A seven-parameter optical fiber sensor based on surface plasmon resonance (SPR) for simultaneous detection of temperature, magnetic field, methane, relative humidity, voltage, hydrogen and hydrogen sulfide

في البيئات العميقة والمظلمة حيث يتم استخراج النفط والغاز، غالبًا ما يكون الهواء مزيجًا من الأخطار غير المرئية. فغازات سامة مثل كبريتيد الهيدروجين والميثان يمكن أن تشتعل بشرارة واحدة، بينما يمكن للتحولات المفاجئة في درجة الحرارة أو الرطوبة أو الجهد الكهربائي أن تنذر بكارثة وشيكة. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على المستشعرات الكهربائية لمراقبة هذه المواقع المتقلبة، لكن الكهرباء نفسها تشكل خطرًا في مثل هذه الأجواء الانفجارية. وقد بُحث طويلًا عن بديل أكثر أمانًا في شكل الضوء؛ فالألياف الضوئية، وهي خيوط زجاجية رفيعة تحمل المعلومات على شكل نبضات ضوئية، توفر وسيلة لاستشعار العالم دون خطر حدوث شرارات. ومن بين أكثر الطرق واعدة لتحويل هذه الألياف إلى أعين وآذان هو ظاهرة تسمى "رنين البلازمون السطحي". وببساطة، يحدث هذا عندما يتفاعل الضوء المنتقل داخل الليف مع طبقة رقيقة من المعدن على سطحه، مما يخلق إشارة محددة تتغير كلما تغيرت البيئة المحيطة بالليف. وبينما تمكن العلماء من بناء مستشعرات تكتشف عاملًا واحدًا أو اثنين من هذه العوامل الخطيرة في وقت واحد، فإن الواقع المعقد لمنصة النفط يتطلب جهازًا واحدًا يمكنه مراقبة كل شيء في آن واحد.

قام فريق من الباحثين الآن بتصميم مستشعر من الألياف الضوئية قادر على فعل ذلك بالضبط، ليعمل كحارس "سبعة في واحد" لأكثر البيئات الصناعية خطورة. يصف العمل المنشور في دراسة حديثة جهازًا يمكنه اكتشاف درجة الحرارة، والمجالات المغناطيسية، والميثان، والرطوبة، والجهد الكهربائي، والهيدروجين، وكبريتيد الهيدروجين جميعها في وقت واحد. لم يقم الباحثون ببناء نموذج أولي مادي لهذا البحث تحديدًا؛ بدلًا من ذلك، استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لتصميم واختبار هيكل المستشعر. ومن خلال نمذجة كيفية سلوك الضوء داخل الليف عندما يصادف مواد مختلفة، أثبتوا أن خيطًا واحدًا من الزجاج المصمم بعناقة يمكنه الاستجابة لسبعة تغيرات فيزيائية متميزة، حيث يترك كل منها بصمة فريدة على إشارة الضوء.

إن قلب هذا المستشعر الجديد هو قطعة من الألياف الضوئية جُردت من غلافها الواقي وصُقلت من سبعة جوانب مختلفة، مما خلق مقطعًا عرضيًا يشبه شكل النجمة. وفي كل وجه من هذه الوجوه السبعة المسطحة، وضع الباحثون طبقة مختلفة ورقيقة للغاية من مادة حساسة. أحد الجوانب مغطى بهلام خاص يتفاعل مع الحرارة؛ والآخر يحتوي على سائل مغناطيسي يتغير مع المجالات المغناطيسية؛ بينما عولجت جوانب أخرى بمواد كيميائية تتغير خصائصها عند مواجهة غازات معينة مثل الميثان أو كبريتيد الهيدروجين. عندما ينتقل الضوء عبر الليف، فإنه يلامس هذه الطبقات السبع. فإذا ارتفعت درجة الحرارة، أو اشتد المجال المغناطيسي، أو تسرب غاز سام، فإن الطبقة المصممة لذلك التغيير تعدل طريقة حركة الضوء. يتسبب هذا في فقدان الضوء لطاقته عند لون محدد جدًا، أو طول موجي معين، مما يؤدي إلى انخفاض في الإشارة. ولأن كل طبقة من الطبقات السبع تستجيب لتهديد مختلف، فإن المستشعر ينتج سبعة انخفاضات متميزة في طيف الضوء، مما يسمح للحاسوب بقراءة ما يحدث بالضبط في البيئة.

وجد الباحثون أن هذا التصميم يعمل بدقة ملحوظة ضمن النطاقات النموذجية لعمليات النفط والغاز. ففي عمليات المحاكاة التي أجروها، استطاع المستشعر اكتشاف تغيرات في درجة الحرارة لا تتجاوز جزءًا من الدرجة، وتحولات في المجال المغيناطيسي، وتركيزات غازية تتراوح من كميات ضئيلة من كبريتيد الهيدروجين إلى مستويات كبيرة من الميثان. والأهم من ذلك، أن الدراسة تعالج مشكلة شائعة في الأجهزة متعددة المستشعرات وهي "التداخل" (cross-talk). فعادةً، عندما يتغير عامل واحد، فإنه يربك القراءات للعوامل الأخرى؛ فعلى سبيل المثال، قد تجعل زيادة درجة الحرارة مستشعر الغاز يعتقد أن مستوى الغاز قد تغير. ومع ذلك، نظرًا لأن هذا الجهاز يحتوي على سبع إشارات منفصلة، فقد طور الباحثون طريقة رياضية لفك هذا الاشتباك. فمن خلال النظر في كيفية تحرك الإشارات السبع معًا، يمكن للنظام حساب القيمة الدقيقة لكل عامل، مما يلغي الارتباك بفعالية ويوفر صورة واضحة ودقيقة للبيئة.

صُمم هيكل المستشعر ليكون متينًا وبسيط التصنيع نسبيًا. فقد اكتشف الفريق أن السمك الدقيق للطبقات الحساسة لا يشترط أن يكون مثاليًا لكي يعمل الجهاز، مما يعني أن الأخطاء الصغيرة أثناء عملية الطلاء لن تفسد أداء المستشعر. كما وجدوا أن الليف يحتاج إلى قطر محدد لإنشاء جميع الإشارات السبع المتميزة؛ فإذا كان الليف سميكًا جدًا، ستندمج الإشارات، وإذا كان رفيعًا جدًا، فستختفي. ومن خلال الاستقرار على قطر قدره 89 ميكرومتر وطلاء ذهبي بسمك 35 نانومتر، أنشأ الباحثون تكوينًا أنتج إشارات واضحة وقوية لجميع المعايير السبعة. والمواد المستخدمة، مثل أكسيد الزنك للكشف عن كبريتيد الهيدروجين وسائل بلوري خاص لاستشعار الجهد الكهربائي، معروفة بأنها قابلة للانعكاس، مما يعني أنه يمكن استخدام المستشعر مرارًا وتكرارًا مع تبدد الغازات وعودة الظروف إلى طبيعتها.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في دمج تكنولوجيا الاستشعار. فبينما كانت الأجهزة السابقة قادرة فقط على مراقبة عدد قليل من المتغيرات في وقت واحد، يقوم هذا المستشعر ذو المعايير السبعة بدمج مراقبة المخاطر الأكثر حرجًا في استخراج النفط والغاز في جهاز واحد مدمج. ويؤكد الباحثون أنه على الرغم من أن النتائج الحالية تعتمد على النمذجة الحاسوبية، إلا أن المواد وتقنيات التصنيع المستخدمة، مثل الصقل بالليزر والطلاء الكيميائي، هي تقنيات راسخة وجاهزة للتطبيق في العالم الحقيقي. وإذا تم بناؤه واختباره في الميدان، فقد يوفر هذا المستشعر مراقبة مستمرة وخالية من الشرارات للمواقع الصناعية، مما يوفر مستوى من السلامة ووضوح البيانات كان من المستحيل تحقيقه سابقًا باستخدام أداة واحدة.