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

In de diepe, donkere omgevingen waar olie en gas worden gewonnen, bestaat de lucht vaak uit een cocktail van onzichtbare gevaren. Giftige gassen zoals waterstofsulfide en methaan kunnen ontbranden bij een enkele vonk, terwijl plotselinge veranderingen in temperatuur, vochtigheid of elektrische spanning een naderend onheil kunnen signaleren. Decennialang hebben ingenieurs vertrouwd op elektrische sensoren om deze volatiele locaties te bewaken, maar elektriciteit zelf is een gevaar in dergelijke explosieve atmosferen. Een veiliger alternatief is lang gezocht in de vorm van licht. Optische vezels, dunne glasdraden die informatie dragen als lichtpulsen, bieden een manier om de wereld waar te nemen zonder het risico op vonken. Een van de meest veelbelovende methoden om deze vezels tot ogen en oren te maken, is een fenomeen genaamd oppervlakte-plasmonresonantie. In eenvoudige termen gebeurt dit wanneer licht dat door de vezel reist, interageert met een dun laagje metaal op het oppervlak, waardoor een specifiek signaal ontstaat dat verandert zodra de omgeving rond de vezel verschuift. Hoewel wetenschappers erin zijn geslaagd sensoren te bouwen die één of twee van deze gevaarlijke factoren tegelijkertijd detecteren, vereist de complexe realiteit van een boorplatform één enkel apparaat dat alles tegelijkertijd in de gaten kan houden.

Een team van onderzoekers heeft nu een glasvezelsensor ontworpen die precies dat kan, optredend als een zeven-in-één bewaker voor de meest gevaarlijke industriële omgevingen. In een recente studie wordt beschreven dat het een apparaat is dat tegelijkertijd temperatuur, magnetische velden, methaan, vochtigheid, spanning, waterstof en waterstofsulfide kan detecteren. De onderzoekers hebben voor dit specifieke artikel geen fysiek prototype gebouwd; in plaats daarvan hebben ze krachtige computersimulaties gebruikt om de structuur van de sensor te ontwerpen en te testen. Door te modelleren hoe licht zich binnen de vezel gedraagt wanneer het verschillende materialen tegenkomt, hebben zij aangetoond dat een enkele, zorgvuldig vervaardigde glazen draad kan reageren op zeven verschillende fysieke veranderingen, waarbij elke verandering een unieke vingerafdruk achterlaat op het lichtsignaal.

Het hart van deze nieuwe sensor is een stuk optische vezel waarvan de beschermende coating is verwijderd en die aan zeven verschillende zijden is gepolijst, wat een sterachtige dwarsdoorsnede creëert. Op elk van deze zeven platte vlakken hebben de onderzoekers een andere, ultradunne laag van gevoelig materiaal aangebracht. Aan één zijde is een speciale gel aangebracht die reageert op hitte; een andere bevat een magnetische vloeistof die verschuift met magnetische velden; andere zijn behandeld met chemicaliën die van eigenschappen veranderen wanneer ze in contact komen met specifieke gassen zoals methaan of waterstofsulfide. Wanneer licht door de vezel reist, raakt het deze zeven lagen. Als de temperatuur stijgt, het magnetische veld sterker wordt of een giftig gas lekt, verandert de specifieke laag die voor die verandering is ontworpen de manier waarop het licht beweegt. Dit zorgt ervoor dat het licht energie verliest bij een zeer specifieke kleur, of golflengte, wat een dip in het signaal veroorzaakt. Omdat elk van de zeven lagen reageert op een ander gevaar, produceert de sensor zeven duidelijke dalen in het lichtspectrum, waardoor een computer precies kan aflezen wat er in de omgeving gebeurt.

De onderzoekers ontdekten dat dit ontwerp met opmerkelijke precisie werkt binnen de bereiken die typerend zijn voor olie- en gasoperaties. In hun simulaties kon de sensor temperatuurveranderingen detecteren die zo klein zijn als een fractie van een graad, magnetische veldverschuivingen en gasconcentraties variërend van sporen van waterstofsulfide tot significante niveaus van methaan. Cruciaal is dat de studie een veelvoorkomend probleem bij multi-sensoren aanpakt: kruislingse interferentie (cross-talk). Meestal, wanneer één factor verandert, verstoort dit de metingen van de andere factoren. Bijvoorbeeld, een stijging in temperatuur zou een gassensor er onterecht van kunnen doen geloven dat het gasniveau is veranderd. Echter, omdat dit apparaat zeven aparte signalen heeft, hebben de onderzoekers een wiskundige methode ontwikkeld om de chaos te ontwarren. Door te kijken naar hoe alle zeven signalen samen verschuiven, kan het systeem de exacte waarde van elke factor berekenen, waardoor de verwarring effectief wordt geëlimineerd en een helder, nauwkeurig beeld van de omgeving wordt geboden.

De structuur van de sensor is ontworpen om robuust en relatief eenvoudig te vervaardigen te zijn. Het team ontdekte dat de exacte dikte van de gevoelige lagen niet perfect hoefde te zijn voor het functioneren van het apparaat, wat betekent dat kleine fouten tijdens het coaten de prestaties van de sensor niet zouden ruïneren. Ze ontdekten ook dat de vezel een specifieke diameter nodig had om alle zeven onderscheidende signalen te creëren; als de vezel te dik was, zouden de signalen samensmelten, en als deze te dun was, zouden ze verdwijnen. Door te kiezen voor een diameter van 89 micrometer en een goudcoating van 35 nanometer, creëerden de onderzoekers een configuratie die heldere, sterke signalen produceerde voor alle zeven parameters. De gebruikte materialen, zoals zinkoxide voor het detecteren van waterstofsulfide en een speciale vloeibare kristal voor het detecteren van spanning, staan bekend als reversibel, wat betekent dat de sensor herhaaldelijk kan worden gebruikt naarmig de gassen zijn verdwenen en de omstandigheden zijn teruggekeerd naar normaal.

Dit werk vormt een belangrijke stap vooruit in de integratie van sensortechnologie. Terwijl eerdere apparaten slechts enkele variabelen tegelijkertijd konden monitoren, consolideert deze zeven-parameter sensor de monitoring van de meest kritieke risico's in de olie- en gaswinning in één enkel, compact apparaat. De onderzoekers benadrukken dat hoewel de huidige resultaten gebaseerd zijn op computermodellering, de gebruikte materialen en fabricagetechnieken, zoals laserpolijsten en chemische coating, goed gevestigd en klaar zijn voor praktische toepassing. Indien gebouwd en getest in het veld, zou deze sensor een continue, vonkvrije bewaking van industriële locaties kunnen bieden, wat een niveau van veiligheid en dataclariteit biedt dat voorheen met een enkel instrument onmogelijk was te bereiken.