· optic cable, which may be several meters or even kilo-meters in length depending on the fiber...

Autonomous fiber-optic gas monitoring system with thermoelectric power supply 7

ANDRZEJ NOWROTKRZYSZTOF KAMIL ŻURANNA ŚWIDERSKA-ŚRODAMONIKA MIKOŁAJCZYKWITOLD ŁOJKOWSKI

This paper presents the concept of an autonomous measuring instrument powered bya locally accessible source of heat with a contact surface area of over a dozen or severaldozen cm2 and a temperature higher or lower than the ambient temperature. The designand construction of the measuring device will be based on two modules developed andconstructed in the course of previous work: a dedicated low-power thermoelectric gene-rator and luminescent fiber-optic detector. The system can be additional equippedwith a wireless transmission module. The studies show that, due to the power supply andphotoluminescent measurement system with high stability of the operating point, thisdevice will be capable of continuous operation without maintenance for many months.

Key words: gasometry, thermocouple, nanotechnology

http://dx.doi.org/10.7494/miag.2017.4.532.7

MINING – INFORMATICS, AUTOMATION AND ELECTRICAL ENGINEERING No. 4 (532) 2017

!

The commissioning of new equipment in a measur-ing network under industrial conditions requiresthe provision of adequate power and communicationinterfaces. In many applications, it is embarrassingbecause of the need for new power and teletransmissionwires (after the installation project). The best solutionfor low-power measuring devices that work on theground and in open space is the use of wireless trans-mission and a hybrid power supply based on batteriesand photovoltaic cells. This solution can be partiallyused in underground mines, except that the photo-voltaic cell will be replaced by a thermoelectric cell.The simplest thermoelectric module, which convertsheat flux into electricity, is based on the Seebeckeffect. Elements of this type are commonly used insmall refrigeration units, where they occur in the Peltierphenomenon (which is the reverse of the Seebeck phe-nomenon). The same trade name module (“PeltierModule”) can be used as either a cooling element(one side of a module cools and another heating up)and an electric generator as a result of the flow of heat

flux through the module due to an externally forcedtemperature difference between its pages. The Peltierand Seebeck phenomena have been known in the fieldof physics since the beginning of the 19th century; theyare discussed more extensively in works [1, 2–4].

The measuring part of the proposed device will bebased on a fiber-optic detector. It is a completely non--electric element at the place of measurement, whichis very important when working in an explosive atmo-sphere.

In this paper, we present a detector of oxygen con-tent in the atmosphere – OSE (Oxygen Sensor Effect).Its operating principle uses the unique propertiesof nanocrystalline zirconium dioxide doped witheuropium, obtained by microwave hydrothermal syn-thesis. More information about the properties and ob-taining the nanomaterial are included in paper [5].

The detection material – ZrO2:Eu3+ nanoparticlesstruck by a UV light beam at a 405 nm wavelength,and the UV beam is diffused. In addition to UVin the reflected spectrum, there are red and near--infrared signals from the luminescence in a range ofabout 580–720 nm, whose intensity depends on theconcentration of oxygen. An increase in the oxygen

8 A. Nowrot, K.K. Żur, A. Świderska-Środa, M. Mikołajczyk, W. Łojkowski

content of the gas/atmosphere mixture results decreasein photoluminescence intensity. The presented methodof measuring oxygen concentration has been patentedby Polish and European patents [6, 7].

" !!#$%%&#$!'#'

$(##&)*#+#,#!!

-##

Figure 1 shows a block diagram of a thermoelectriccell measuring device with an external measuring cham-ber connected to two optical fibers. In the course ofprevious work, demonstrators of the most-importantmodules of the device were constructed, including:

– a thermoelectric generator based on the Seebeckphenomenon with a dedicated, stabilized DC/DCconverter,

– a fiber-optic photoluminescent gas detector.

The proposed fiber-optic detector is a low-powerconsumption measuring system that can cooperate withthe constructed thermoelectric generator.

The other modules (radio transmitter and low-powermicrocontroller) will be based on commercially avail-able components and standard equipment used in in-dustrial equipment. Additionally, the voltage stabilizerintegrated in the inverter has a SuperCap-type capaci-tor characterized by high electrical capacitance.Its presence will allow the device to obtain instanta-neous electrical power many times greater thanthe value of the continuous power of the thermoelectriccell (e.g., during radio transmission of data packets inincreased power/range mode). The SuperCap exploita-tion will be controlled by the microcontroller throughpower transistors. The blue frame on the diagram inFigure 1 indicates the stationary part of the unit thatwill be installed/built in a place where it is possible toobtain a difference in temperature and heat flux.

A measuring chamber contains detection materialthat is connected to a stationary member via a fiber-optic cable, which may be several meters or even kilo-meters in length depending on the fiber type used.The experimental version of the system uses a multi--beam optical fiber cable with a length of about twometers. The UV wave is produced by a UV LED405-nm diode.

The detection part consists of two semiconductorphotodetectors, preceded by optical filters. The first

detector measures light in the UV area that has beenpreviously dispersed in the measuring chamber on thedetection material. The sensitivity area of the seconddetector ranges from 580 nm to 640 nm or 600 nm to640 nm and is associated with photoluminescence pro-duced in the detection material. Thanks to the UV levelmeasurement, a reference signal is provided that al-lows the instrument to autocalibrate at almost any time.

Fig. 1. Block diagram of measuring device poweredby thermoelectric cell with outer fiber-optic

measuring chamber

. *#+#,#!! -##

&'#$#,#+ ,#

The construction of the thermoelectric generator hasbeen based on commercially available Peltier modules,which are mainly intended for refrigeration equipment.Three modules (each with 30.0 mm × 30.0 mm × 3.3 mmdimensions) were electrically connected in a seriesstructure. Figure 2 shows an infrared image of the mea-


suring system to determine the electrical characteristicsof a single module as an electric generator. Based onthe images in Figure 2, the temperature of both sidesof the Peltier module (which was the Seebeck phenom-enon) was measured in each case.

Fig. 2. Infrared images of measuring systemfor determining electrical characteristics

of single module as electric generator

The chart in Figure 3 shows the electrical power out-put of a single Peltier module operating as a thermo-couple for various load resistances and a temperaturedifference between the Peltier module sides of 30.3°C.

Fig. 3. Electrical power generated by Peltier moduleduring conversion of heat energy to electrical energyfor different load resistance (results for temperature

difference between module sides 30.3°C)

The highest output power is obtained for a loadresistance of about 2–3 Ω. It was necessary to developa dedicated stabilized DC/DC converter equipped witha SuperCap energy cartridge to keep the module work-ing around its maximum electrical power.

The maximum electrical power obtained fromthe Peltier module per unit of its transverse surface(through which perpendicularly penetrates the heatflux) during operation as a thermocouple dependsstrongly on the temperature difference between its

sides (as illustrated in Fig. 4). The single Peltier mod-ule surface area is 9 cm2 (one side).

Fig. 4. Electrical power produced per surface area unitof Peltier module in which conversion of heat energy

to electricity occurs depending on temperaturedifference between sides of module

The measurements results indicate that for a tem-perature difference of about 30°C (K) between thesides of the Peltier (Seebeck) module and the currenttechnological level of the manufactured modules,the electric power is over 180 Watts. The electricalpower produced by the module surface area unit mayapproximate to the second-degree polynomial orthe following power function:

2maxPA T B T C

s= ⋅ Δ + ⋅ Δ + (1)

where:A = 0.24 (0.04) W/(m2·K2),B = –1.7 (1.5) W/(m2·K),C = 13 (10) W/m2

max BPA T

s= ⋅ Δ (2)

where:A = 0.16 (0.08) W/(m2·KB),B = 2.07 (0.16) Logk (W·m2·A°1).

Considering the high uncertainty of the values ofsome coefficients in Equations (1) and (2), it can onlybe stated that both matches clearly indicate the nature

of dependency 2max .P

Ts

Δ


/ $*, +#'!#-'##!

The measuring chamber is a completely non--electric device. Figure 5 shows the chamber demon-strator, which is the starting point for the constructionof its industrial version. The analyzed gas entersthe detection cavity via a 4-mm-diameter tube.This process can be forced by injection of a gas mix-ture or by self-diffusion. Depending on the alignmentof the calibration elements of the chamber, the detec-tion process is performed in a cavity with a volume ofabout 1 cm3. The industrial version of the device willradically reduce the external dimensions of the cham-ber and replace the intake tube to a flat ceramic filter,which will significantly reduce the diffusion time of thegas entering the chamber. The material of whichthe chamber housing has been made (stainless steel)will be finally adapted to the requirements of explo-sive atmospheres; i.e., any impact on the enclosureof the device cannot generate a spark. To the cham-bers of Figure 5, two groups of optical fibers wereconnected in accordance with the idea in Figure 1.

Fig. 5. Measuring chamber: 1 – inlet of measured gas;2 – fiber-optic armature; 3 and 4 – calibration screws.External dimensions of rectangular part of chamber:

170 mm × 100 mm × 70 mm

They are included in one armor – apparently, only onefiber is connected. The detection material – ZrO2

nanoparticles: Eu3+ (5 mol) – is a tablet (obtained

by compression) with a diameter of 7 mm andthickness of 0.2 mm. The nanoparticles contain-ed in the pellet have an average size of about10 nm. UV light causes photoluminescence in the de-tection material, which is dependent on the levelof oxygen.

Figure 6 shows an example of the luminescence sig-nal produced in the detection material placed in thechamber in Figure 5 and illuminated with a wavelengthof 405 nm.

Fig. 6. Luminescence signal of ZrO2:Eu3+ tabletobtained in laboratory atmosphere

(without gas flow, at room temperature) [5]

The location of the individual extremes correspondsto the colors red and near infrared. This is due tothe electron transitions characteristic for Eu3+ ions de-posited in the ZrO2 nanocrystalline matrix.

The height of the peaks and value of the surfacearea under the curve in Figure 6 in the assumed range(the luminescence intensity integral) depends onthe concentration of oxygen, and the optical signal ismeasured in the stationary part of the device. Depend-ing on the optical filter available, a measurement wave-length range of 580 nm to 640 nm or 600 nm to 640 nmwas used [8, 9].

The characteristics in Figure 7 illustrate an exam-ple response of a system defined as the integratedluminescence intensity for step changes in the con-cen-tration of oxygen that is detected by this gas de-tector. The most-advantageous detection range ofthe luminescence signal is a wavelength of 600 nm to640 nm, since the spectrum in this respect is most--sensitive to changes in the environment around theeuropium ions.


Fig. 7. Value of normalized integral of intensityof luminescence (in range of 600 nm to 640 nm)during changes in oxygen content in measuring

chamber shown in Figure 5

The changes in luminescence in the detection ma-terial as a result of the change in the composition ofatmosphere occur over several dozens of milliseconds.The few seconds of rising or falling times of the re-corded signal in the characteristic of Figure 7 resultsolely from the time of penetration of the gas undertesting into the measuring chamber. The penetratingtime will be shortened if the entrance tube (1) (shownin Fig. 5) is removed. The changes in the luminescenceintensity integral value are not directly proportional tochanges in the concentration of oxygen in the analyzedatmosphere. The detection material exhibits slightlyhigher sensitivity for oxygen concentrations of theorder of a few to a dozen percentage points. This caus-es the 50 concentration of the luminescence concen-tration to not be halfway between the 0 and 100concentration levels in Figure 7. An important senso-ry property of the nanocrystalline material depicted isthe speed of its reaction to changes in the oxygen con-centration in the atmosphere. The optical responsetime of the measurement system is less than severaltens of milliseconds. This depends of the dynamics ofthe luminescence-quenching process in the nanoma-terial. For industrial applications, the reaction timeconstant or time t90 depends only on the diffusiontime or forced penetration of the gas into the insideof the measuring chamber and travel time throughthe dust filter. The diffusion penetration time or timeconstant are similar to methane detectors with infra-red absorption – more than ten seconds.

0 ' ++)

The research and development work done showsthat the current technological level of thermoelectricmodules allows them to be used as power-measuringdevices. The conversion of heat to electricity can takeplace only where there is a heat flux (or one can begenerated). Therefore, it is proposed to use an exter-nal measuring chamber that can be located at almostany distance from the stationary part. The use of pho-toluminescence in nanoscale zirconium dioxide dopedwith europium to measure oxygen concentration hascompletely eliminated the electrical components in themeasuring chamber and optical signals betweenthe chamber and stationary part of the device (whichare transmitted only by optical fibers). The adoptedway of self-calibration allows us to receive high sta-bility and to avoid maintenance for many months.The results of the temperature tests (not presentedin the paper) of the detection material indicate that itsstructural and chemical composition stability are with-in a temperature range of –40°C to 300°C. Thanksto this, the application field of the device under indus-trial conditions is very wide. The heat generated bythe machines due to their imperfections and techno-logical processes can be used for more than poweringmeasuring instruments [2–4]. The concept of the mea-suring instrument adopted in the paper is the startingpoint for the construction of an industrial versionof this device.

References

[1] Goldsmid H.J.: Introduction to Thermoelectricity, “SpringerSeries in Materials Science” 2016, 121: 1–24.

[2] Viswanathan V.V., Davies R.W., Holbery J.: OpportunityAnalysis for Recovering Energy from Industrial Waste Heat andEmissions, Pacific Northwest National Laboratory, Richland2006.

[3] Dunham M.T., Barako M.T., LeBlanc S., Asheghi M.,Chen B., Goodson K.E.: Power Density Optimization forMicro Thermoelectric Generators, “Energy” 2015, 93: 2006–2017.

[4] Cao Z., Koukharenko E., Tudor M.J., Torah R.N., Beeby S.P.:Flexible screen printed thermoelectric generator with enhancedprocesses and materials, “Sensors and Actuators” 2016, 238:196–206.

[5] Smits K., Grigorjeva L., Millers D., Sarakovskis A., Opalin-ska A., Fidelus J.D., Łojkowski W.: Europium doped zirconialuminescence, “Optical Materials” 2010, 32: 827–831.

[6] Polish Patent PAT.218574: Sposób pomiaru zawartości tlenuw gazie, http://regserv.uprp.pl/register/application?number=P.393942.


[7] European Patent EP2686669: Method of measuring of oxygencontent in gas, https://register.epo.org/application?number=EP12715721.

[8] Yen W.M., Shionoya S., Yamamoto H.: Phosphor Handbook,CRC PRESS 2006.

[9] Lakowicz J.R.: Principles of Fluorescence Spectroscopy,Springer 2006.

ANDRZEJ NOWROT, Ph.D., Eng.MONIKA MIKOŁAJCZYK, Eng.

Department of Electrical Engineeringand Automation in Industry

Faculty of Mining and GeologySilesian University of Technology

ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice, [email protected]

[email protected]

KRZYSZTOF KAMIL ŻUR, Ph.D., Eng.Faculty of Management Engineering,

Bialystok University of Technologyul. Wiejska 45A, 15-001 Białystok, Poland

Laboratory of NanostructuresInstitute of High Pressure Physics

Polish Academy of Scienceul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawa, Poland

[email protected]

WITOLD ŁOJKOWSKI, Prof.ANNA ŚWIDERSKA-ŚRODA, Ph.D., Eng.

Laboratory of Nanostructures Institute of High Pressure Physics

Polish Academy of Scienceul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawa, Poland

wl, [email protected]

mailto: wl, [email protected]

Autonomiczny światłowodowy układ monitorowania stężenia gazów z zasilaniem termoelektrycznym 13

ANDRZEJ NOWROTKRZYSZTOF KAMIL ŻURANNA ŚWIDERSKA-ŚRODAMONIKA MIKOŁAJCZYKWITOLD ŁOJKOWSKI

W artykule została przedstawiona koncepcja autonomicznego przyrządu pomiarowegozasilanego lokalnie dostępnym źródłem ciepła o powierzchni kontaktowej od kilkunastudo kilkudziesięciu centymetrów kwadratowych i temperaturze wyższej lub niższej odtemperatury otoczenia o kilkanaście stopni Celsjusza. Opisano budowę i zasadę działa-nia dwóch opracowanych w toku dotychczasowych prac modułów: dedykowanegogeneratora termoelektrycznego małej mocy oraz luminescencyjnego, światłowodowegodetektora gazów. Przeprowadzone badania wskazują, że układ pomiarowy oparty nazaprezentowanej technologii będzie przez wiele miesięcy zdolny do ciągłego działaniabez obsługi serwisowej.

Słowa kluczowe: gazometria, termoogniwo, nanotechnologia

MINING – INFORMATICS, AUTOMATION AND ELECTRICAL ENGINEERING No. 4 (532) 2017

!

Włączenie do eksploatacji nowego urządzeniaw sieci pomiarowej w warunkach przemysłowych wy-maga zapewnienia odpowiedniego zasilania oraz in-terfejsu komunikacyjnego. W wielu przypadkach jestto kłopotliwe ze względu na potrzebę poprowadzenianowej wiązki przewodów zasilających i teletransmisyj-nych (po wykonaniu odpowiedniego projektu). Naj-dogodniejszym rozwiązaniem w przypadku urządzeńpomiarowych małej mocy, pracujących na powierzch-ni i otwartej przestrzeni, jest zastosowanie transmisjibezprzewodowej oraz hybrydowego zasilania wyko-rzystującego akumulatory i ogniwa fotowoltaiczne.Rozwiązanie to może zostać częściowo wykorzystanew podziemnej części kopalń z tą różnicą, że fotoogni-wo zostanie zastąpione ogniwem termoelektrycznym.Najprostszy w zastosowaniu moduł termoelektryczny,dokonujący zamiany energii cieplnej w elektryczną,wykorzystuje do działania zjawisko Seebecka. Ele-menty tego typu są powszechnie stosowane w małychurządzeniach chłodniczych, w których zachodzi zjawi-sko Peltiera będące odwrotnością zjawiska Seebecka.

Ten sam moduł o nazwie handlowej ,,moduł Peltiera”może zostać zastosowany zarówno jako element chło-dzący (jedna ze stron modułu ochładza się, a druganagrzewa), jak i generator prądu elektrycznego w wy-niku przepływu strumienia ciepła przez moduł na sku-tek zewnętrznie wymuszonej różnicy temperatur po-między jego stronami. Zjawiska Peltiera i Seebecka sąznane na płaszczyźnie fizyki od początków XIX wiekui zostały głębiej omówione m.in. w pracy [1, 2–4].

Część pomiarowa proponowanego urządzenia zo-stanie oparta na światłowodowym detektorze lumine-scencyjnym. Jest to element całkowicie nieelektrycznyw miejscu dokonywania pomiaru, co jest bardzo istot-ne podczas pracy w atmosferze wybuchowej.

W artykule przedstawiono detektor tego typu do-konujący pomiaru zawartości tlenu w atmosferze –OSE (Oxygen Sensor Effect). Jego zasada działa-nia wykorzystuje unikatowe własności nanokrystalicz-nego dwutlenku cyrkonu domieszkowanego europem,otrzymanego za pomocą technologii mikrofalowej hy-drotermalnej syntezy. Szczegółowe informacje na te-mat własności i otrzymywania tego nanomateriału zo-stały zawarte w pracy [5].


Wiązka światła UV o długości fali 405 nm, padającna powierzchnię materiału detekcyjnego – pastylkinanocząstek ZrO2:Eu3+ ulega rozproszeniu. W wid-mie oprócz światła rozproszonego od powierzchninanomateriału pojawia się dodatkowy sygnał o czer-wonej barwie na granicy podczerwieni pochodzący odluminescencji w zakresie długości około 580–720 nm,którego intensywność zależy od stężenia tlenu. Wzrostzawartości tlenu w mieszaninie gazów/atmosferze po-woduje spadek intensywności fotoluminescencji. Przed-stawiony sposób pomiaru stężenia tlenu został za-strzeżony patentem krajowym oraz europejskim [6, 7].

" #$%&'!&(

&)*(%+# ,+-$$.$'/$

)+0%'/$ $/%+'1

'21$'0'#23&)%31

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowyurządzenia pomiarowego zasilanego ogniwem termo-elektrycznym z głowicą (komorą) pomiarową podłączo-ną do dwóch światłowodów. W toku dotychczasowychprac skonstruowano demonstratory najistotniejszychmodułów urządzenia, w tym m.in.:

– generator termoelektryczny oparty na zjawiskuSeebecka wraz z dedykowaną, stabilizowaną prze-twornicą DC/DC,

– światłowodowy, fotoluminescencyjny detektor gazu.

Zaprezentowany detektor światłowodowy stanowijeden z niskoenergochłonnych układów pomiarowych,który może współpracować z opracowanym generato-rem termoelektrycznym.

Pozostałe moduły – transmisji radiowej oraz mikro-kontrolera o niskim poborze mocy zostaną oparte naelementach dostępnych w handlu i standardowo sto-sowanych w aparaturze przemysłowej. Układ stabili-zatora napięcia zintegrowany z przetwornicą posiadadodatkowo kondensator typu „SuperCap” cechującysię wysoką pojemnością elektryczną.

Jego obecność umożliwi uzyskanie przez urządze-nie chwilowej mocy elektrycznej wielokrotnie więk-szej od wartości mocy ciągłej ogniwa termoelektrycz-nego (np. podczas radiowej transmisji paczki danychw trybie zwiększonej mocy/zasięgu). Praca kondensa-tora ,,SuperCap” będzie sterowana przez mikro-kontroler za pomocą tranzystorów mocy. Niebieskąramką na schemacie z rysunku 1 oznaczono część sta-cjonarną urządzenia, która będzie instalowana/zabu-

dowywana w miejscu, gdzie możliwe jest uzyskanieróżnicy temperatur i strumienia ciepła.

Rys. 1. Schemat blokowy urządzenia pomiarowegozasilanego ogniwem termoelektrycznym z zewnętrzną

światłowodową komorą pomiarową

Komora pomiarowa zawierająca materiał detekcyj-ny, która jest połączona z członem stacjonarnym zapośrednictwem światłowodu, może być oddalona odniego o wiele metrów, a nawet kilometrów – w za-leżności od zastosowanego światłowodu. W ekspe-rymentalnej wersji układu zastosowano światłowódwielowiązkowy o długości około 2 m. Fala UV jest wy-twarzana za pomocą diody LED UV 405 nm.

Część detekcyjna składa się z dwóch fotodetekto-rów półprzewodnikowych poprzedzonych filtramioptycznymi. Pierwszy z nich dokonuje pomiaru światław obszarze UV, które uległo uprzednio rozprosze-niu w komorze pomiarowej na materiale detekcyjnym.Obszar czułości drugiego detektora obejmuje zakres580–640 nm lub 600–640 nm i związany jest z fotolu-minescencją powstającą w materiale detekcyjnym.Dzięki pomiarowi poziomu UV uzyskiwany jest sygnałodniesienia umożliwiający autokalibrację przyrząduniemal w dowolnej chwili.


4 $/%+$ '21$'0'#23&)%'

%5)+'1$.*-*!'0+'2

Konstrukcja generatora termoelektrycznego zosta-ła oparta na możliwych do kupienia modułach Peltiera,które są przeznaczone głównie do urządzeń chłodni-czych. Zastosowano trzy szeregowo połączone modułyo wymiarach 30,0 mm × 30,0 mm × 3,3 mm każdy.Na rysunku 2 przedstawiono zdjęcie w podczerwieni(kamerą termowizyjną) układu pomiarowego do wy-znaczenia charakterystyk elektrycznych pojedyncze-go modułu jako generatora prądu elektrycznego. Napodstawie uzyskanych obrazów odczytano każdorazo-wo temperatury obydwu stron modułu Peltiera, w któ-rym zachodziło zjawisko Seebecka.

Rys. 2. Zdjęcia w podczerwieni układu pomiarowegodo wyznaczenia charakterystyk elektrycznych

pojedynczego modułujako generatora prądu elektrycznego

Na rysunku 3 przedstawiono wyznaczoną elektrycz-ną moc wyjściową pojedynczego modułu Peltiera pra-cującego jako termoogniwo dla różnych rezystancjiobciążenia i różnicy temperatur pomiędzy ścianamimodułu Peltiera wynoszącej 30,3°C.

Rys. 3. Moc elektryczna ogniwa Peltiera podczaskonwersji energii cieplnej na elektryczną dla różnychrezystancji obciążenia (wyniki dla różnicy temperatur

pomiędzy stronami modułu 30,3°C)

Największa moc wyjściowa uzyskiwana jest dla re-zystancji obciążenia z zakresu od 2 Ω do 3 Ω. Niezbęd-ne było opracowanie dedykowanej stabilizowanejprzetwornicy DC/DC wyposażonej w zasobnik energiitypu SuperCap, aby praca modułu odbywała się w oto-czeniu jego maksymalnej mocy elektrycznej.

Maksymalna moc elektryczna uzyskiwana z modułuPeltiera na jednostkę jego powierzchni poprzecznej(przez którą prostopadle przenika strumień ciepła)podczas pracy jako termoogniwo, zależy silnie od róż-nicy temperatur pomiędzy jego stronami w sposóbprzedstawiony na rysunku 4.

Rys. 4. Moc elektryczna wytwarzana przez jednostkępowierzchni modułu Peltiera, w którym zachodzi

konwersja energii cieplnej na elektryczną w zależnościod różnicy temperatur pomiędzy stronami modułu

W eksperymencie zastosowano jeden z modułówPeltiera o powierzchni 9 cm2. Przeprowadzone pomia-ry wskazują, że obecny poziom technologiczny produ-kowanych modułów Peltiera pozwala na wytworze-nie dla różnicy temperatur ok. 30°C (K) pomiędzyjego stronami, mocy elektrycznej ponad 180 W/m2.Jest to wartość porównywalna z mocą elektryczną(powierzchniową gęstością mocy) fotoogniw dostęp-nych w handlu. Dla punktów pomiarowych z rysun-ku 4 przeprowadzono aproksymację wielomianemdrugiego stopnia oraz funkcją potęgową:

2maxPA T B T C

s= ⋅ Δ + ⋅ Δ + (1)

gdzie:A = 0,24 (0,04) W/(m2·K2),B = –1,7 (1,5) W/(m2·K),C = 13 (10) W/m2.


max BPA T

s= ⋅ Δ (2)

gdzie:A = 0,16 (0,08) W/(m2·KB),B = 2,07 (0,16) Logk (W·m2·A–1).

Zważywszy na wysoką niepewność wartości nie-których współczynników w równaniach (1) i (2), moż-na jedynie stwierdzić, że uzyskane obydwa dopa-sowania wskazują wyraźnie na charakter zależności:

2max .P

Ts

Δ

6 7$$0*1+%'&'%&3(%3

.''#$2/)*

Komora pomiarowa urządzenia jest elementemcałkowicie nieelektrycznym. Na rysunku 5 przedsta-wiono demonstrator komory, który stanowi punktwyjścia do budowy jego przemysłowej wersji. Analizo-wany gaz wnika do wnęki detekcyjnej przez rurkęo średnicy 4 mm. Proces ten może odbywać się w spo-sób wymuszony przez wtłaczanie mieszaniny gazówlub samoczynnie (dyfuzyjnie).

Rys. 5. Komora pomiarowa: 1 – wlot mierzonego gazu,2 – pancerz światłowodów, 3 i 4 – śruby kalibracyjne.

Wymiary zewnętrzne prostopadłościennejczęści komory: 170 mm × 100 mm × 70 mm

W zależności od ustawienia elementów kalibracyj-nych komory właściwy proces detekcji dokonywanyjest we wnęce o objętości około 1 cm3. W przemysło-wej wersji urządzenia dokonane zostanie radykalnezmniejszenie wymiarów zewnętrznych komory orazzastąpienie rurki wlotowej płaskim filtrem ze spiekuceramicznego na obudowie, co pozwoli znacznie skró-cić czas dyfuzyjnego wnikania gazu do wnętrza komo-ry. Również materiał, z którego została wykonanaobudowa (stal nierdzewna), zostanie docelowo dosto-sowany do wymogów pracy w atmosferze wybuchowej,tzn. uderzenie dowolnym przedmiotem w obudowęurządzenia nie może wytworzyć iskry. Do komoryz rysunku 5 podłączono dwie grupy włókien światło-wodowych zgodnie z ideą przedstawioną na rysunku 1.Zawarte są one w jednym pancerzu – pozornie możnaodnieść wrażenie, że podłączony został tylko jedenświatłowód.

Materiał detekcyjny – nanoproszek ZrO2:Eu3+

(5 mol) ma postać pastylki (uzyskanej w wynikusprasowania) o średnicy 7 mm i grubości 0,2 mm. Na-nocząstki zawarte w pastylce mają wymiary średniook. 10 nm. Światło UV powoduje fotoluminescencjęw materiale detekcyjnym o poziomie zależnym od stę-żenia tlenu. Na rysunku 6 przedstawiono przykła-dowy przebieg sygnału luminescencji materiału de-tekcyjnego umieszczonego w komorze z rysunku 5i oświetlonego światłem o długości fali 405 nm. Poło-żenie poszczególnych ekstremów odpowiada barwieczerwonej oraz fragmentowi bliskiej podczerwieni.

Rys. 6. Sygnał luminescencji pastylkiZrO2:Eu3+ uzyskany w atmosferze laboratoryjnej

(bez przepływu gazu, w temperaturze pokojowej) [5]

Wynika ono z przejść elektronowych charaktery-stycznych dla jonów Eu3+ umieszczonych w matrycy


nanokrystalicznego ZrO2. Wysokość pików oraz war-tość pola figury pod krzywą na wykresie z rysunku 6w przyjętym zakresie (całka oznaczona intensywnościluminescencji) zależy od stężenia tlenu i stanowi syg-nał mierzony w stacjonarnej części urządzenia. W za-leżności od zastosowanego filtru optycznego wykona-no pomiar w zakresie od 580 nm do 640 nm lub od600 nm do 640 nm.

Charakterystyka z rysunku 7 przedstawia przy-kładową odpowiedź układu zdefiniowaną jako całkęintensywności luminescencji na skokowe zmiany stę-żenia tlenu, który jest dla tego detektora mierzo-nym gazem. Najkorzystniejszy zakres detekcji sygnałuluminescencji obejmuje długości fali od 600 nm do640 nm, gdyż widmo w tym zakresie jest najbardziejczułe na zmiany otoczenia wokół jonów europu [8, 9].

Zmiana luminescencji materiału detekcyjnegow wyniku zmiany składu atmosfery otaczającej go na-stępuje w czasie kilkudziesięciu milisekund. Kilkuse-kundowe czasy narastania lub opadania rejestrowane-go sygnału w charakterystyce z rysunku 7 wynikająwyłącznie z czasu wnikania badanego gazu do wnętrzakomory pomiarowej. Rezygnując z rurki wejściowej (1)(przedstawionej na rysunku 5), czas ten ulegnie wyraź-nemu skróceniu. Zmiana wartości całki intensywno-ści luminescencji nie jest wprost proporcjonalna dozmian stężenia tlenu w analizowanej atmosferze.

Rys. 7. Wartość unormowanej całki z intensywnościluminescencji (w zakresie 600–640 nm) podczas zmian

stężenia tlenu w komorze pomiarowej z rysunku 5

Materiał detekcyjny wykazuje nieco większą czu-łość dla stężeń tlenu rzędu kilku i kilkunastu procent.Powoduje to, że wartość całki intensywności lumi-nescencji dla stężenia tlenu 50 nie jest położonaw połowie pomiędzy poziomami odpowiadającymi

stężeniom 0 i 100 na rysunku 7. Istotną własnościąsensoryczną przedstawionego materiału nanokrysta-licznego jest szybkość jego reakcji na zmianę stężeniatlenu w otaczającej atmosferze. Czas optycznej odpo-wiedzi układu pomiarowego wynosi nie więcej niż kil-kadziesiąt milisekund, co wynika z dynamiki procesuwygaszania luminescencji w nanomateriale. Z aplika-cyjnego punktu widzenia stała czasowa lub czas t90

reakcji przyrządu zależą wyłącznie od czasu dyfuzyj-nego lub wymuszonego wnikania analizowanego gazudo wnętrza komory pomiarowej oraz czasu przenikaniaprzez filtr przeciwpyłowy. Dla wnikania dyfuzyjnegostała czasowa jest podobna do istniejącej w metano-mierzach wykorzystujących absorpcję w podczerwieni,czyli kilkanaście sekund.

8 !$.*1$%+'

Przeprowadzone prace badawcze i konstruktorskiewskazują, że obecny poziom technologiczny ogniwtermoelektrycznych pozwala na ich zastosowanie dozasilania urządzeń pomiarowych. Konwersja energiicieplnej na elektryczną może odbywać się jedyniew miejscach, gdzie występuje lub można wytworzyćstrumień ciepła. W związku z tym zaproponowano za-stosowanie zewnętrznej komory pomiarowej, któramoże znajdować się niemal w dowolnej odległości odczęści stacjonarnej. Wykorzystanie zjawiska fotolumi-nescencji w nanokrystalicznym dwutlenku cyrko-nu domieszkowanym europem do pomiaru stężeniatlenu pozwoliło całkowicie wyeliminować elementyelektryczne w komorze pomiarowej, a sygnały optycz-ne pomiędzy komorą i częścią stacjonarną urządzeniasą przesyłane wyłącznie światłowodami. Przyjęty spo-sób autokalibracji pozwala na uzyskanie wysokiejstabilności pracy i uniknięcie serwisowania przez wie-le miesięcy. Wyniki badań temperaturowych (nie zo-stały przedstawione w niniejszym artykule) materia-łu detekcyjnego wykazują jego stabilność strukturalnąi chemiczną w zakresie od –40°C do 300°C. Dziękitemu obszar aplikacyjny urządzenia w warunkachprzemysłowych jest bardzo szeroki. Energia cieplna,która wydziela się w maszynach na skutek ich niedo-skonałości oraz w procesach technologicznych, możezostać wykorzystana nie tylko do zasilania przyrządówpomiarowych [2–4]. Przyjęta w referacie koncepcjaprzyrządu pomiarowego jest punktem wyjściowym dobudowy przemysłowej wersji urządzenia.


Literatura

[1] Goldsmid H.J.: Introduction to Thermoelectricity, „SpringerSeries in Materials Science” 2016, 121: 1–24.

[2] Viswanathan V.V., Davies R.W., Holbery J.: OpportunityAnalysis for Recovering Energy from Industrial Waste Heatand Emissions, Pacific Northwest National Laboratory,Richland 2006.

[3] Dunham M.T., Barako M.T., LeBlanc S., Asheghi M., Chen B.,Goodson K.E.: Power Density Optimization for Micro Ther-moelectric Generators, „Energy” 2015, 93: 2006–2017.

[4] Cao Z., Koukharenko E., Tudor M.J., Torah R.N., Beeby S.P.:Flexible screen printed thermoelectric generator with enhancedprocesses and materials, „Sensors and Actuators” 2016, 238:196–206.

[5] Smits K., Grigorjeva L., Millers D., Sarakovskis A., Opalin-ska A., Fidelus J.D., Łojkowski W.: Europium doped zirconialuminescence, „Optical Materials” 2010, 32: 827–831.

[6] Patent polski PAT.218574: Sposób pomiaru zawartości tlenuw gazie, http://regserv.uprp.pl/register/application?number=P.393942.

[7] Patent europejski EP2686669: Method of measuring of oxygencontent in gas, https://register.epo.org/application?number=EP12715721.

[8] Yen W.M., Shionoya S., Yamamoto H.: Phosphor Handbook,CRC PRESS 2006.

[9] Lakowicz J.R.: Principles of Fluorescence Spectroscopy,Springer 2006.

dr inż. ANDRZEJ NOWROTinż. MONIKA MIKOŁAJCZYK

Katedra Elektrotechniki i Automatyki PrzemysłowejWydział Górnictwa i Geologii

Politechnika Śląskaul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice

[email protected]@onet.pl

dr inż. KRZYSZTOF KAMIL ŻURWydział Inżynierii Zarządzania

Politechnika Białostockaul. Wiejska 45A, 15-001 Białystok

Laboratorium NanostrukturInstytut Wysokich Ciśnień PAN

ul. Sokołowska 29, 01-142 [email protected]

prof. dr hab. WITOLD ŁOJKOWSKIdr inż. ANNA ŚWIDERSKA-ŚRODA

Laboratorium NanostrukturInstytut Wysokich Ciśnień PAN

ul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawawl, [email protected]

mailto: wl, [email protected]

· optic cable, which may be several meters or even kilo-meters in length depending on the fiber...

Documents

Transcript of · optic cable, which may be several meters or even kilo-meters in length depending on the fiber...