Optinen anturi inkubaattorikaasujen mittaamiseen
Virtanen, Jani (2019)
2019
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Degree Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-11-27
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201911266336
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201911266336
Tiivistelmä
Hiilidioksidikaasun pitoisuuden ja suhteellisen ilmankosteuden mittaus on olennainen osa monien inkubaatioon pohjautuvien biotiedeprosessien hallintaa. Mittaustarkkuuden ja stabiilisuuden parantamiseksi optiseen mittaukseen perustuvat NDIR-anturit (Non-Dispersive Infrared) ovat varteenotettava vaihtoehto perinteisesti käytetyille anturityypeille.
Vaisalan Carbocap-sarjan anturit ovat erittäin ympäristökestoisia NDIR-antureita. Mikrohehku-teknologia sekä MOEMS-pohjaisella (Micro Opto Electro Mechanical System) FP-interferometrilla (Fabry-Pérot) toteutettu spektrinen suodatus takaavat antureille erinomaisen stabiilisuuden pitkälläkin aikavälillä. Työssä tutkitaan muokatun, 2,7 μm:n läheisyydestä mittaavan GMP252-anturin kykyä hiilidioksidi- ja vesikaasun pitoisuuden mittaukseen prosenttitasolla kahdella absorptioaallonpituudella. Mielenkiinnon kohteina ovat saatavan signaalin verrattainen heikkous ja mittauskanavien vahva ristikkäisherkkyys, näiden vastaava vaikutus stabiilisuuteen ja mittaustarkkuuteen sekä selektiivisyyden parantaminen laskennallisesti ja spektrisesti suodattaen.
Kahden stabiilisuuskokeissa tutkitun anturin ryöminnöissä havaittiin melko suuria eroja, mutta ne olivat joka tapauksessa moninkertaisia GMP251-anturin ryömintään verrattuna: hiilidioksidi- ja vesikaasun mittauskanavilla vastaavasti enintään 5 % ja 15 % pitoisuuslukemasta 78 päivän inkubaattorialtistuksen jälkeen. Jatkotutkimuksien aihealueet pelkistyvät absorption vahvistamiseen ja mahdollisesti mikrohehkun emissiospektrin käyttäytymisen parantamiseen tarkasteltavalla aallonpituusalueella.
Ristikkäisherkkyyden kompensointimallin kehittämiseksi rakennettiin korkean kastepistelämpötilan ylläpitoon kykenevä kaasujen sekoitusjärjestelmä. Kompensointimalli kehitettiin kolmesta anturista kerätyn datan pohjalta, yksinkertaiseen kahden muuttujan kiintopistemenetelmään perustuen. Menetelmällä voisi todennäköisesti saavuttaa GMP251-anturin asettaman mittaustarkkuuden ± 2 %. FPI-sirun (Fabry-Pérot inteferometer), jossa läpäisykeskiaallonpituus vastaa interferenssin toista kertalukua, kykyä suodattaa hiilidioksidikaasun absorptio vesikaasun mittauskanavalta tutkittiin alustavasti viidestä näytesirusta otettuihin transmissiospektreihin perustuen. Merkittävä osa sirujen transmissiosta keskittyy transmissiopiikkien häntiin, minkä vuoksi menettely ei ole kovin mielekäs.
Epästabiilisuus ja ristikkäisherkkyyden vaikutukset näyttäisivät olevan melko helposti minimoitavissa, kun anturin optiikka suunnitellaan uudestaan pidempään kyvettiin. Carbocap-teknologia vaikuttaakin lupaavalta lähestymistavalta tarkasteltavien inkubaattorikaasujen samanaikaiseen mittaukseen. Measuring the concentration of carbon dioxide gas and relative humidity is a crucial part in controlling many incubation based life science processes. NDIR (Non-dispersive Infrared) sensors based on optical measurement are a considerable alternative to the traditionally used sensor types in improving the measurement accuracy and stability.
Vaisala's Carbocap series sensors are extremely environmentally durable NDIR sensors. Microglow technology and spectral filtering by a MOEMS-based (Micro Opto Electro Mechanical System) FP-interferometer (Fabry-Pérot) ensure excellent stability even in long-term use. In this work, we study the ability of a modified GMP252 sensor operating in the vicinity of 2,7 μm to measure the concentration of carbon dioxide gas and water vapour at a percent level using two absorption wavelengths. Focuses of interest are the comparative weakness of the received signal and strong cross-interference of the measurement channels, their corresponding effect on the stability and measurement accuracy and improvement of the selectivity computationally and by spectral filtering.
Rather large differences were observed in the drifts of the two sensors used in the stability tests but they were nonethless several multiplies of the drift of the GMP251 sensor: 5 % and 15 % of the concentration reading at most in the measurement channels of carbon dioxide gas and water vapour, respectively, after 78 days of incubator exposure. The topics of future research reduce to strengthening the absorption and possibly improving the behaviour of the Microglow's emission spectra in the studied wavelength range.
In order to develop a compensation model for the cross-sensitivity, a gas mixing system cabable of attaining high dew point temperatures was built. The compensation model was developed based on the data of three sensors, utilizing a simple fixed point method of two variables. The method would likely satisfy the measurement accuracy of ± 2 % set by the GMP251 sensor. The ability of a FPI-chip (Fabry-Pérot Interferometer), the center transmission wavelength of which corresponding to the second interference order, to filter out the absorption of carbon dioxide gas from the water vapour measurement channel was tentatively investigated based on the transmission spectra taken from five sample chips. A significant part of transmission is concentrated to the tails of the transmission peaks which makes the procedure rather unreasonable.
The unstability and effects of cross-interference seem to be quite easily minimizable when the sensor optics are re-designed for a longer cuvette. Carbocap technology looks like a promising approach for the simultaneous measurement of the studied incubator gases.
Vaisalan Carbocap-sarjan anturit ovat erittäin ympäristökestoisia NDIR-antureita. Mikrohehku-teknologia sekä MOEMS-pohjaisella (Micro Opto Electro Mechanical System) FP-interferometrilla (Fabry-Pérot) toteutettu spektrinen suodatus takaavat antureille erinomaisen stabiilisuuden pitkälläkin aikavälillä. Työssä tutkitaan muokatun, 2,7 μm:n läheisyydestä mittaavan GMP252-anturin kykyä hiilidioksidi- ja vesikaasun pitoisuuden mittaukseen prosenttitasolla kahdella absorptioaallonpituudella. Mielenkiinnon kohteina ovat saatavan signaalin verrattainen heikkous ja mittauskanavien vahva ristikkäisherkkyys, näiden vastaava vaikutus stabiilisuuteen ja mittaustarkkuuteen sekä selektiivisyyden parantaminen laskennallisesti ja spektrisesti suodattaen.
Kahden stabiilisuuskokeissa tutkitun anturin ryöminnöissä havaittiin melko suuria eroja, mutta ne olivat joka tapauksessa moninkertaisia GMP251-anturin ryömintään verrattuna: hiilidioksidi- ja vesikaasun mittauskanavilla vastaavasti enintään 5 % ja 15 % pitoisuuslukemasta 78 päivän inkubaattorialtistuksen jälkeen. Jatkotutkimuksien aihealueet pelkistyvät absorption vahvistamiseen ja mahdollisesti mikrohehkun emissiospektrin käyttäytymisen parantamiseen tarkasteltavalla aallonpituusalueella.
Ristikkäisherkkyyden kompensointimallin kehittämiseksi rakennettiin korkean kastepistelämpötilan ylläpitoon kykenevä kaasujen sekoitusjärjestelmä. Kompensointimalli kehitettiin kolmesta anturista kerätyn datan pohjalta, yksinkertaiseen kahden muuttujan kiintopistemenetelmään perustuen. Menetelmällä voisi todennäköisesti saavuttaa GMP251-anturin asettaman mittaustarkkuuden ± 2 %. FPI-sirun (Fabry-Pérot inteferometer), jossa läpäisykeskiaallonpituus vastaa interferenssin toista kertalukua, kykyä suodattaa hiilidioksidikaasun absorptio vesikaasun mittauskanavalta tutkittiin alustavasti viidestä näytesirusta otettuihin transmissiospektreihin perustuen. Merkittävä osa sirujen transmissiosta keskittyy transmissiopiikkien häntiin, minkä vuoksi menettely ei ole kovin mielekäs.
Epästabiilisuus ja ristikkäisherkkyyden vaikutukset näyttäisivät olevan melko helposti minimoitavissa, kun anturin optiikka suunnitellaan uudestaan pidempään kyvettiin. Carbocap-teknologia vaikuttaakin lupaavalta lähestymistavalta tarkasteltavien inkubaattorikaasujen samanaikaiseen mittaukseen.
Vaisala's Carbocap series sensors are extremely environmentally durable NDIR sensors. Microglow technology and spectral filtering by a MOEMS-based (Micro Opto Electro Mechanical System) FP-interferometer (Fabry-Pérot) ensure excellent stability even in long-term use. In this work, we study the ability of a modified GMP252 sensor operating in the vicinity of 2,7 μm to measure the concentration of carbon dioxide gas and water vapour at a percent level using two absorption wavelengths. Focuses of interest are the comparative weakness of the received signal and strong cross-interference of the measurement channels, their corresponding effect on the stability and measurement accuracy and improvement of the selectivity computationally and by spectral filtering.
Rather large differences were observed in the drifts of the two sensors used in the stability tests but they were nonethless several multiplies of the drift of the GMP251 sensor: 5 % and 15 % of the concentration reading at most in the measurement channels of carbon dioxide gas and water vapour, respectively, after 78 days of incubator exposure. The topics of future research reduce to strengthening the absorption and possibly improving the behaviour of the Microglow's emission spectra in the studied wavelength range.
In order to develop a compensation model for the cross-sensitivity, a gas mixing system cabable of attaining high dew point temperatures was built. The compensation model was developed based on the data of three sensors, utilizing a simple fixed point method of two variables. The method would likely satisfy the measurement accuracy of ± 2 % set by the GMP251 sensor. The ability of a FPI-chip (Fabry-Pérot Interferometer), the center transmission wavelength of which corresponding to the second interference order, to filter out the absorption of carbon dioxide gas from the water vapour measurement channel was tentatively investigated based on the transmission spectra taken from five sample chips. A significant part of transmission is concentrated to the tails of the transmission peaks which makes the procedure rather unreasonable.
The unstability and effects of cross-interference seem to be quite easily minimizable when the sensor optics are re-designed for a longer cuvette. Carbocap technology looks like a promising approach for the simultaneous measurement of the studied incubator gases.