苏州普隆恩电子科技有限公司

苏州普隆恩电子科技有限公司

    苏州普隆恩电子科技有限公司           
    专业的电子元器件代理商        

非色散红外气体传感器背景(NDIR)

关键词:红外气体传感器,NDIR,传感器点击:
非色散红外气体传感背景(NDIR)
红外气体吸收光谱
众所周知,许多气体分子可以吸收电磁波谱中红外部分的辐射。当红外辐射入射到气体上时,当红外波长与分子固有频率或共振相匹配时,分子中振动的原子的能态以不连续的步骤变化。简而言之,当被正确波长的光激发时,保持在其化学键中的原子的振动增加。红外辐射的净吸收有效地提高了气体温度。
共振频率(波长)取决于分子中原子的数量和质量以及各种化学键的数量和强度。如果分子的化学结构很复杂,那么会出现一系列共振。这通常用图形表示为一系列相对于波长绘制的吸收峰,称为吸收光谱。下面的图中显示了一些气体吸收光谱。

红外线只有在“看到”分子上的偶极子时才与气体相互作用(类比是天线拾取的无线电波)。如果分子中的原子非对称排列或振动模式不对称,则存在分子偶极子。振动包括分子的拉伸和弯曲,扭曲它们以产生偶极子甚至多极矩。这在图8中对二氧化碳进行了说明。
值得注意的是,气体分子的旋转能态也存在,但是这些倾向于被微波区域中更长的波长辐射激发。
对称分子,如双星H2,N2和O2,不被IR激发,因为它们的结构和振动模式不会产生任何净偶极子。
二氧化碳是对称分子的一个很好的例子,它具有对称和非对称的振动模式(图8),因此它吸收了红外。
其他气体和蒸汽,特别是碳氢化合物在IR中主要通过C-H拉伸模式有活性。通常,C-H键的数量越多,吸收线越强,其中许多线合并成带。

分散红外
红外气体吸收光谱范围宽广,范围从2.0到20微米,显示出多种宽峰和细线结构。这些特征是气体的特征,而不像个别指纹。它们的波长位置能够识别气体,而它们的高度提供可以计算气体浓度的信息。
需要绘制这种类型的光谱的仪器通常被称为“色散”,因为通过气体的IR在进入合适的检测器之前被衍射光栅,棱镜或可能的可调谐滤波器分裂或“分散”到光谱中。它真的是一台气体光谱仪。大多数分散型红外仪器都非常昂贵,体积庞大且有些脆弱,台式系统通常仅限于实验室。不幸的是,他们不能很容易地用于识别和连续监测实际现场应用中的气体。因此,极少数分散式红外气体传感系统部署在危险场所。
 
非色散红外(NDIR)
对于大多数红外气体传感应用而言,目标气体的特性已为人所知,因此几乎不需要气体光谱法。用户仍然必须测量目标气体的浓度,但如果它们的吸收线重叠,则可能能够接受不同气体之间的某种程度的交叉敏感度。非分散红外传感技术更适合这些基本要求。
对于NDIR,通常将传感器视为仪器中的单个组件。其关键特征是固定的窄带滤光片与个别红外探测器一起使用,可以在有限的波长范围内识别出几条气体吸收线。 (这样可以切断气体分光计的色散部分)。相对便宜的传感器组件可以获得资源,更小的更坚固的传感器组件可以安装到仪器中。设计的简单性使传感器封装易于符合可认证的安全标准。此外,气体浓度可以通过仪器微处理器中使用的简单算法实时导出。

感应波长的选择
这取决于红外源的可用输出范围以及在“水窗”内工作的需要。图1中的吸水光谱显示出低于3微米,5至8微米和超过16微米的强吸收。如果在目标气体中存在湿度,任何试图检测这些区域中的气体谱线的尝试都会受到强烈的干扰。因此,在存在许多有用的气体管线的3至5微米或8至16微米的窗口中操作更安全。选择3至5微米窗口是因为:
 
•对于二氧化碳检测有4.2微米的有用吸收线,对于碳氢化合物检测有3.0至3.5微米的有用吸收线。参见图。 2至7。
•在4.0微米处没有气体吸收线,可以在此波长下获取参考信号。
•带玻璃信封的红外灯辐射至5微米。
8微米以外区域的气体传感不太流行,因为它需要一个昂贵的红外光源,并配有专门的红外透射和密封窗口。来自白炽灯丝的辐射也在较长的波长下消失。此外,没有低成本固态红外光源可以在长波长上商用。
 
用于NDIR气体吸收的Beer-Lambert定律
图9示出了通过NDIR感测气体的一般设置,包括:
•具有反射表面和气体进入的吸收池。
•红外光源,通常是带玻璃外壳的小钨丝。
•红外有源探测器,典型的热释电包装带有调谐到目标气体的窄带通滤波器。
•带中性(4微米)过滤器的红外参考检测器,用于背景监测。没有显示处理信号的电源和电子设备。
热释电探测器响应光照强度的变化,因此红外源必须进行调制。这可以用一个机械斩波轮来完成,但最好不要有移动部件并用方波脉冲电压。在1至10 Hz的脉冲频率下,探测器的输出呈正弦曲线,其峰值与峰值交流电压与入射到探测器上的IR强度成正比。如果吸收红外线的气体进入电池,激活检测器上的IR强度将按照称为比尔 - 朗伯定律的简单指数关系式降低:
I = Io exp( - KLC).......................................... ..................(1)
其中:
I是目标气体的强度
Io是零气体的强度,例如氮。
K是依赖于气体吸收线的因数,滤波器L的带宽是灯与检测器之间的光路长度
C是气体的浓度
从(1)可以确定气体浓度C是显而易见的。
对于有源检测器输出,存在相应的输出电压变化,其中:
(Vo-V)/ Vo =(Io-I)/ Io .................................... ............(2)
V是目标气体中的输出Vo是零气体中的输出
方程(2)是“建立”感知气体的程度的一种度量,称为分数吸光度(FA)。 (为简单起见,不包括参考通道)。
重新排列等式(1)和(2)给出:
FA = 1 - exp( - KLC)......................................... ..............(3)
如果K和L保持不变,那么FA可以相对于C作图,如图10所示.FA的值随着C而增加,但最终在高气体浓度时饱和。这意味着对于任何固定的“设置”,解决气体水平变化的能力在低浓度下比在高浓度下更好。然而,由于K,L和C是因子,因此可以调整K和L以给出所需气体浓度范围的最佳吸光度。作为一项规则:长光路更适合低气体浓度,短光路更适合高气体浓度。有尺寸和功率限制,特别是对于长光路,其中红外灯输出可能不足以产生足够强的检测器信号。
为了将碳氢化合物检测到可燃下限(LFL)和二氧化碳浓度为低体积百分比,选择L值为50毫米左右是最佳选择。

修正的比尔朗伯定律和归一化吸光度
必须认识到,简单的Beer-Lambert表达式适用于实际的气体传感设备时是理想化的。由于尺寸和组件差异,考虑以下几点:
•光路长度L不可能是单个值。
•灯泡强度和光谱输出可能会有所不同。
•滤波器带通和发射可能因批次而异。
•气体线吸收系数对于所有波长不是单一值,而是在滤波器通带内平均。
•传感器的性能会随温度和压力而变化(见下文)。
必须尽一切努力通过确保良好的构建标准来最小化这些差异。这从传感器开始,设计用于符合目的和使用可靠的组件。刚性机械和光学对准对于实现从传感器到传感器的一致性能至关重要。通过重新定义Beer-Lambert定律和吸光度表达式并使用补偿算法,可以满足任何余数方差。
引入两个系数a和n来修改等式(1):
I = Io exp( - a C ^ n)....................................... ...................(4)
其中a和n是取决于特定传感器设计和目标气体的固定值。通过引入参考通道,等式(2)被重写为归一化吸光度:
NA = 1 - I / Z * Io ......................................... ....................(5)
其中Z = I / Io = V(ref)/ V(ref)o,即参考探测器的等效比率。查看相应的检测器电压输出,则(5)变为:
NA = 1-(V / V 0)* V(ref)0 / V(ref)= 1-(V / V(ref))/
为了简单起见,通过陈述来重新定义术语:
NA = 1 - Act /(Zero x Ref)....................................... .......(6)
其中:
Act =有效信号
Ref =参考信号Zero =零气中的Act / Ref
应该指出的是,在等式(6)中以及始终,电压比的表达消除了对任何绝对电压值的依赖性。这消除了检测器响应性或放大器增益的任何差异,并且可以自行补偿背景光学条件中的变化。
然后将方程(6)与包括气体跨度因子的方程(1)相关联:
1 - Act /(Zero x Ref)= Span(1-exp(-aC ^ n).............(7)
公式7是用于计算气体浓度的公式。通常使用微处理器中的算法将仪器读数与气体浓度进行线性化。
包括线性化和温度补偿在内的后续信号处理的更多细节在红外传感器应用说明2中进行了描述。


环境温度和压力的影响
在环境压力和温度变化的情况下,必须使用理想的气体法来计算气体浓度。
C = k P V / T,其中k是常数,P是压力,V是体积,T是以开尔文为单位的温度,在大多数气体监测应用中发现的非极端气体条件下都是如此。只要仪器设置有独立的温度和压力传感器,就可以对算法进行简单的修正。
然而,理想的气体定律不能考虑到传感系统本身带来的任何影响。最重要的影响是在-40°C和+75°C之间的温度范围内工作。
IR气体传感器本质上是通过吸收辐射来感测温度,但它也会响应环境中的温度变化,从而产生虚假和误导信号。这主要通过传感器中对温度变化敏感的各个组件的响应总和而发生。
主要的是:
•红外滤光片特性的变化。
•热电探测器输出的变化。
•机械和光学对准的变化。
通过选择合适的组件并确保一致的构建标准,传感器对温度的响应可预测,并在-40至+75°C范围内接近线性。一旦完全了解传感器特性,这使得软件补偿相对容易。在红外传感器只需要两个系数Alpha和Beta来补偿温度变化。这包括对理想气体定律的修正。
需要在气体传感器附近安装一个单独的温度传感器来进行补偿。一些e2v红外气体传感器(IR1xxx系列2和IR15T系列)具有内置温度传感器。
 
NDIR与催化气体相比的优点
•这是一种不受侵蚀性化学环境影响的物理传感技术。催化传感器没有中毒的影响。
•厌氧条件下可能会检测到气体,即操作时不需要氧气。
•未检测到氢气,因此不会引起交叉敏感。
•二氧化碳是唯一可检测的,不受其他气体的干扰。
•如果暴露于高浓度气体或长时间监测气体,传感器老化或“烧坏”不会出现问题。
•稳定的长期操作需要较少的重新校准。
•长时间存放后稳定。
•预期寿命超过5年,比催化传感器长得多。
•与催化传感器相比,拥有成本低。

水的红外吸收光谱
图1水的红外吸收光谱

CO2的红外吸收光谱
图2CO2的红外吸收光谱

甲烷的红外吸收光谱
图3甲烷的红外吸收光谱

乙烯的红外吸收光谱
图4乙烯的红外吸收光谱
丙烷的红外吸收光谱
图5丙烷的红外吸收光谱
乙炔的红外吸收光谱
图6乙炔的红外吸收光谱
苯的红外吸收光谱
图7苯的红外吸收光谱


图8

NDIR气体传感器框图
NDIR气体传感器框图

典型的气体吸收系数曲线
典型的气体吸收系数曲线

------分隔线----------------------------
产品展示
联系方式
  • 苏州普隆恩电子科技有限公司
  • 联系人:朱女士
  • 电话:17372639668
  • 传真:0512-8639668
  • 邮箱:sale@purotech.cn
  • 微信:17372639668
  • Q Q 号:293212
  • 地址:苏州市养育巷99号
  • 请扫二维码加入微信公众号