Недисперсионный инфракрасный датчик

Инфракрасный детектор без дифракционного элемента, рассеивающий длины ИК-волн

Недисперсионный инфракрасный датчик (или датчик NDIR ) — это простой спектроскопический датчик , часто используемый в качестве газового детектора . Он недисперсионный в том смысле, что не используется дисперсионный элемент (например, призма или дифракционная решетка , которые часто присутствуют в других спектрометрах ) для разделения (как монохроматор ) широкополосного света в узкий спектр, подходящий для обнаружения газа. Большинство датчиков NDIR используют широкополосный ламповый источник и оптический фильтр для выбора узкополосной спектральной области, которая перекрывается с областью поглощения интересующего газа. В этом контексте узкая полоса пропускания может составлять 50–300 нм. Современные датчики NDIR могут использовать микроэлектромеханические системы (MEM) или светодиодные источники среднего ИК-диапазона с оптическим фильтром или без него .

NDIR-анализатор с одной двойной трубкой для CO и другой двойной трубкой для углеводородов

Принцип

Основными компонентами датчика NDIR являются инфракрасный (ИК) источник (лампа), камера для образца или световая трубка , светофильтр и инфракрасный детектор . ИК-свет направляется через камеру для образца к детектору. Параллельно имеется еще одна камера с заключенным в нее эталонным газом, обычно азотом . Газ в камере для образца вызывает поглощение определенных длин волн в соответствии с законом Бера-Ламберта , и ослабление этих длин волн измеряется детектором для определения концентрации газа. Перед детектором находится оптический фильтр , который устраняет весь свет, за исключением длины волны, которую могут поглощать выбранные молекулы газа.

В идеале другие молекулы газа не поглощают свет на этой длине волны и не влияют на количество света, достигающего детектора, однако некоторая перекрестная чувствительность неизбежна. [ 1 ^] Например, многие измерения в ИК-области перекрестно чувствительны к H2O _{, поэтому такие} газы, как CO2 , SO2 и NO2 , часто вызывают перекрестную чувствительность в низких концентрациях. ^{[ требуется ссылка ] [2]}

ИК- сигнал от источника обычно прерывается или модулируется, чтобы можно было сместить тепловые фоновые сигналы от желаемого сигнала. ^[3]

Датчики NDIR для определения содержания углекислого газа часто встречаются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).

Конфигурации с несколькими фильтрами, как на отдельных датчиках, так и на вращающемся колесе, позволяют проводить одновременные измерения на нескольких выбранных длинах волн.

Более сложная технология — инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), которая сканирует широкую часть спектра, одновременно измеряя множество поглощающих веществ.

Исследовать

Миниатюрные ИК-источники на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) экспериментально применялись в системах NDIR с 2006 года и используются с 2016 года. Низкая энергия излучения MEMS означает, что необходима чувствительная схема детектора на основе синхронного усиления. ^[4] Другие полезные детекторы включают фотоакустический газовый датчик , который использует микрофон MEMS для обнаружения взаимодействия ИК-излучения с газом. ^[5]

Газы и их чувствительные длины волн

Спектры поглощения некоторых газов в средней инфракрасной области ^[5]

Газы не имеют определенной длины волны зондирования, но есть области ИК-спектра, где обычно есть много тысяч близко расположенных линий поглощения. Для получения дополнительной информации см. базу данных Hitran .

• О2 — 0,763 мкм ^[6]
• CO 2 — 4,26 мкм, ^[7] 2,7 мкм, около 13 мкм ^[6]
• СО — 4,67 мкм, ^[7] 1,55 мкм, 2,33 мкм, 4,6 мкм, 4,8 мкм, 5,9 мкм ^[6]
• NO — 5,3 мкм, NO ₂ необходимо преобразовать в NO, а затем их измеряют вместе как NO
  _х; NO также поглощает в ультрафиолете при 195-230 нм, NO ₂ измеряется при 350-450 нм; ^[8] в ситуациях, когда известно, что содержание NO ₂ низкое, его часто игнорируют и измеряют только NO; также 1,8 мкм ^[6]
• NO 2 — 6,17-6,43 мкм, 15,4-16,3 мкм, 496 нм ^[6]
• N ₂ O — 7,73 мкм ( NO ₂ и SO ₂ мешают), ^{[9] [7]} 1,52 мкм, 4,3 мкм, 4,4 мкм, около 8 мкм ^[6]
• HNO3 _— 5,81 мкм ^[6]
• NH 3 — 2,25 мкм, 3,03 мкм, 5,7 мкм ^[6]
• H2S — 1,57 мкм, 3,72 мкм, 3,83 мкм [ ⁶ ]
• SO 2 — 7,35 мкм, 19,25 мкм ^[6]
• ВЧ — 1,27 мкм, 1,33 мкм ^[6]
• HCl — 3,4 мкм ^[6]
• HBr — 1,34 мкм, 3,77 мкм ^[6]
• HI — 4,39 мкм ^[6]
• углеводороды — 3,3–3,5 мкм, колебание связи CH ^[7]
• СН 4 — 3,33 мкм,Также можно использовать 7,91 ± 0,16 мкм , ^[10] 1,3 мкм, 1,65 мкм, 2,3 мкм, 3,2-3,5 мкм, около 7,7 мкм ^[6]
• С2Н2 _{— 3,07} мкм ^[6 ]
• C ₃ H ₈ — 1,68 мкм, 3,3 мкм ^[6]
• CH3Cl — 3,29 мкм [ 6 ^]
• H ₂ O — 1,94 мкм, 2,9 мкм (CO ₂ мешает), ^[7] 5,78 ± 0,18 мкм также можно использовать для избежания помех от CO ₂ , ^[10] 1,3 мкм, 1,4 мкм, 1,8 мкм ^[6]
• O 3 — 9,0 мкм, ^[7] также 254 нм (УФ) ^[6]
• H2O2 _— 7,79 _мкм ^[6 ]
• спиртовые смеси —9,5 ± 0,45 мкм ^[10]
• HCHO — 3,6 мкм ^[6]
• HCOOH — 8,98 мкм ^[6]
• COS — 4,87 мкм ^[6]

Приложения

• Инфракрасный газоанализатор
• Инфракрасный точечный датчик
• Датчик углекислого газа

Ссылки

1. "NDIR Gas Sensor Light Sources". International Light Technologies . Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 года . Получено 9 мая 2016 года .
2. Раздел 40: Защита окружающей среды, Часть 1065 — Процедуры испытаний двигателей, Подраздел D — Калибровки и проверки, §1065.350 Проверка интерференции H2O для анализаторов CO2 NDIR
3. Seitz, Jason; Tong, Chenan (май 2013 г.). SNAA207 – LMP91051 Система обнаружения NDIR CO2 (PDF) . Texas Instruments.
4. Винсент, ТА; Гарднер, ДЖ. В. (ноябрь 2016 г.). «Недорогая система NDIR на основе МЭМС для мониторинга содержания углекислого газа в анализе дыхания на уровне ppm». Датчики и приводы B: Химические вещества . 236 : 954–964. doi :10.1016/j.snb.2016.04.016.
5. Popa, Daniel; Udrea, Florin (4 мая 2019 г.). "Towards Integrated Mid-Infrared Gas Sensors". Датчики . 19 (9): 2076. Bibcode : 2019Senso..19.2076P. doi : 10.3390/s19092076 . PMC 6539445. PMID  31060244 . 
6. Коротценков, Геннадий (2013). "Таблица 14.4 Линии поглощения нескольких газов и паров, используемых для газового анализа". Conventional Approaches . Handbook of Gas Sensor Materials: Properties, Advantages and Shortcomings for Applications. Vol. 1. Springer. ISBN 978-1-4614-7165-3.
7. Палидвар, Джейсон. «Оптические фильтры открывают новые возможности использования систем MWIR, LWIR». photonics.com . Iridian Spectral Technologies . Получено 16 апреля 2018 г. .
8. "2.2 Оксид азота (NOx)". 2. Измерительные приборы для стационарных источников, Технология непрерывного мониторинга загрязнения воздуха в Японии . Фонд Глобального экологического центра. Архивировано из оригинала 2017-09-16 . Получено 2020-01-16 .
9. Монтгомери, Тами А.; Самуэльсен, Гэри С.; Муцио, Лоуренс Дж. (1989). «Непрерывный инфракрасный анализ N2O в продуктах сгорания». Журнал Ассоциации по управлению воздухом и отходами . 39 (5): 721–726. doi :10.1080/08940630.1989.10466559. S2CID  56277453.
10. "Обнаружение влаги и газа с помощью NDIR-измерительных приборов" (PDF) (пресс-релиз). Laser Components. 10 мая 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2018-02-24 . Получено 2020-01-16 .

Внешние ссылки

• Объяснение датчиков NDIR и CO2, Энциклопедия детекторов газа, База научных знаний по почве
• Замечания по выбору лампы газового датчика NDIR
• Технология NDIR для выхлопных газов бензина Архивировано 2014-10-17 в Wayback Machine
• NDIR-детекторы для определения CO и CO2 в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания