DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32958-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41530219
تاريخ النشر: 2026-01-13
المؤلف: Lorenzo Santini وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطبيقات الطيفية والليزر
نظرة عامة
تقدم البحث تقنية جديدة تستخدم مطيافية تعديل الطول الموجي متعدد السعة (MA-WMS) لقياس تركيز الميثان (CH₄) والضغط في وقت واحد. تم التحقق من صحة هذه الطريقة من خلال كل من المحاكاة والتجارب، مما يدل على درجة عالية من الدقة. تستخدم التقنية ليزرًا مركزيًا عند 1650.9 نانومتر، حيث يتم تطبيق أعماق تعديل سعة متعددة لالتقاط تأثيرات توسيع الطيف بسبب تغيرات الضغط. من خلال تطبيع إشارة 2$f_m$ مع المكون الثابت، يقوم النظام بإزالة الغموض المرتبط بأساليب التعديل الفردي بشكل فعال. يسمح تقاطع ثلاثة منحنيات مستوى مستمدة من تعديلات مختلفة بتحديد دقيق للضغط المحلي والتركيز، محققًا نطاقات قياس من 5% إلى 45% للتركيز ومن 0.25 atm إلى 1.75 atm للضغط، مع أخطاء قصوى تبلغ 2% و0.06 atm، على التوالي.
في ضوء الاهتمام المتزايد في نقل وتخزين خليط الهيدروجين والغاز الطبيعي، يسلط هذا البحث الضوء على أهمية أنظمة القياس الموثوقة لمراقبة نسب الخلط وتركيزات الميثان. تقدم تقنية MA-WMS المقترحة حلاً سلبياً وآمناً، مستفيدة من مستشعرات الألياف الضوئية التي يمكنها قياس نقاط متعددة في وقت واحد، مما يقلل من تكاليف التنفيذ. تعزز متانة الطريقة ضد الفقد البصري، مع الحفاظ على الدقة حتى 10 ديسيبل، من قابليتها للتطبيق في بيئات صعبة مثل غرف العمليات وأنابيب النقل. بشكل عام، يساهم هذا البحث بشكل كبير في تطوير أنظمة مراقبة فعالة لخليط الغازات في سياقات الطاقة المتجددة.
مقدمة
في مقدمة هذه الورقة البحثية، يتناول المؤلفون القضية الحرجة لانبعاثات الميثان الهاربة في صناعة الغاز الطبيعي، مشيرين إلى مساهمتها الكبيرة في تغير المناخ بسبب قدرة الميثان على الاحتباس الحراري التي تبلغ 29.8 مرة من ثاني أكسيد الكربون. تؤكد الورقة على التحديات المزدوجة التي تطرحها هذه الانبعاثات: فهي لا تقلل فقط من كفاءة الطاقة ولكن أيضًا تزيد من خطر الانفجارات الكارثية. وبالتالي، تم تحديد الإدارة الفعالة لهذه الانبعاثات وتعزيز سلامة بنى النقل الغازية كمجالات حيوية للبحث والتطوير.
يقترح المؤلفون استخدام الهيدروجين، وخاصة من مصادر متجددة، كاستراتيجية لإزالة الكربون للتخفيف من تأثير انبعاثات الميثان. ومع ذلك، يتطلب النقل والتخزين المباشر للهيدروجين تعديلات على البنية التحتية الحالية. كنهج انتقالي، يتم استكشاف خلط الهيدروجين مع الغاز الطبيعي، مما يتطلب مراقبة دقيقة لكلا الغازين. تدعو الورقة إلى تقنيات استشعار الغاز البصري، وخاصة مطيافية تعديل الطول الموجي متعدد السعة (MA-WMS)، التي تقدم قدرات قياس في الوقت الحقيقي ودقة عالية. تتيح هذه الطريقة الجديدة القياس المتزامن لتركيز الميثان والضغط، باستخدام خط امتصاص ميثان محدد عند 1650.9 نانومتر، مما يعالج الحاجة إلى مراقبة فعالة في سياق أنظمة الطاقة المتطورة.
طرق
تشمل الطرق التجريبية المستخدمة في هذه الدراسة إعدادًا متطورًا مصممًا لتحليل امتصاص الميثان عند طول موجي 1650.9 نانومتر. يتم التحكم في صمام الليزر (LD) بواسطة مبرد حراري كهربائي (TEC) للحفاظ على طوله الموجي، بينما يقوم وحدة اكتساب البيانات (DAQ) بتعديل تيار LD للتعديل الدقيق. يتم توجيه الضوء المعدل عبر مقسم بصري إلى دوار بصري (OC) ومن ثم إلى خلية مستشعر بطول 5 سم، حيث ينعكس الضوء مرة أخرى، مما يخلق مسارًا بصريًا إجماليًا يبلغ 10 سم. يمكن دمج مفتاح بصري لتسهيل مراقبة مستشعرات متعددة باستخدام وحدة استجواب واحدة. من الجدير بالذكر أن تقنية الكشف الانعكاسية المستخدمة لا تظهر مكون 2$f$ بسبب غياب fringes Fabry-Perot، كما تم تأكيده من خلال تحليل تحويل فورييه للموجة المقاسة بدون ميثان.
لتحسين دقة القياس، يتضمن الإعداد خلية مرجعية تقمع المكون 1$f$ من الإشارة، بينما تلتقط فوتوديود (PD) أخرى الإشارة المرجعية لتطبيع التغيرات في خرج طاقة LD الناتجة عن تغيرات التيار. تضمن هذه العملية التطبيعية أن تتماشى الموجات التجريبية عن كثب مع النتائج المحاكاة، مما يقلل بشكل فعال من التغيرات في السعة ويعزز تقليل المكون 1$f$. تم إعداد خليط الغازات المستخدمة في التجارب في غرفة محكمة الإغلاق، مع التحكم في التركيزات عبر وحدات التحكم في تدفق الكتلة، مما يسمح بإجراء تعديلات دقيقة على نسب الميثان والنيتروجين. تم استخدام مقياس ضغط رقمي لمراقبة الضغط داخل غرفة الغاز، مما يضمن تمثيلًا دقيقًا لتركيزات الغاز المرغوبة.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة وجود ارتباط قوي بين البيانات التجريبية والمحاكاة العددية فيما يتعلق باستجابة النظام لتغيرات تركيزات وضغوط الميثان. تظهر الاستجابات التجريبية والمحاكاة، الممثلة في الأشكال 7 و8، تشابهًا ملحوظًا، خاصة عند تطبيعها للقيم التجريبية القصوى لخليط ميثان بنسبة 50% عند 2 atm. يعتبر هذا التطبيع أمرًا حيويًا نظرًا لأهمية التطبيقات عالية الضغط في صناعة الغاز، مثل أنابيب الهيدروجين-الغاز الطبيعي والشبكات متوسطة الضغط، التي تعمل ضمن النطاقات المدروسة.
تقيّم الدراسة أيضًا أداء خوارزمية عكسية تم تطبيقها على خريطة تداخل تم إنشاؤها، باستخدام شبكة من نقاط الضغط والتركيز لم يتم استخدامها سابقًا لرسم الخرائط الكنتورية. تشير النتائج، الموضحة في الأشكال 9 و10 و11، إلى أنه بينما يعمل النظام بشكل جيد، تحدث أكبر الأخطاء النسبية في مناطق التركيز المنخفض والضغط المنخفض بسبب تسطح منحنيات الاستجابة. يسلط هذا الظاهرة الضوء على قيود التقنية الحالية، خاصة في السيناريوهات التي يؤثر فيها أحد المعلمات بشكل كبير على استجابة النظام. بالإضافة إلى ذلك، تحقق الدراسة من مرونة النظام تجاه التوهين البصري، كاشفة أنه بينما يبقى النظام مستقرًا حتى 10 ديسيبل من التوهين، تظهر عدم دقة بعد هذا العتبة. تهدف الأعمال المستقبلية إلى تعزيز استقرار النظام وحساسيته، مما قد يسمح بإجراء قياسات موثوقة عند تركيزات أقل من خلال تحسين الإلكترونيات وأساليب الكشف.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تطوير والتحقق من صحة تقنية مطيافية تعديل الطول الموجي متعدد السعة (MA-WMS) لقياس تركيز الميثان والضغط في وقت واحد باستخدام مستشعرات الألياف الضوئية. تعالج الطريقة الغموض المتأصل في القياسات الناتج عن تركيبات الضغط والتركيز المتغيرة التي يمكن أن تنتج إشارات متطابقة. من خلال استخدام تعديلات سعة متعددة وتحليل تقاطع منحنيات المستوى المستمدة من هذه التعديلات، تتيح التقنية استعادة دقيقة لقيم الضغط والتركيز المحلية. تعتبر هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص مقارنةً بالمستشعرات الكهروكيميائية التقليدية، التي تواجه قيودًا في النشر عن بُعد بسبب الاعتماد على البطاريات وأنظمة استرجاع البيانات المعقدة.
يتم توضيح مبدأ عمل تقنية MA-WMS من خلال المحاكاة العددية باستخدام قاعدة بيانات HITRAN، مما يظهر كيف يمكن التقاط التغيرات في الاستجابة البصرية بسبب توسيع الضغط والتركيز. يوضح المؤلفون الإطار الرياضي الذي يدعم التقنية، بما في ذلك استخدام تحويل فورييه السريع (FFT) لتحليل الإشارات المعدلة ومشتقات الكميات الثابتة التي لا تعتمد على الفقد البصري. تظهر التحقق من صحة الخوارزمية معدل نجاح مرتفع (93.8%) في استعادة الضغط والتركيز بدقة عبر مجموعة من الظروف، مع ملاحظة تحديات محددة في مناطق الضغط والتركيز المنخفضة. بشكل عام، يتم وضع تقنية MA-WMS المقترحة كحل قوي للمراقبة السلبية على نطاق واسع للميثان في تطبيقات متنوعة، خاصة في سياق انتقالات الطاقة المتجددة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-32958-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41530219
Publication Date: 2026-01-13
Author(s): Lorenzo Santini et al.
Primary Topic: Spectroscopy and Laser Applications
Overview
The research presents a novel technique utilizing Multiple Amplitude Wavelength Modulation Spectroscopy (MA-WMS) for the simultaneous measurement of methane (CH₄) concentration and pressure. This method was validated through both simulations and experiments, demonstrating a high degree of accuracy. The technique employs a laser centered at 1650.9 nm, where multiple amplitude modulation depths are applied to capture the spectrum broadening effects due to pressure changes. By normalizing the 2$f_m$ signal with the DC component, the system effectively eliminates ambiguities associated with single modulation methods. The intersection of three level curves derived from varying modulations allows for precise determination of local pressure and concentration, achieving measurement ranges of 5% to 45% for concentration and 0.25 atm to 1.75 atm for pressure, with maximum errors of 2% and 0.06 atm, respectively.
In light of the increasing interest in the transportation and storage of hydrogen and natural gas blends, this study highlights the importance of reliable measurement systems for monitoring blend proportions and methane concentrations. The proposed MA-WMS technique offers a passive and secure solution, leveraging fiber optic sensors that can measure multiple points simultaneously, thus reducing implementation costs. The method’s robustness against optical loss, maintaining accuracy up to 10 dB, further enhances its applicability in challenging environments such as process chambers and pipelines. Overall, this research contributes significantly to the development of efficient monitoring systems for gas mixtures in renewable energy contexts.
Introduction
In the introduction of this research paper, the authors address the critical issue of fugitive methane emissions in the natural gas industry, highlighting their significant contribution to climate change due to methane’s global warming potential being 29.8 times that of carbon dioxide. The paper emphasizes the dual challenges posed by these emissions: they not only reduce energy efficiency but also increase the risk of catastrophic explosions. Consequently, effective management of these emissions and enhancements in the safety of gas transport infrastructures are identified as vital areas for research and development.
The authors propose the use of hydrogen, particularly from renewable sources, as a decarbonization strategy to mitigate the impact of methane emissions. However, the direct transportation and storage of hydrogen necessitate modifications to existing infrastructure. As a transitional approach, the blending of hydrogen with natural gas is being explored, which requires precise monitoring of both gases. The paper advocates for optical gas sensing techniques, particularly Multiple Amplitude Wavelength Modulation Spectroscopy (MA-WMS), which offers real-time measurement capabilities and high precision. This new method allows for the simultaneous measurement of methane concentration and pressure, utilizing a specific methane absorption line at 1650.9 nm, thus addressing the need for effective monitoring in the context of evolving energy systems.
Methods
The experimental methods employed in this study involve a sophisticated setup designed to analyze methane absorption at a wavelength of 1650.9 nm. A laser diode (LD) is controlled by a thermoelectric cooler (TEC) to maintain its wavelength, while a data acquisition (DAQ) unit modulates the LD current for fine-tuning. The modulated light is directed through an optical splitter to an optical circulator (OC) and subsequently into a 5 cm sensor cell, where the light reflects back, creating a total optical path of 10 cm. An optical switch can be integrated to facilitate monitoring of multiple sensors using a single interrogator unit. Notably, the reflective detection technique employed does not exhibit a 2$f$ component due to the absence of Fabry-Perot fringes, as confirmed by a Fourier transform analysis of the measured waveform without methane.
To enhance measurement accuracy, the setup includes a reference cell that suppresses the 1$f$ component of the signal, while another photodiode (PD) captures the reference signal to normalize variations in LD power output caused by changes in current. This normalization process ensures that the experimental waveforms align closely with simulated results, effectively mitigating amplitude variations and optimizing the minimization of the 1$f$ component. The gas mixtures used for the experiments were prepared in a sealed chamber, with concentrations controlled via mass flow controllers, allowing for precise adjustments of the methane and nitrogen ratios. A digital manometer was employed to monitor the pressure within the gas chamber, ensuring accurate representation of the desired gas concentrations.
Results
The results of the study demonstrate a strong correlation between experimental data and numerical simulations regarding the response of the system to varying concentrations and pressures of methane. The experimental and simulated responses, represented in Figures 7 and 8, exhibit remarkable similarity, particularly when normalized to the peak experimental values for a 50% methane mixture at 2 atm. This normalization is crucial given the relevance of high-pressure applications in the gas industry, such as hydrogen-natural gas pipelines and medium pressure networks, which operate within the studied ranges.
The research further evaluates the performance of an inversion algorithm applied to a constructed interpolating map, using a grid of pressure and concentration points not previously utilized for contour mapping. The results, illustrated in Figures 9, 10, and 11, indicate that while the system performs well, the greatest relative errors occur in low concentration and low-pressure regions due to the flattening of response curves. This phenomenon highlights the limitations of the current technique, particularly in scenarios where one parameter significantly influences the response of the system. Additionally, the study investigates the system’s resilience to optical attenuation, revealing that while the system remains stable up to 10 dB of attenuation, inaccuracies arise beyond this threshold. Future work aims to enhance system stability and sensitivity, potentially allowing for reliable measurements at lower concentrations through improved detection electronics and methodologies.
Discussion
In this section, the authors discuss the development and validation of a Multiple Amplitude Wavelength Modulation Spectroscopy (MA-WMS) technique for simultaneously measuring methane concentration and pressure using optical fiber sensors. The method addresses the inherent ambiguity in measurements caused by varying combinations of pressure and concentration that can yield identical signals. By employing multiple amplitude modulations and analyzing the intersection of level curves derived from these modulations, the technique allows for accurate recovery of local pressure and concentration values. This approach is particularly advantageous compared to traditional electrochemical sensors, which face limitations in remote deployment due to battery reliance and complex data retrieval systems.
The working principle of the MA-WMS technique is elucidated through numerical simulations using the HITRAN database, demonstrating how variations in optical response due to pressure and concentration broadening can be captured. The authors detail the mathematical framework underpinning the technique, including the use of Fast Fourier Transform (FFT) to analyze the modulated signals and the derivation of invariant quantities that are independent of optical loss. The validation of the algorithm shows a high success rate (93.8%) in accurately recovering pressure and concentration across a range of conditions, with specific challenges noted in lower pressure and concentration regions. Overall, the proposed MA-WMS technique is positioned as a robust solution for passive, large-scale monitoring of methane in various applications, particularly in the context of renewable energy transitions.