал Мейер. "Это может позволить использовать датчики на основе ICLED, которые стоят менее 100 долларов США за датчик."
Для измерения метана новый датчик измеряет инфракрасный свет, проходящий через чистый воздух без метана, и сравнивает его с пропусканием через воздух, содержащий метан.
Чтобы повысить чувствительность, исследователи направили инфракрасный свет от мощного ICLED через полое волокно длиной 1 метр, содержащее образец воздуха. Внутренняя часть волокна покрыта серебром, что заставляет свет отражаться от его поверхностей, когда он проходит по волокну к фотоприемнику на другом конце. Это позволяет свету взаимодействовать с дополнительными молекулами метана в воздухе, что приводит к более высокому поглощению света.
«Зеркала обычно используются для многократного отражения света вперед и назад, чтобы увеличить чувствительность датчика, но они могут быть громоздкими и требовать точной юстировки», – сказал Ли. «Волокна с полой сердцевиной компактны, требуют малых объемов измеряемого газа и обладают механической гибкостью."
Измерение с точностью до лазерных датчиков Для тестирования нового датчика исследователи ввели метан с известными концентрациями в полое оптоволокно и сравнили передачу инфракрасного излучения образцов с современными лазерными датчиками. Датчик ICLED смог обнаружить концентрации до 0.1 части на миллион, демонстрируя отличное соответствие как с откалиброванными стандартами, так и с лазерным датчиком.
«Такого уровня точности достаточно для мониторинга выбросов вблизи источников загрязнения метаном», – сказал Ли. «Набор этих датчиков может быть установлен для измерения выбросов метана на крупных объектах, что позволит операторам недорого и быстро обнаруживать утечки и устранять их."
Исследователи планируют улучшить конструкцию датчика, чтобы сделать его практичным для длительных полевых измерений, исследуя способы повышения механической стабильности полого волокна. Они также изучат, как экстремальные погодные условия и изменения влажности и температуры окружающей среды могут повлиять на систему.
Поскольку большинство парниковых газов и многие другие химические вещества можно идентифицировать с помощью света среднего ИК-диапазона, датчик метана также может быть адаптирован для обнаружения других важных газов.