Mae sbectrosgopeg yn offeryn pwerus gydag ystod eang o gymwysiadau a all amddiffyn yr amgylchedd trwy fonitro a rheoleiddio llygredd aer.
Mae Danfoss IXA rhyngwladol o Ddenmarc wedi datblygu dadansoddwr allyriadau yn y cefnfor yn seiliedig ar sbectrosgopeg amsugno uwchfioled (UV) i fonitro ocsidau nitrogen (NOx), sylffwr deuocsid (SO2) ac amonia (NH3) a allyrrir o longau cargo. Mae'r offer monitro optegol wedi'i leoli y tu mewn i system wacáu'r llong ac mae'n agored i amgylcheddau garw gyda thymheredd eithafol, dirgryniadau a chyrydedd, sy'n gosod gofynion amgylcheddol difrifol ar y system sbectrosgopeg.
Pam monitro allyriadau o longau cargo?
Mae allyriadau morol o longau llongau rhyngwladol yn achosi marwolaethau cynamserol oherwydd niwed i'r ysgyfaint a chlefyd cardiofasgwlaidd mewn pobl ledled y byd. Amcangyfrifir bod nifer y marwolaethau o ganser y galon, yr ysgyfaint a'r ysgyfaint a achosir gan allyriadau llongau mor uchel â 60,{1}},000 y flwyddyn yn fyd-eang. Nid yn unig y mae allyriadau llongau morol yn broblem ddifrifol sy'n effeithio ar iechyd pobl, ond mae hefyd yn niweidio ecosystemau morol a daearol.
Mae'r Sefydliad Morwrol Rhyngwladol (IMO) ac Asiantaeth Diogelu'r Amgylchedd yr Unol Daleithiau (EPA) wedi sefydlu Ardaloedd Rheoli Allyriadau (ECAs) mewn llawer o gefnforoedd y genedl gyda rheoliadau allyriadau llym - hebddynt ni all llongau fynd i mewn i lawer o borthladdoedd mawr.
Heb ddadansoddwyr fel y rhai a ddatblygwyd gan Danfoss IXA, er enghraifft, nid oes gan awdurdodau unrhyw ffordd gyfleus, ddibynadwy arall i fonitro allyriadau llongau a gorfodi'r rheoliadau hyn. Er bod llawer o fentrau lleol a rhanbarthol wedi'u hanelu at gyfyngu ar allyriadau llongau, mae gorfodi'r polisïau hyn yn hynod o anodd. Mae'r Dadansoddwr Allyriadau Morol Sbectrwm yn arf pwerus sy'n gallu monitro allyriadau llongau yn gywir mewn amser real.
System Sbectrosgopeg UV
Egwyddor sylfaenol sbectrosgopeg yw bod gan sylweddau sbectrwm amsugno unigryw a'u bod yn gallu amsugno gwahanol donfeddi golau yn dibynnu ar eu cyfansoddiad atomig a moleciwlaidd. Mae'r System Sbectrosgopeg UV o Danfoss IXA yn cynnwys ffynhonnell golau UV dwysedd uchel, sbectromedr UV , a chydrannau optegol wedi'u gwella â UV fel ffibrau optegol, lensys, a drychau planar. Er mwyn deall sut mae gwahanol donfeddi'n cael eu hamsugno ac yn y modd hwn pennu cyfansoddiad y nwy gwacáu, mae'r sbectromedr yn gwahanu allyriadau band eang y ffynhonnell golau yn ofodol i arae canfodydd 1D, sy'n mesur y sbectrwm UV cyfan ar yr un pryd.
Er nad yw system Danfoss IXA yn defnyddio monocromators ar gyfer ynysu tonfedd, mae llawer o systemau sbectrosgopeg yn defnyddio monocromators ar gyfer ynysu tonfeddi. Yn yr achosion hyn, mae golau o ffynhonnell UV yn mynd i mewn i hollt mynediad y monocromator, lle mae elfen wasgaru (fel gratin diffreithiant neu brism) yn torri'r golau i lawr i donfeddi'r cydran sydd ynddo (gweler Ffigur 1).
Delwedd Ffigur 1: Tonfedd prawf sbectromedr, y gellir ei fireinio trwy wahanu'r allyriad band eang i arae synhwyrydd 1D, neu trwy newid ongl y gratio diffreithiant neu brism y tu mewn i'r monocromator. (Credyd delwedd: Edmund Optics)
Mae hollt y monocromator sy'n mynd allan yn blocio pob tonfedd, a dim ond band cul o olau sy'n mynd trwy'r sampl gwacáu sy'n mynd trwy'r hollt. Mae newid ongl y gratio diffreithiant neu brism yn newid y tonfeddi sy'n mynd drwy'r hollt sy'n mynd allan, gan ganiatáu tiwnio'r band prawf yn fanwl. Yna caiff y golau sy'n mynd trwy'r sampl gwacáu ei gyfeirio at synhwyrydd i bennu'r amsugniad sy'n digwydd; yna cyfrifir cyfansoddiad moleciwlaidd y nwy gwacáu o'r canlyniadau amsugno.
Ar gyfer monocromators sy'n defnyddio rhwyllau diffreithiant, mae amlder rhicyn y gratio fel arfer yn cael ei fesur mewn rhiciau fesul milimetr. Mae amlder rhicyn uwch yn gwella cydraniad optegol ond yn arwain at ystod gulach o donfeddi sydd ar gael; i'r gwrthwyneb, mae amlder rhicyn is yn arwain at ystod ehangach o donfeddi sydd ar gael, ond ar draul datrysiad optegol.
Gofynion Amgylcheddol
Mae datblygiad systemau o'r fath yn heriol iawn oherwydd gofynion tymheredd a phwysau eithriadol o uchel. Gall tymheredd uchel achosi i opteg fethu oherwydd toddi a straen thermol, sy'n cyfyngu'n ddifrifol ar y mathau o ddeunyddiau optegol y gellir eu defnyddio. Gall tymheredd uchel hefyd achosi adlynion mewn cydrannau optegol i outgas a halogi'r system. Mae'r system yn agored i dymheredd hyd at 500 gradd, felly mae ei ofynion pwysedd uchel yn gwneud selio'r system optegol yn hollbwysig. Mae'r angen am opteg i drosglwyddo golau UV gydag ychydig neu ddim amsugno hefyd yn cyfyngu ar y deunyddiau optegol sydd ar gael.
Diraddio UV yr opteg
Her arall sy'n wynebu'r prosiect yw bod opteg UV yn dueddol o fod ag oes gyfyngedig, yn bennaf oherwydd halogiad o ffotonau UV pŵer uchel yn rhyngweithio â'r amgylchedd a golau UV yn niweidio haenau a swbstradau'r opteg. Mae'r ddwy effaith hyn yn diraddio perfformiad cydrannau optegol dros amser.
Gellir dyddodi deunyddiau niweidiol ar wyneb yr opteg pan fydd golau UV pŵer uchel yn rhyngweithio â gronynnau, anwedd dŵr, deunydd organig a halogion eraill yn y system. Mae gwacáu a halogion eraill yn yr awyr yn aml yn achosi dyddodion carbon ar arwynebau optegol. Mae Ffigur 2 yn dangos enghraifft o dyfiant dendritig halogiad a achosir gan UV.
Delwedd Ffigur 2: Enghraifft o halogiad a achosir gan amlygiad ffenestr silica ymdoddedig heb ei gorchuddio i olau UV. Tynnwyd y ddelwedd hon ar ôl 6 wythnos o ddod i gysylltiad â laser UV ar tua 3W, sy'n wahanol i'r defnydd o'r dadansoddwr nwy yn y Danfoss IXA, ond mae'n rhoi syniad o'r math o halogiad UV a all ddigwydd.
Gall rhyngweithio â'r nwyon o amgylch yr opteg hefyd arwain at ddyddodi halogion, felly mae unrhyw nwyon gwacáu sy'n mynd i mewn i'r system yn ffynhonnell halogiad. Mae egni ffoton ar donfeddi UV sy'n llai na 400 nm yn agos at yr un peth ag egni bond y moleciwlau cyfagos, sy'n caniatáu i'r golau UV dorri rhai o'r bondiau hyn. Mae hyn yn cynhyrchu ïonau a moleciwlau eraill sy'n gallu halogi arwynebau optegol.
Oherwydd y broses o flinder optegol, mae haenau a deunyddiau swbstrad dyfeisiau opteg UV eu hunain hefyd yn agored i ddiraddio dros amser pan fyddant yn agored i olau UV pŵer uchel. Gall defnydd trwm dros amser achosi iddynt ddiraddio ac arwain at afliwiad neu newidiadau eraill yn y defnydd. Gellir addasu eu mynegai plygiannol i gynhyrchu effaith lensio a all gynyddu dwyster lleol. Gellir ffurfio excitons hunan-gaeth hefyd, sy'n arwain at grynhoi canolfannau amsugno.
O ganlyniad i'r effeithiau hyn, efallai y bydd angen disodli opteg UV dros amser, ond gall selio, golchi a glanhau priodol liniaru'r effeithiau hyn.
Mae'r amgylcheddau llym y mae'n rhaid i Ddadansoddwr Allyriadau Nwy Danfoss IXA eu haddasu i fod wedi peri llawer o heriau i ddyluniad optegol ac opto-fecanyddol y system; fodd bynnag, mae'r ddyfais yn profi i fod yn llwyddiant ac ar hyn o bryd mae'n helpu i fonitro allyriadau o filoedd o longau ledled y byd.
Mae hon yn fuddugoliaeth wych i'r amgylchedd - cam tuag at leihau allyriadau NOx, SO2 a NH3 o longau rhyngwladol. Mae unrhyw ostyngiad yn y llygredd hwn yn helpu i leihau nifer y marwolaethau o glefydau'r galon a'r ysgyfaint a achosir gan allyriadau llongau bob blwyddyn.
Wrth ddylunio system optegol i weithredu mewn amgylcheddau llym, trafodwch y gofynion amgylcheddol penodol gyda'r gwneuthurwr cydrannau optegol. Dylai'r gwneuthurwr cydrannau optegol allu eich arwain trwy'r ystyriaethau allweddol, esbonio'n glir unrhyw gyfaddawdau y gallai fod angen eu gwneud, a sicrhau bod eich system yn gweithredu yn ôl yr angen.
