LiTH
Optiska Gasmätningar
2014-09-29
Kravspecifikation
för Optiska Gasmätningar
Sergiy Valyukh
Version 1.0
Status
Granskad
Godkänd
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
1
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
2
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
2014-09-29
PROJEKTIDENTITET
Projektgrupp , 2012/ht, projektgruppsnamn
Linköpings tekniska högskola, IFM
Namn
Ansvar
Telefon
E-post
E-postlista för hela gruppen: e-post-adress till gruppen
Hemsida: adress till gruppens hemsida
Kund: IFM, 581 83 LINKÖPING,
Kundtel. 013-28 10 00, fax: 013-13 75 68, e-postadress
Kontaktperson hos kund: Sergiy Valyukh, 013-28 8968, [email protected]
Kursansvarig: Urban Forsberg, 013-28 26 27, [email protected]
Handledare: Lía Fernández del Río, 013-28 12 72, [email protected]
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
3
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
Innehåll
KRAVSPECIFIKATION FÖR OPTISKA GASMÄTNINGAR ..................................................................... 1
STATUS ................................................................................................................................................................. 1
PROJEKTIDENTITET ........................................................................................................................................ 3
DOKUMENTHISTORIK..................................................................................................................................... 5
1
INLEDNING ................................................................................................................................................ 6
1.1
1.2
1.3
1.4
2
ÖVERSIKT AV SYSTEMET ..................................................................................................................... 7
2.1
2.2
2.3
2.4
3
BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM......................................................................................................... 7
INGÅENDE DELSYSTEM ......................................................................................................................... 7
AVGRÄNSNINGAR ................................................................................................................................. 7
GENERELLA KRAV PÅ HELA SYSTEMET ................................................................................................. 7
DELSYSTEM 1: OPTISKA SYSTEMET ................................................................................................. 8
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4
PARTER ................................................................................................................................................. 6
MÅL...................................................................................................................................................... 6
ANVÄNDNING ....................................................................................................................................... 7
DEFINITIONER ....................................................................................................................................... 7
BESKRIVNING AV LJUSKÄLLAN ............................................................................................................. 8
KOMPONENTER FÖR ATT POLARISERA LJUS OCH FÖR ATT MÄTA LJUSETS POLARISATION ..................... 8
FÖNSTER ............................................................................................................................................... 9
SPEGLAR ............................................................................................................................................... 9
FUNKTIONELLA KRAV FÖR DELSYSTEM 1.............................................................................................. 9
DELSYSTEM 2: ELEKTRONIK OCH MÄTVÄRDESINSAMLING .................................................. 9
4.1
4.2
4.3
4.4
FOTODIOD MED ELEKTRONIK ................................................................................................................ 9
STRÖMFÖRSTÄRKARE ......................................................................................................................... 10
DATOR, LABVIEW OCH ANVÄNDARGRÄNSSNITT ................................................................................ 10
DELSYSTEMFUNKTION ........................................................................................................................ 10
5
DELSYSTEM 3: PROVKAMMARE ...................................................................................................... 10
6
DELSYSTEM 4: SENSORYTOR ............................................................................................................ 11
7
PRESTANDAKRAV ................................................................................................................................. 11
8
EKONOMI ................................................................................................................................................. 11
9
KRAV PÅ SÄKERHET ............................................................................................................................ 11
9.1
9.2
LASERSÄKERHET ................................................................................................................................ 11
GASSÄKERHET .................................................................................................................................... 11
10
LEVERANSKRAV .................................................................................................................................... 11
11
UTBILDNING ........................................................................................................................................... 12
REFERENSER .................................................................................................................................................... 12
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
4
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
2014-09-29
Dokumenthistorik
version datum
utförda förändringar
utförda av granskad
1.x
1.0
0.2
0.1
2012-09-19
Första utkastet
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
5
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
1 Inledning
I industriella processer behövs ibland övervakning av koncentrationen av gas i miljöer där det
finns risk för explosion eller exponering för farliga gaser. Ett exempel är tvättprocesser med
flyktiga lösningsmedel. Inga elektriska ledningar får därför finnas i en sådan miljö. Vidare är
det inte alltid möjligt att montera omfattande mätutrustning i eller i närheten av miljön.
Mätning med ljus kan erbjuda både kontaktlös mätning och mätning på avstånd. Figur 1
visare en principskiss på en möjlig lösning.
Dator
Polarisationsoptik
Spegel
Detektor
Fönster
Sensoryta
Spegel
Polarisationsoptik
Ljuskälla
Figur 1.
Provkammare
Principskiss på optisk mätning av gaskoncentration i en sluten provkammare.
I detta dokument kommer alla krav att beskrivas med en tabellrad enligt
Krav nr x
Förändring
Kravtext
prioritet
Kravnummer är löpande genom dokumentet. Kolumn två anger om det rör sig om ett
orginalkrav eller om det reviderats. I kolumn tre finns lydelsen av kravtexten och i kolumn
fyra dess prioritet. Prioritet 1 betyder obligatorisk uppgift medan uppgift med prioritet 2 ska
göras om resurser finns.
1.1
Parter
Beställare är Institutionen för Fysik, Kemi och Biologi, IFM, representerad av kontaktperson
Sergiy Valyukh. Leverantör är projektgruppen i Y1. Till sin hjälp har projektgruppen en
handledare, Roger Magnusson, IFM.
1.2
Mål
En optisk mätutrustning för att mäta gaskoncentrationer i slutna behållare ska byggas.
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
6
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
1.3
Användning
Övervakning av koncentrationen av gas i miljöer där risk för explosion eller exponering för
farliga gaser föreligger.
1.4
Definitioner
Ellipsometri: optisk mätprincip baserad på polarisationsförändringar då ljus reflekteras mot en
yta.
2 Översikt av systemet
Det mätproblem som ska lösas är att från ett avstånd på 2-5 m övervaka gaskoncentration i ett
slutet utrymme utan elektriska genomföringar. En möjlig lösning är att använda polariserat
laserljus som reflekteras mot en sensoryta. Sensorytan placeras i den aggressiva miljön och
laserstrålen skickas in och reflekteras tillbaka genom fönster. Förändring i ljusets polarisation
mäts och tas som ett mått på gaskoncentrationen. I projektet ingår: konstruktion av ett optiskt
system omfattande laser, polarisering av ljus, reflektion, mätning av polarisation och
ljusmätning; konstruktion av elektronik omfattande förstärkare, mätvärdesinsamling och
datorbearbetning; utveckling av provkammare med fönster för ljus, speglar, provhållare och
sensorytor, utprovning, kalibrering genom mätning på gaser med kända koncentrationer
erhållna från vätskefas: samt arbetsmiljöaspekter såsom laserskydd och gasgränsvärden.
2.1
Beroenden till andra system
Systemet ska förberedas så att mätsignalen kan överföras till andra system för
fjärrövervakning.
2.2 Ingående delsystem
Konstruktionen delas upp i fyra delsystem:
1. Optik: ljuskälla, polarisering av ljus, reflektion och polarisationsmätning
2. Elektronik: fotodetektor, förstärkare, mätvärdesinsamling och datorbearbetning
3. Provkammare: fönster för ljus, speglar, provhållare och gasinlopp/utlopp
4. Sensorytor: provmontering, utprovning, kalibrering genom mätning på gaser med kända
koncentrationer erhållna från vätskefas
Dessutom ska arbetsmiljöaspekter såsom laserskydd och gasgränsvärden utredas.
2.3
Avgränsningar
I denna prototyp räcker det med ett maximalt mätavstånd på 2 m.
Mätningar görs endast med etanol som lösningsmedel medan gränsvärden även för fyra
ytterligare gaser utreds.
2.4
Generella krav på hela systemet
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
7
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
Mätsystemet ska fungera i en industriell miljö och rutinmässigt kunna användas av ej utbildad
personal. Det ska därför vara enkelt att använda och ingen specialkunskap ska behövas för att
starta systemet eller för att kalibrera det.
Krav nr 1
Original
Mätsystemet ska kunna användas av en icke-expert.
1
Krav nr 2
Original
Projektplan inlämnas senast vecka 40
1
3 Delsystem 1: Optiska systemet
Det optiska systemet omfattar ljuskälla, komponenter för att polarisera ljus, fönster, speglar,
sensoryta och komponenter för att mäta polarisation enligt Fig.1. Sensorytan beskrivs under
separat rubrik.
3.1
Beskrivning av ljuskällan
För kunna sända ljus över ett längre avstånd måste man ha en väl sammanhållen (kollimerad)
ljusstråle. En laser är därför att föredra. En lågeffekts HeNe-laser med våglängd 633 nm är
lämplig. En laser sänder i regel ut polariserat ljus vilket ska användas i den föreslagna
metoden. Det är dock nödvändigt att kunna vrida polarisationen och det blir opraktiskt att
vrida hela lasern. Det behövs därför ytterligare komponenter för polarisering av ljuset (se
nedan).
Krav nr 3
3.2
Original
Polarisationsgraden för ljus ska definieras och bestämmas för
den laser som används.
1
Komponenter för att polarisera ljus och för att mäta ljusets polarisation
För att kunna ändra ljusets polarisation behövs polarisatorer och så kallade fördröjare
(kvartsvågsplattor). Genom att kombinera dessa komponenter på olika sätt kan polarisationen
vridas och man kan skapa cirkulärpolariserat ljus eller mer allmänt elliptiskt ljus. Polarisatorer
finns av olika kvaliteter och i detta projekt bör polarisatorer av god kvalitet användas. En
kvartsvågsplatta finns tillgänglig men dess referensriktningar behöver mätas upp.
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
8
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
Krav nr 4
Original
Referensriktningar för de använda polarisatorerna ska
bestämmas.
1
Krav nr 5
Original
Referensriktningar för en kvartsvågsplatta ska bestämmas.
1
3.3
Fönster
Som fönster till mätkammaren används enkla s. k. objektglas. Andra alternativ kan dock
tänkas om det krävs p. g. a. kammarens konstruktion.
3.4
Speglar
Som speglar används tunna metallfilmer förångade på glas. Vid reflektion får ljusförlusterna
ej vara större än 50%. Speglar av kisel, guld och koppar finns tillgängliga.
Krav nr 6
3.5
Original
Reflektansen för guldspeglar, kopparspeglar och kiselspeglar
vid den infallsvinkel som används ska bestämmas.
1
Funktionella krav för delsystem 1
Driftproblem är vanligt förekommande. Driften får inte vara för stor eftersom en långsam drift
av signalen kan misstolkas som förändring av gaskoncentration. Driften mäts upp med en
dummy-sensoryta ( t ex en plan kiselyta) och utan mätkammare.
Krav nr 7
Original
Mätsignalens drift i laboratorieuppställning får vara högst
10% på 30 min.
2
4 Delsystem 2: Elektronik och mätvärdesinsamling
Elektronikdelen av mätsystemet omfattar fotodiod, strömförstärkare, LabView och integration
med dator enligt Fig. 2.
LabViewinterface
Dator
Strömförstärkare
Fotodiod
Infallande ljus
Figur 2.
4.1
Översikt över den elektroniska delen av mätsystemet.
Fotodiod med elektronik
Eftersom en laser används är ljusintensiteten relativt hög och en standardfotodiod kan
användas. Likströmsförsörjning och eventuell elektronik konstrueras som labprototyp.
Krav nr 8
Original
En labprototyp för ljusmätning ska byggas.
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
9
1
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
4.2
Strömförstärkare
En strömförstärkare finns tillgänglig och kan användasom det bedöms nödvändigt. Den ställs
in så att utspänning passar LabView och så att en tidskonstant på 1 s erhålls.
Krav nr 9
4.3
Original
Strömförstärkarens ska spänningsanpassas till LabView med
en tidskonstant på 1s.
2
Dator, LabView och användargränssnitt
Signalen från strömförstärkaren (fotodioden) ska digitaliseras och aktuellt värde visas på en
datorskärm i form av en graf där förändringar med tiden kan följas. Informationen ska även
lagras för senare analys. Då gränsvärdet överskrids ska larm utlösas. Användaren av systemet
förväntas ej vara expert. En mätning ska därför kunna göras utan förkunskaper. Ett
användargränssnitt som är anpassat till detta behövs.
Krav nr 10 Original
Gaskoncentrationen de senaste 30 minuterna ska visas på
skärm med uppdatering var 5:e s.
1
Krav nr 11 Original
Alla uppmätta gaskoncentrationer lagras på fil.
2
Krav nr 12 Original
En larmfunktion ska ingå där larm utlöses då tillåtet
gränsvärde överskrids.
2
4.4
Delsystemfunktion
Delsystem 2 ska kunna användas fristående och kan t ex användas för att mäta upp de optiska
komponenterna och för att mäta reflektansen på speglarna.
Krav nr 13 Original
Ljusmätningsdelen i systemet ska kunna användas fristående
utan provkammare och sensoryta.
1
Krav nr 14 Original
Ett fungerande delsystem 2 redovisas vecka 42
1
5 Delsystem 3: Provkammare
Provkammare ska vara utrustad med speglar, provhållare, gasinlopp/utlopp samt fönster för
ljuset. Volymen ska vara i området 2-5 dm3 och den ska vara gastät. Strålgångsgeometrin
framgår av Fig. 1. Ljuset ska komma ut ur kammaren parallellt med det infallande ljuset med
ett avstånd på max 50 mm. Sensorytan justeras så att infallsvinkeln blir 70 grader. Sensorytan
ska enkelt kunna bytas. Gas tillförs genom att kvävgas får bubbla genom etanol. Denna
mättade blandning spädes med kvävgas för lägre koncentrationer.
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
10
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
Krav nr 15 Original
In- och utgående ljusstrålar ska vara parallella på ett avstånd
av högst 50 mm.
1
Krav nr 16 Original
Sensorytan ska enkelt kunna bytas.
1
6 Delsystem 4: Sensorytor
Sensorytor utgörs av kiselprover med ett etsat ytskikt så att det blir poröst. I detta porösa
ytskikt kan gas kondensera och därmed ändras skiktets brytningsindex vilket kan mätas
optiskt. Sensorytor finns tillgängliga.
7 Prestandakrav
Krav nr 17 Original
Mätsystemet ska kunna detektera etanolkoncentrationer ned
till 100 ppm.
1
Projektet ska genomföras med 120 h totaltid per
projektmedlem.
1
8 Ekonomi
Krav nr 18 Original
En handledare finns tillhands för att besvara frågor och för vägledning. Utrustning finns
tillgänglig i rum L206 vid avdelningen för Tillämpad Optik vid IFM.
9 Krav på säkerhet
9.1
Lasersäkerhet
Krav nr 19 Original
9.2
Gällande föreskrifter för laserskydd måste vara uppfyllda.
1
Gränsvärden för gaskoncentration i industriellt miljö för
etanol samt fyra valfria lösningsmedel ska redovisas.
2
Gassäkerhet
Krav nr 20 Original
10 Leveranskrav
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
11
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
Vid slutleverans vecka 48 ska det finnas en fungerande
gasmätare
Krav nr 21 Original
1
11 Dokumentation
Dokument
Språk
Syfte
Målgrupp
Format/
media
Teknisk
dokumentation
Svenska
Definierar alla krav på systemet
Tekniskt
ansvarig
MS Word
dokument/
Elektroniskt
Användarhandled
ning (enkel)
Svenska
Introduktionsbeskrivning av
systemet
Användare
Html sida på
intern
webbplats
Krav nr 22 Original
Teknisk dokumentation och användaranvisning ska finnas
1
12 Utbildning
Viss utbildning i optik tillhandahålls av handledaren.
Utbildning i LabView anordnas.
Referenser
Eriksson, Lars Torsten & Wiedersheim-Paul, Finn (1991), Att utreda forska och rapportera. 1
uppl, Liber Ekonomi, Malmö. ISBN 47-06385-8
Ingemark, Peter (1990), Layout med dator. Principer för funktionell formgivning.
Studentlitteratur, Lund.
Jarrick, Arne & Josephson, Olle (1996), Från tanke till text. En språkhandbok för
uppsatsskrivande studenter. 2 uppl, Studentlitteratur, Lund.
Svenska skrivreger (2000), Svenska språknämnden. 2 uppl, Liber AB, Stockholm. ISBN4704974TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
12
LIPs
LiTH
Optiska Gasmätningar
G. Wang, Gas Sensing Based on Ellipsometric Readout: Methodology and Development,
Dissertation 826, Linköping Studies in Science and Technology, 2003
TFYY51 Ingenjörsprojekt Y
Sergiy Valyukh
Grupp
13
LIPs
