VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND LTD Place for a photo (no lines around photo) Uusia teollisia mittausratkaisuja kuituprosesseihin FiberTech-seminaari, Rantasalmi, 1.9.2016 Sami Siikanen ja Kimmo Solehmainen, Teknologian tutkimuskeskus VTT
Outline 1. High-Performance Infrared Imaging 2. VTT Fabry-Perot Hyperspectral Cameras 3. BIOSPHERE technology 26/08/2016 2
Korkean suorituskyvyn lämpökuvaus 3
Korkean suorituskyvyn lämpökuvaus Kuitulaboratorio 10.6.2015 FLASH-hankkeessa käytettiin korkean suorituskyvyn lämpökuvausta Kuitulaboratorion putkisekoituksen koelaitteiston osana. Mittaajat Sami Siikanen (VTT), Marko Rasi (Kuitulaboratorio), Tarja Mäntyvaara (K-Patents Oy), Kuitulaboratorion laboratoriohenkilöstö Mittauslaitteisto Staattisen putkisekoituksen koelaitteisto Kylmä vesi tai 2% massa (noin 13-19 C) kiersi pääputkessa, johon oli asennettu 1 cm läpimittainen safiiri-ikkuna lämpökuvausta varten Sekoitettavana kemikaalina toimi CMC (noin 30-41 C), sekoittimena Kuitulaboratorion Trumpjet-injektori Tomografia-anturi ja pistelämpötila-antureita Refraktometri K-Patents PR-33-GP-62-LSS-GP-RS-A Cedip Titanium korkean suorituskyvyn lämpökamera (VTT), jossa 25 mm optiikka 26/08/2016 4
1. mittaus: päävirta kylmä vesi 15 l/s; kemikaalivirta CMC 0,8 l/s; injektio 0 l/s ja sekoitus 0 l/s Kuvattiin 30 sekunnin jakso IR-videota. Jakson alussa päävirtaan aloitettiin sekoittaa kemikaalia. IR-videolla noin puolessa välissä nähdään kemikaalilampareita, mikä kertoo siitä että kemikaalina toimiva CMC on jakautunut mutta ei sekoittunut. IR-video34 (hidastettu, 40 s): kuvankaappausnopeus 328 Hz, integrointiaika 1600 µs: 26/08/2016 5
1. mittaus: pääv 15; kem 0,8; inj 0 ja mix 0, safiirilasin lämpötilalukema 30 sekunnin aikana Keskilämpötila sinisen ympyrän sisällä ~0,3 C 26/08/2016 6
Sekoitusindeksien vertailu keskilämpötila sinisen ympyrän sisällä olevalla alueella Safiiri-ikkunan lämpötilojen keskiarvon ja keskihajonnan avulla laskettiin sekoitusindeksi, joka kuvaa sekoituksen onnistumista. Sekoitusindeksi = keskihajonta/keskiarvo Mitä pienempi sekoitusindeksin arvo on, sitä paremmin nesteet ovat sekoittuneet. 26/08/2016 7
Sekoitusindeksien vertailu keskilämpötila sinisen ympyrän sisällä olevalla alueella IR-video, mix# Päävirta, l/s Kemikaali virta, l/s Injektio virta, l/s Sekoitus virta, l/s Keskiarvo, C Keski hajonta, C Sekoitusindeksi = Keskihajonta /keskiarvo 34 15 0,8 0 0 14,9 0,25 1,67% 35 15 0,8 1,0 0 15,5 0,38 2,46% 36 15 0,8 0 1,0 15,2 0,11 0,76% 37 20 0,8 0 0 -. -. Ei näy 38 20 0,8 1,0 0 15,8 0,15 0,97% 39 20 0,8 0 1,0 15,8 0,02 0,10% 26/08/2016 8
2% massa - Sekoitusindeksien vertailu Trumpjet-injektori 20-30 cm alempana safiiriikkunan tasosta IR-video, mix# Päävirta, l/s Kemikaali virta, l/s Injektio virta, l/s Sekoitus virta, l/s Keskiarvo, C Keski hajonta, C Sekoitusindeksi = Keskihajonta /keskiarvo 52 15 0,8 0 0 21,2 0,25 1,16% 53 15 0,8 1,0 0 20,2 0,15 0,75% 54 15 0,8 0 1,0 20,7 0,09 0,42% 26/08/2016 9
Johtopäätökset Sekoitus onnistui parhaiten eli sekoitusindeksi oli pienin miltei aina kun Trumpjet-injektorin sekoitusvirtaus oli käytössä. Päävirtauksen suurentaminen ja/tai kemikaalivirtauksen heikentäminen vaikeuttivat lämpökuvantamista. Jatkossa voitaisiin testata sekoittumista myös Cedip-lämpökameran mikroskooppioptiikan avulla. 26/08/2016 10
Fabry-Perot interferometers for miniaturized spectrometers 11
From bench-top to handheld 26/08/2016 12
Fabry-Perot Interferometer (FPI) and Spectroscopy Interference created by two reflective surfaces Usage: Tunable band-pass filter Fingerprint of Ethanol Fingerprint of Ethanol 26/08/2016 13
Introduction Fabry Perot interferometer Basic equation for transmitted wavelengths: λ = 2d/m 26/08/2016 14
Our Solution: use a fast tunable filter! Feature Benefit Enables Snapshot 2D image Fast filter switching Reconfigurable Simple optical structure Detector resolution limited Relaxes stability requirements e.g. 50 layers in < 2 seconds Select only the bands you need Wavelength ranges from UV to MIR Arbitrary spatial resolution Hand-held, UAV Fast measurements Reduced data management Vast range of applications Improved image analysis 26/08/2016 15
Two complementary filter technologies: Tunable optical filters based on Fabry-Perot interferometers Wavelengths from UV to thermal IR MEMS FPIs for mass-producible microspectrometers in large-volume applications Automotive, consumer volumes IoT sensor modules, gas sensing, food & process MEMS FPI optical apertures up to 4 mm Piezo-actuated FPI separately assembled filters for small-to-medium volume applications Hyperspectral cameras and high-performance instruments Nanosatellites, UAVs, medical, defense Piezo FPI optical apertures up to 15 mm 26/08/2016 16
VTT s CORE TECHNOLOGY SPECTRAL RANGES Material science Pharma, Biology Food, Forestry Agriculture Minerals Medical, Anticounterfeit, Space, Remote sensing, PoC Gases, Plastics Minerals 0,36-0,4 0,42-0,77 5,5-7,5 0,4-1,0 1,0-2,5 4,0-5,0 7,0-11,0 0,47-0,65 0,52-0,71 0,36-0,50 0,58-0,80 0,95 0,50 0,82-1,05 0,40-0,58 1,5 1,3-1,7 1,77 1,5-2,0 1,95 1,7-2,2 4,2 4,0-5,0 3,3 3,2-4,0 3,3 2,8-3,4 3,3 3,0-3,7 MCT InSb PbSe 9,3 7,3-9,6 9,3 8,5-10,7 InGaAs CMOS & CCD Image Sensors 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 µm NIR UV Visible SWIR MWIR LWIR 26/08/2016 17
Enhancing optical measurement with integrating sphere 18
In-line integrating sphere Dedicated designed for a manufacturing flow system Suitable for many material types Integrating sphere for illumination and light collection gives improved signal/noise. Compatible with fibre-coupled NIR systems Engineering can be scaled up or down (customisation) Cleaning cycle easily implemented as part of system cleaning 26/08/2016 19
Integrating sphere: measurement concept Integrating sphere: hollow spherical cavity with diffusely reflecting inner surface Sample is placed inside the integrating cavity for optical measurement Enhanced illumination and light collection efficiency Diffuse illumination: insensitivity to the position and shape of the material Large sampled volume when compared to conventional single-point measurements Compatible with process pipes via transparent flow-through cuvette Compatible with various optical measurement modalities Absorption spectroscopy (UV/Vis, NIR) Fluorescence spectroscopy Raman spectroscopy 26/08/2016 20
Fluorescence analysis of water-based samples Application: detection and quantification of contaminants in water using integrating sphere enhanced absorption and fluorescence measurements Two VTT-owned patent applications are utilized 5-fold increase in fluorescence intensity is obtained with integrating sphere The integrating cavity design may be easily scaled in size, and the manufacturing may be conducted in an agile manner via 3D printing. 16000 1: Riboflavin 0.5 mg/l, with sphere 2: Riboflavin 0.5 mg/l, without sphere 14000 Fluorescence intensity 12000 10000 8000 6000 4000 5-fold increase in fluorescence intensity of Riboflavin solution Excitation: UV-LED at 365 nm 2000 26/08/2016 450 500 550 600 650 700 750 800 21 850 Wavelength (nm)
TECHNOLOGY FOR BUSINESS