E!11040 SOMMA Sensor Optical Multi-purpose Mid-IR Applications

De siste årene har den negative effekten av såkalte klimagasser som karbondioksid (CO2), metan (CH4) og lystgass (N2O) på det globale klimaet blitt tydelig og rapporteres regelmessig i nyhetene. Mindre kjent er at noen gasser, spesielt perfluorkarboner (PFC), har et mye høyere potensial for å bidra til drivhuseffekten, men deres konsentrasjoner i luft er generelt mye lavere enn for CO2, CH4 og N2O, så de er ikke i fokus for daglige nyheter. Smelteprosessen i aluminium er en av de største menneskeskapte bidragsyterne til atmosfæriske PFC-er, og diskusjoner om regulering av utslipp har initiert undersøkelsen av egnede målemetoder . Å bruke justerbare diodelasere til å utføre spektroskopiske målinger av gasskonsentrasjoner har blitt en veletablert og moden teknologi. Teknikken gjør det mulig å måle utslipp av mange gasser i en rekke industrielle applikasjoner direkte i prosessen eller på kanalen uten behov for komplekse prøvetakingssystemer. Denne suksessen har ført til aluminiumindustriens interesse for å evaluere en lignende teknologi for in situ CF4-overvåking. Innledende tester har bevist at det er mulig, men det ble observert kryssinterferens med CH4. Innenfor SOMMA-prosjektet var ambisjonen å utvikle en ny laserkilde (en såkalt QCL-XT) skreddersydd for interferensfri måling av CF4 ved å bruke en ny metode for å fjerne interferens med andre gasser i prosessen. Den nye laserkilden er basert på såkalt kvante-kaskade laser-teknologi og avgir laserlys i det midtinfrarøde spektralområdet, hvor nesten alle gasser har sine sterkeste absorpsjonslinjer, og dermed kan høyeste følsomhet oppnås. NEO Monitors har designet og utviklet et sett med elektronikk kort dedikert til å drive en QCL-XT laser. Elektronikken består av en spesiell laserdriver (som kan gi forskjellige strømmer til de respektive seksjonene av QCL-XT), en temperaturregulator som er i stand til å stabilisere lasertemperaturen til en gitt verdi (selv om strømnivåene varierer ved veksling mellom de forskjellige seksjonene), mottakerelektronikk (forforsterker og mikser), og et hovedkort som styrer alle de andre kortene, utfører signalbehandlingen og kommunikasjonen til en tilkoblet datamaskin. Alle kort ble produsert og testet med hensyn til funksjonalitet og ytelse. Prosjektpartner Alpes Lasers leverte en prototype av en QCL-XT til NEO Monitors. Laseren dekker tre bølgelengdeintervaller, det vil si at bølgelengden kan "hoppe" mellom tre forskjellige bølgelengderegioner avhengig av hvordan den er drevet (lasertemperatur og laserstrøm). Laseren ble integrert med den nye elektronikken, noe optikk (linser og gasscelle) og en detektor i et laboratorieoppsett. Gasscellen ble fylt med metan og tetrafluormetan. Posisjonen til absorpsjonslinjer ble brukt til å identifisere den respektive bølgelengden for forskjellige driftsbetingelser. På denne måten var det mulig å demonstrere at de forskjellige bølgelengdeintervallene kan adresseres på en kontrollert måte, slik at det er mulig å måle flere gasser med en og samme laser og potensielt også redusere kryssinterferens.

NEO Monitors developed new competence in signal processing of overlapping spectra as well as competence in driving and controlling a quantum cascade laser with extended tuning. The development has the potential to be used in a new product for improved emission monitoring of perfluorocarbons, strong greenhouse gases.

The SOMMA project has the scope to develop a multipurpose sensing platform based on laser sources with an extended tuning range in the mid-infrared spectral region(3 µm to 12 µm). These so-called QCL-XTs will be developed by Alpes Lasers (Switzerland). The enhanced tunability of these sources will enable the detection of substances in liquid phase, such as contaminations in jet-fuel, as well as multi-gas sensing, such as continuous tetrafluoromethane (CF4) measurements in presence of methane (CH4), water vapor (H2O), and nitrous oxide (N2O). These two applications will be developed in collaboration with two industrial partners: NEO Monitors AS (Norway) and Quantared (Austria). Both developed sensing systems will analyze concentration measurements autonomously and continuously. The end user will be presented with simple information on contamination concentration as a function of time. Due to its low maintenance, ease of use and the abundance of sample preparation, the end user can significantly reduce the total cost of ownership.