Водородный газ является перспективным источником энергии с несколькими преимуществами: он лёгкий, складируемый, энергоемкий и экологически чистый по сравнению с ископаемым топливом, не производит загрязняющих веществ или выбросов парниковых газов. Таким образом, он имеет широкое применение в различных областях, включая транспорт, архитектуру, производство электроэнергии и промышленность.
Однако водород легко воспламеняется, и поэтому его безопасное и широкое использование требует надёжных методов обнаружения утечек и обеспечения его чистоты. Потребность в надёжных методах обнаружения потребовала разработки методов обнаружения следов газа. Хотя было разработано несколько методов обнаружения водорода, ни один из них не обеспечивает оптимальных характеристик.
Одним из перспективных методов является технология абсорбционной спектроскопии на основе настраиваемого диодного лазера (TDLAS), которая привлекла значительное внимание для обнаружения различных газов. TDLAS предлагает несколько ключевых преимуществ, включая бесконтактное измерение, обнаружение на месте, высокую селективность, быстрый отклик, низкую стоимость и многокомпонентные, многопараметрические возможности измерения.
Принцип работы прибора заключается в том, что газы поглощают свет определенной длины волны, в результате чего в спектре поглощения появляется тёмная линия , известная как линия поглощения.
Измеряя количество лазерного света, поглощенного на этой длине волны, можно определить концентрацию газа. Однако обнаружение низких концентраций водорода с помощью TDLAS затруднено, поскольку водород имеет более слабое поглощение в инфракрасной области по сравнению с другими газами.
Для решения этой проблемы исследовательская группа из Японии под руководством доцента Тацуо Сиины из Высшей школы инженерии Университета Тиба разработала инновационный метод точного измерения газообразного водорода с использованием TDLAS.
В состав команды вошли Алифу Сяфукайти и Нофель Лагросас из Высшей школы инженерии Университета Тиба, Иппей Асахи из Исследовательского института Сикоку и Сигеру Ямагучи из Школы естественных наук Университета Токай.
Их исследование опубликовано в журнале Optics and Laser Technology.
«В этом исследовании мы достигли высокочувствительного обнаружения газообразного водорода посредством тщательного контроля параметров давления и модуляции в установке TDLAS. Кроме того, мы внедрили метод без калибровки, который обеспечивает адаптируемость к широкому диапазону концентраций», — объясняет профессор Шиина.
В TDLAS лазерный свет проходит через газовую ячейку под давлением, называемую многопроходной ячейкой Герриотта (HMPC), содержащую целевой газ. Длина волны лазера модулируется или колеблется вокруг целевой линии поглощения газа на определенной частоте для устранения любого окружающего шума. Давление в HMPC может существенно влиять на ширину линии поглощения и, следовательно, на параметры модуляции в TDLAS.
Исследователи тщательно проанализировали ширину самой сильной линии поглощения водорода при разных давлениях. С помощью моделирования исследователи определили оптимальное давление для более широкой ширины линии поглощения и наиболее эффективные параметры модуляции в пределах этой ширины линии.
Их метод без калибровки включал использование первой гармоники модулированного сигнала поглощения для нормализации второй гармоники через их отношение, вместо того, чтобы просто полагаться на сигнал второй гармоники, как в обычных системах TDLAS. Кроме того, они использовали газовую ячейку высокого давления, содержащую чистый водород, в качестве эталона для точной настройки модулирующих параметров лазерного сигнала.
Благодаря этому инновационному подходу исследователи добились точных измерений концентрации водорода в широком диапазоне обнаружения от 0,01% до 100%, где 0,01% соответствует концентрации всего 100 частей на миллион (ppm). Более того, результаты улучшились с более длительным временем интегрирования (период времени, в течение которого свет может поглощаться).
При времени интегрирования 0,1 секунды минимальный предел обнаружения составил 0,3% или 30 000 ppm, который улучшился до 0,0055% или 55 ppm при времени интегрирования 30 секунд. Однако за пределами 30 секунд минимальный предел обнаружения увеличился.
«Наша система может значительно улучшить системы обнаружения водорода для обеспечения безопасности и контроля качества, способствуя более широкому внедрению водородного топлива. Например, эту систему можно надежно использовать для обнаружения утечек в автомобилях на водородных топливных элементах», — отмечает профессор Шиина о потенциальных применениях исследования.
Мастер пера, обрабатывает новостную ленту.
