NDIR (Недисперсійний інфрачервоний аналіз) – це метод вимірювання концентрації газу , який використовує унікальний діапазон довжин хвиль поглинання вибраних газів для визначення присутності цільового газу, наприклад CO2.
Коротко про принцип роботи датчика NDIR
Процес вимірювання полягає в тому, що Інфрачервоне світло (або світлодіод) надсилається з одного кінця випробувальної камери до іншого кінця. Коли кількість CO2, що надходить у камеру, збільшується, кількість інфрачервоного світла, що проходить через камеру, зменшується. Датчик вимірює це зниження інтенсивності. Чим вища інтенсивність CO2, тим вищий вміст CO2 у навколишньому середовищі.
Докладніше про принцип роботи датчика NDIR
Газ дифундує в оптичну порожнину. Світло від джерела інфрачервоного випромінювання проходить через оптичну порожнину, де воно взаємодіє з газом, а потім потрапляє на детектор. Деякі гази поглинають інфрачервоне випромінювання на певних довжинах хвиль (смуги поглинання). Двоканальний детектор складається з активного каналу та опорного каналу. Активний канал оснащений світлофільтром, який пропускає лише світло з довжиною хвилі, що відповідає смузі поглинання цільового газу. Якщо цільовий газ присутній в оптичному резонаторі, інтенсивність світла, що проходить через фільтр і потрапляє на активний канал, зменшується. Еталонний канал детектора оснащений фільтром, який пропускає лише довжини хвилі світла, через які немає смуг поглинання. Наявність газу не впливає на інтенсивність світла, що потрапляє на контрольний канал. Використання опорного каналу дозволяє компенсувати коливання інтенсивності світла.
Технологія NDIR була запроваджена після Другої світової війни. Початково компоненти були досить великими та громіздкими. Сучасні твердотільні монітори, які використовують процес NDIR, значно легші та стабільніші. Попередні покоління моніторів були більш чутливими до вібрації та забруднення.
Сучасні пристрої NDIR із подвійною довжиною хвилі зазвичай мають один детектор із еталонним і газовим оптичними фільтрами. Один використовується як еталон, щоб забезпечити стабільність і еталон, тоді як газовий фільтр забезпечує фактичне вимірювання.
Датчики NDIR не мають фактичного контакту з газом. Це робить ці монітори набагато надійнішими, оскільки їх можна адаптувати до конкретних газів без потенційного впливу інших газів.
У той час як у багатьох газових моніторах і системах детекторів використовується електрохімічна технологія, монітори NDIR фактично не взаємодіють із цільовими газами – електрохімічні блоки можуть взаємодіяти з кількома газами, знижуючи їхню ефективність.
Недисперсійні інфрачервоні датчики | NDIR
Недисперсійні інфрачервоні датчики (NDIR) вимірюють газ як функцію поглинання інфрачервоного світла. В останні роки недисперсійні інфрачервоні датчики (NDIR) стали альтернативою технології каталітичних кульок.
Інфрачервоні датчики складаються з газової комірки, через яку проходить інфрачервоне випромінювання
Молекули складаються з атомів, які утримуються разом хімічними зв’язками. Зв’язки в певному типі молекул поглинають енергію на певних довжинах хвиль. Молекули газу в клітині поглинають випромінювання певних частот у зв’язках між різнорідними атомами (вуглецю та водню, наприклад). Коли хімічний зв’язок поглинає інфрачервоне світло, він продовжує вібрувати з тією ж частотою, але з більшою амплітудою після передачі енергії. Іншими словами, молекули, здатні поглинати енергію на цій довжині хвилі, нагріваються до вищої температури, ніж молекули, які не здатні поглинати світло на цій довжині хвилі.
Коли інфрачервоне випромінювання проходить через сенсорну камеру, що містить певний забруднювач, поглинаються лише довжини хвиль, які відповідають хімічним зв’язкам у цьому забруднювачі. Решта світла безперешкодно пропускається через камеру.
Оскільки більшість хімічних сполук поглинають на різних частотах, ІЧ-поглинання може забезпечити «відбиток пальця» для використання в ідентифікації невідомих забруднень. Крім того, для деяких молекул можна знайти пік поглинання на певній довжині хвилі, який не поділяється іншими молекулами, які ймовірно присутні. У цьому випадку поглинання на певній довжині хвилі може бути використано для забезпечення вимірювання конкретної речовини для конкретної молекули.
Наприклад, аміак має корисний пік поглинання на довжині хвилі приблизно 1,53 мікрон (мм). Поглинання на цій довжині хвилі пропорційне концентрації NH3, присутнього в чутливій камері датчика. Поглинання не є лінійним на одиницю концентрації, але є математично передбачуваним і легко обчислюється за допомогою мікропроцесорних портативних детекторів газу.
Подвійні детектори інфрачервоного випромінювання в газовій комірці вимірюють кількість випромінювання, що проходить через газ (активний детектор). Еталонний детектор вимірює конкретну довжину хвилі ІЧ-випромінювання, яка не поглинається ні цільовими молекулами вуглеводнів, ні можливими заважаючими молекулами, такими як водяна пара, щоб компенсувати будь-які заважаючі фактори, такі як пил і вологість. Різниця в радіації, виміряній двома детекторами, вказує на рівень наявного газу.
Оптичні фільтри або «подрібнювачі» використовуються для обмеження довжин хвиль інфрачервоного світла, що проходить через сенсорну камеру, до конкретних частот, на яких відбувається поглинання цільовими молекулами.
Датчики NDIR з фотодіодним живленням є іскробезпечними та не вимагають використання полум’ягасника. Це дозволяє легше виявляти великі молекули вуглеводнів. Оскільки газ не реагує з хімічними речовинами, датчик захищений від отруєння. Крім того, на відміну від каталітичних кульок, для роботи яких потрібен кисень, датчики NDIR можна використовувати в середовищах зі зниженим вмістом кисню або навіть в інертних середовищах. Нещодавні досягнення в датчиках NDIR замінили традиційне джерело випромінювання від ламп розжарювання фотодіодами (подібними до світлодіодів), що значно зменшило енергоспоживання датчика зі 100 мВт до менше 5 мВт.
Деякі детектори NDIR використовують детектори “термобатареї” для безпосереднього вимірювання кількості інфрачервоного світла, поглиненого на певних довжинах хвиль.
Інші «фотоакустичні» інфрачервоні детектори використовують мікрофон для вимірювання змін тиску в сенсорній камері через поглинання інфрачервоного світла. У цьому випадку мікрофон використовується для вимірювання змін тиску в чутливій камері внаслідок нагрівання внаслідок поглинання інфрачервоної енергії молекулами речовини.
Датчики NDIR зазвичай налаштовані на вимірювання поглинання вуглеводневих (C-H) зв’язків на 3,4 або 3,33 мікрона, які підходять для більшості вуглеводневих газів. Через двоатомну структуру, що складається лише з двох подібних атомів водню, газ водень (H2) не поглинає інфрачервоне випромінювання та не вимірюватиметься датчиком горючого газу NDIR. Крім того, оскільки датчик NDIR призначений для поглинання на певній мікронній довжині хвилі, деякі гази, такі як ацетилен, не будуть виявлені. Однак, якщо NDIR-датчик використовується в мультигазовому приладі, як водень, так і ацетилен можна виявити через перехресну чутливість із датчиком чадного газу (CO).
Головними перевагами інфрачервоних датчиків є висока специфічність датчика до речовини, довгострокова стабільність і менша потреба в коригуванні калібрування.
Інфрачервоні детектори мають широкий динамічний діапазон, і вони не погіршуються та не витрачаються під впливом високих концентрацій речовини
Основними обмеженнями є фізичний розмір блоку детектора, необхідність захистити детектор від потенційних впливів коливань температури та вологості, а також значно вища вартість порівняно з іншими типами детекторів.
Конструкції датчика з подвійним променем/подвійним детектором забезпечують безвідмовний метод виявлення виходу з ладу компонентів передавача або приймача. Оскільки датчик не можна отруїти, як каталітичні кульки, лише заблокований датчик не дозволить датчику вказати на проблему. Резервування також служить для мінімізації дрейфу сигналу, який допускає цикли калібрування та обслуговування тривалістю один рік або більше.