Design of a computer controlled test chamber for fluorescence based gas sensors
Floresans tabanlı gaz sensörleri için bilgisayar kontrollü test sistemi tasarımı
- Tez No: 952991
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ GELİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Günümüz dünyasında gelişen teknolojiler ile birlikte sensörler birçok alanda yer edinmiş bulunmaktadır. Sensörlerin tasarımı ve teknolojisi, kullanılacakları alan ve amaç doğrultusunda tasarlanmalıdır. Ancak test edildikleri ortam ve test koşulları da tasarımı ve teknolojisi kadar eşit derecede öneme sahiptir. Bu nedenle, sensörlerin performansının değerlendirilmesinin yanı sıra laboratuvar ortamında sensörlerin geliştirilmesini sağlamak için optimum test sistemlerinin de tasarlanması gerekmektedir. Bu sistemler, değişken hava akış hızları, sıcaklık, nem ve kirletici konsantrasyonlarına sahip ortamlar oluşturacak şekilde tasarlanmalıdır. Özellikle gaz sensörleri için geliştirilen test sistemleri, sensör sistemlerinin geliştirilmesinde kritik öneme sahiptir. Sanayileşme ve kentleşmenin gelişmesiyle birlikte hava kirliliği önemli bir çevre sorunu haline gelmiştir. Kirletici kaynaklarını belirlemek ve azaltım yöntemlerini tasarlamak için hava kirletici parametrelerinin sürekli, kesintisiz ve mümkün olduğu kadar çok yerde ölçülmesi önemlidir.Bu tarz ölçümler için de gaz sensörleri kullanılmaktadır. Son yıllarda kirletici gaz konsantrasyonlarının tespitinde floresan bazlı gaz sensörlerinin (FBS) kullanımına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Bu tür sensörlerin daha hassas, bakım gereksiniminin daha az ve göreceli olarak daha düşük maliyetli olmaları nedeniyle, bu tür sensörler için yapılacak çalışmalar daha fazla önem taşımaktadır. FBS, belirli bir dalga boyunda uyarılan bir floresans aktif prob içeren optik gaz sensörleri alt grubuna ait sensörlerdir. FBS test sisteminin algılama ünitesi; bir ışık kaynağı, bir spektrometre, gaz değişimlerine tepki veren sensör ve filtre elemanlarından oluşmaktadır. Floresans aktif moleküllerde elektronik olarak uyarılmış durumlar ışık emisyonuna yani floresansa neden olur. Floresans emisyon şiddeti aktif probun etrafı ile yaptığı etkileşmelere bağlı olarak değişir. Böylece aktif probun floresansındaki değişmeler izlenerek etkileşmeler hakkında bilgi edinilebilir. FBS sisteminde de aktif prob ile gaz molekülleri arasında etkileşmeler meydana gelir. Bu etkileşmeler spesifik olup probun floresans spektrumunda meydana gelen değişiklikler değerlendirilerek gaz türünün algılanmasını olanaklı kılar. Aktif probun duyarlı olduğu gaz molekülü varlığında floresans şiddetin değişimi zamana göre gözlemlendiğinde gaz miktarı tespit edilmiş olur. Eğer aktif prob tersinir bir özelliğe sahip ise gazın ortamdan uzaklaştırılması sonrasında floresans şiddet yine önceki haline geri gelir. Aktif probun içine gömüldüğü matrisin fiziksel ve kimyasal özellikleri test ortamının sıcaklık, nem, basınç ve benzeri özelliklerinden etkilenmemesi gerekir. Aksi taktirde matristeki değişiklikler floresans özelliklerini etkileyerek gaz ölçümünde ciddi hatalara sebebiyet verirler. Farklı bir gaz testi yapılmak istendiğinde sensör elemanı değiştirilir ve o gaza duyarlı olan aktif prob içeren sensör sisteme takılır. Ölçüm düzeneklerindeki temel unsurlar gaz kaynakları, gaz hatları, akış ölçerler, ölçüm odaları, sensör tepkisini ölçen cihazlar, kontrol sistemleri ve gaz nötralizasyon ekipmanlarıdır. Ölçüm odasındaki gaz karışımının bağıl nemini ve sıcaklığını ve ayrıca tek tek gazların akışını ve konsantrasyonlarını kontrol eden sistemler gibi ölçüm odasındaki ölçüm koşullarını stabilize eden cihazlar, doğruluğu artırmak ve ölçüm yeteneklerini çoğaltmak için ek unsurlardır. Ayrıca, test sistemlerinin konfigürasyonunun sensör ölçümlerini nasıl etkileyebileceğini düşünmek çok önemlidir. Öte yandan, her bir sensör tipinin test edilmesi için özel sistemler gerekmektedir. Bu nedenle, maksimum verimi sağlamak ve floresans tabanlı gaz sensörlerini uygun koşullarda test edebilmek için sistemlerin optimum konfigürasyonlarda tasarlanması gerekir. Yukarıda belirtildiği gibi floresans tabanlı gaz sensörleri optik tabanlı sensörlerin bir alt kategorisidir ve bu tarz sensörler, absorpsiyon, emisyon ve saçılım gibi parametreleridoğru bir şekilde ölçebilecek test sistemlerine gereksinim duyarlar. Bu çalışmada floresans tabanlı gaz sensörleri için bir test sistemi tasarlanmıştır. Test sisteminin tasarımı ve oluşturulması sırasında floresans tabanlı gaz sensörlerinin özellikleri ve gereksinimleri göz önünde bulundurularak sistemin tüm parçaları en uygun yaklaşımlarla kurgulanmıştır. Tasarım kapalı bir test ünitesisinden ve gaz karışımı hazırlama odasından oluşmaktadır. Test ünitesi, gaz ve kuru hava giriş ve çıkışı için valfleri, gaz ve kuru havanın karıştırılması ve taşınması için bir mikser ve fan, sisteme bağlı bir ışık kaynağı ve CCD tabanlı bir spektrometre içerir. Işık kaynağı olarak LED tabanlı bir sistem kullanılmıştır ve belirli dalga boylarında ışık ile sensördeki aktif malzemeyi uyarır. Sistemde değişik dalgaboylarında LEDler bulunmaktadır ve aktif probun uyarma dalgaboyuna göre uygun olan LED sisteme kolayca monte edilir. LED ışık kaynağından yayılan ışık şiddetinin ayarlanması da yine sistemde var olan bir kontrol ünitesi ile ayarlanabilmektedir. Bu kontrol ünitesi sayesinde ışık şiddeti uygun bir aralıkta ayarlanabilmektedir. Sistemde kullanılan CCD spektrometre 200 nm – 1100 nm aralığında çalışan, 0.5 nm çözünürlüğe ve 75 foton/sayim (400 nm); 41 foton/sayim (600 nm) hassasiyete sahip fiberoptik tabanlı bir spektrometredir. Bu dedektör ile aktif probun hem floresans spektrumu alınabilmekte hem de herhangi bir dalgaboyundaki şiddet zamana göre gözlemlenebilmektedir. Dedektörün integrasyon zamanı 1 milisaniyeden 65 saniyeye kadar ayarlanabilmekte böylece hassaslığı ayarlanabilmektedir. Ayrıca gaz giriş ve çıkışlarının kontrol edilmesi, fanın açılıp kapanması, fanın hız ayarının yapılması, ünitedeki sıcaklık, basınç, nem gibi parametrelerin ölçülmesi gibi işlemler de bir yazılım vasıtasıyla bu sistemde gerçekleştirilmektedir. Gaz giriş çıkışları selsnoid valfler vasıtasıyla kontrol edilmektedir. Sistemde her gaz hattı üzerinde bir akışmetre bulunmakta ve gaz akış hızı kararlı bir hale getirilmektedir. Gaz veya gazların test ünitesine aktarılmasından önce gaz miktarını belirlemek için basıncı hassas olarak ölçülen gaz miktarı ayar odasına alınmaktadır. Bu odanın çalışma prensibi ideal gaz yasasına dayanmaktadır. Bu sayede test sırasında ortama salınan gaz miktarı ölçülebilmekte ve kontrol edilebilmektedir. Bu da test aşamasında, ölçümleri daha kararlı hale getiren kontrollü bir gaz ölçümü sağlar. Gaz miktarı ayar odasında hazırlanan gaz karışımı test ünitesie aktarılırken mikser ünitesinden geçirilir ve homojen olarak karışması sağlanır. Mikser olarak pasif sistem tercih edilmiş olup içinde bulunan ve birbirlerine göre değişik yönelimlerde monte eilmiş ızgaralardan oluşur. Gazlar bu ızgaralardan geçerken homojen olarak karışırlar. Mikserden geçirilerek homojen karışıtırılmış olan gaz test ünitesine alınır ve test başlatılır. Bu testin kontrollü bir şekilde yapılabilmesi için test ortamı içinde gaz akış hızı var olan bir fan tarafından sabitlenir. Bununla birlikte sistemdeki ısıtıcı eleman vasıtasıyla test ortamının sıcaklığı sabit tutulur. Gerekli olduğu durumda nem ünitesi devreye alınarak test ortamının nemi belirli bir değere ayarlanabilir. Test ortamı içerisindeki gaz sensör elemanı ile etkileşir ve sensör elemanının floresans özelliklerinde değişiklikler meydana getirir. Bu değişiklikler spektrometre ile ölçülerek gazın cinsi ve miktarı belirlenmiş olur. Sistemin tüm elemanlarının gerekli kalibrasyonları da çalışma sırasında gerçekleştirilmiştir. Öncelikle sıcaklık ünitesinin kalibrasyonları gerçekleştirilmiştir. Ünite bir dimer ile manuel olarak kontrol edilmekte olup, sistemin doğru bir şekilde kontrol edilebilmesi için kalibrasyonları da bu dimere göre yapılmıştır. Dimer, sistemdeki sıcaklığın denge koşullarına göre numaralandırılmış ve istenilen sıcaklığa göre voltajı ayarlayacak şekilde düzenlenlenmiştir. İkinci olarak, kanaldaki hava akışı, basınç ölçümleri aracılığıyla göreceli olarak kalibre edilmiş ve sonuç olarak test ortamında gaz akış profili çıkartılmıştır. Kalibrasyonların tamamlanmasının ardından sistemin verimliliği ve kullanılabilirliliği için bir örnek sensör belirlenmiş ve gerekli testler yapılmıştır. Sistemin verimliliğinin test edilmesi için gerçekleştirilen erken testlerde piranin tabanlı sensör ve CO2 gazı kullanılmıştır. En uygun dalga boyundaki ışık kaynağını belirlemek için CO2 altında emisyon ölçümlerinin yanı sıra piranin çözeltisinin uyarma ve emisyon spektrumları da ölçülmüştür. Bu ölçümlerin sonucunda 385 nanometre dalga boylu bir LED kullanılmaya karar verilmiştir. Testlerin sonucunda sistemin floresans tabanlı gaz sensörlerinin ölçümlerinin doğru bir şekilde yapılabildiği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
The environment in which the sensors are tested and the test conditions are equally critical with the design of the sensors. Therefore, the best test systems must be designed to allow for the development of sensors in the laboratory as well as the evaluation of their performance. On the other hand, fluorescence-based gas sensors (FBS) belong to a category of optical sensors whose operation is based on measuring the intensity of the emitted light by the material which requires specific conditions to be tested at the most convenient. In this study, a computer-controlled test system for FBS was developed and applied. All of the system's components were created utilizing best practices, taking into account the peculiarities and requirements of FBS. The FBS examines the changes that occur as a result of interactions of the fluorescent active probe with the gas. The system's test unit includes a mixer, a gas preparation unit, a heating element, a fan for mixing and circulating the gas at a specified velocity, an LED-based light source coupled to the system, a sensor holder, and a CCD-based fiberoptic spectrometer. The light source is used to excite the fluorescence probe embedded in the sensor at a specific wavelength. The spectrometer is for to get fluorescence data emitted by the fluorescence probe. The intake and the outlet valves for gas and dry air are also controlled, as well as the fan, and other factors like temperature, pressure, and humidity in the device. This setup can be used to test the FBSs in a controlled environment with generally steady airflows at various speeds and circumstances. The test system designed in this study was tested by using 8-Hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium salt (pyranine) doped PVA-based sensor under CO2 environment. The fluorescence response of the sensor to CO2 could be observed clearly in this system. In addition, temperature stability, and gas flow distribution through the cross-section were also measured and the system was calibrated. Finally, the initial test results showed that the system is suitable for the tests of the FBS and also other gas sensors.
Benzer Tezler
- Yüksek hızlı sürekli yanma sistemlerinde alev kararlılığının incelenmesi
A Study on flame stabilization in high speed continuous combustion system
SEZGİN SARAÇOĞLU
- Etilen oksit gaz sterilizatörü tasarımı ve imaları
Design and construction of ethylene oxyde sterilizer
RIFAT TANSU KILIÇÇÖTE
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN PİŞKİN
- Pnömatik yapay kas tabanlı ve çalışma alanı değiştirilebilen esnek robotik kavrayıcı geliştirilmesi
Development of a pneumatic artificial muscle-based flexible robotic gripper with changeable workspace
SEYDA EMİR ŞİMŞİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AKIN OĞUZ KAPTI
- Design and construction of a vision system for cheese quality evaluation
Peynir kalitesinin değerlendirmesi için görüntüleme sistemi tasarımı ve imalatı
ABDURAHMAN AYOUB
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADETTİN KAPUCU