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NDIR传感器详解

关键词:NDIR,传感器点击:
 
 一、前言
 
  NDIR是英文单词的缩写,Non-Dispersive InfraRed非色散红外.
  非对称分子(含有不同原子)可以在特非对称分子(含有不同原子)可以在特定波长吸收红外线能,这种特定的吸收定波长吸收红外线能,这种特定的吸收带对于某种分子是确定的、标准的,称带对于某种分子是确定的、标准的,称为“物质指纹物质指纹”。
 
  红外线是某一定波段范围内的电磁波,当它向周围传递过程中遇到特定介质时,将被介质吸收或透射。对于同一种原子构成的对称双原子分子,如O2、N2、H2等或单原子分子如He、Ne等并不能产生吸收光谱。但不同原子构成,含有偶极矩分子够能特定波长的辐射波。目前,NDIR是公认的检测CO和CO2最有效的分析手段。
 
  NDIR红外气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术,在连续污染物监测系统以及机动车尾气检测应用中十分普遍。国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用国际上八十年代初的红外气体分析方法,如采用镍锘丝作为红外光源、采用电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等。由于采用电机机械调制,仪器功耗大,且稳定性差,仪器造价也很高。同时采用薄膜电容微音器作为传感使得仪器对震动十分敏感,因此不适合便携测量。随着红外光源、传感器及电子技术的发展,NDIR红外气体传感器在国外得到了迅速的发展。主要表现在无机械调制装置,采用新型红外传感器及电调制光源,在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统,使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。
 
  二、NDIR气体分析基本机理
 
  当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。因此对于多种混合气体,为了分析特定组分,应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。
 
  以CO2分析为例,红外光源发射出1-20um的红外光,通过一定长度的气室吸收后,经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后,由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度,以此表示CO2气体的浓度,
 
  三、电调制NDIR红外气体传感器关键技术
 
  在设计传感器的光学系统部分时,为了减少红外传感器微弱信号的衰减以及外界信号干扰,将前置放大电路也一并放在光学部件上,并采取了一定的电磁屏蔽措施。为了使气体红外吸收信号具有较好的分辨率,在进行结构设计时,红外光源、气室、红外探测器应设置在同一光轴上。此外为了使得信号足够大,可以使用椭圆型或抛物线型反射镜。红外光源由稳流供电,供电电压和电流根据使用的光源不同而不同。工作时,传感器根据预先设定的调制频率发出周期性的红外光,红外光源发出的红外光通过窗口材料入射到测量气室,测量气室由采样气泵连续将被测气体通入测量气室,气体吸收特定波长的红外光,透过测量气室的红外光由红外探测器探测。由于调制红外光的作用红外传感器输出交流的电信号,通过其后的前置放大电路放大后在一次经过高精密放大整流电路,得到一个与被测气体浓度对应的直流信号送入测控系统处理。红外传感器内有温度传感器探测其工作环境温度。红外传感器信号经过测控系统,并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后,给出气体浓度测量值。
 
  采用了以下关键技术:
 
  1、红外光源及其调制
 
  pulsIR,reflectIR等新型电调制红外光源等,升降温速度很快.红外光源发射窗口上安装有透明窗,一方面可以保证发射的红外光波长在特定范围内,适合于对常规的气体如CO2、CO、CH4、NO、SO2等气体进行测量。此外也可以阻止外界环境对光源温度的影响。
 
  2、镀膜气室
 
  采用气室与外支撑分离的结构,安装时只需将气室固定安装在支撑结构的中心即可。此种结构设计保证了该部件易于装卸﹑更换;同时由于与外支撑分离,进一步减小了外界条件的影响,使仪器能适应复杂环境下工作。此外原来一些需要较长气室的传感器,采用以往方法加工镀膜工艺十分困难,采用此法后将十分容易,成本也将大大降低。传统气室采用了与外支撑一体化设计,具有制造容易﹑安装方便等优点,但受外界温度波动影响较大;其次,由于被分析气体成分复杂,具有一定的腐蚀性,如SO2﹑NOx等,长时间使用后气室极易被污染,直接影响测量精度。
 
  3、红外探测器
 
  红外探测器,NDIR气体传感器的核心部件,测量精度很大程度取决于传感器的性能高低。研究采用高灵敏度红外传感器,例如TPS2534Gx/Gy,TPS4339Gw/Gx/Gy/Gz,在其封装上固定安装有针对不同气体的窄带干涉滤光片,可以实现对不同气体的测量。为了确保红外探测器得到较强的稳定信号,可以设计一种红外探测器定向轴,即使在前置放大板上焊接的红外探测器位置有一定的偏差,本传感器也可确保与红外光源和气室位于同一光学中心轴上。
 
  红外探测器接收红外光产生的信号十分微弱,极易受外界的干扰,因此稳定可靠的前置放大电路是关键,最好采用高精密、低飘移的模拟放大电路,并采用窄带滤波电路。前置放大电路具有精度高、漂移小、响应快的特点。前置放大出来的信号通过二级放大电路,直接输出一个与气体浓度对应信号,并送入测控系统,通过非线性校正和补偿后得到气体浓度。
 
  4、传感器测控系统
 
  为了实现NDIR气体传感器的测量、控制以及自动标定等功能,需要一个合适的微控制器来管理传感器。传感器测控系统通过采集红外输出信号及测量标准气体曲线,采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度。
 
  通过采用以上技术,NDIR红外气体传感器的结构比以往仪器将大大简化,仪器功耗也大幅度降低(只有以往的1/4),传感器的成本也不到以往技术的1/4。此类传感器可以实现模块化和标准化,因此更加适合在我国广泛使用。
 
  注意事项
 
  样气必须干燥而清洁,以保证精度 样气必须干燥而清洁,以保证精度。因此,必须对样气进行除湿、除尘处理。
 
  仪器的原理决定了其线形范围不大,对仪器需作曲线标定或者加用线形化电路;仪器另一关键问题是背景气体的干扰,干扰问题解决的好坏,直接决定着仪器质量的好坏。在内燃机排气测量中,主要是CO2和H2O成分对CO测定结果的干扰。NDIR分析仪的抗干扰性能用抗干扰比(IR)来表示,是干扰气体浓度与分析仪对干扰气体的响应所相当的待测气体浓度之比。比值越大,表征仪器抗干扰性能越好。解除干扰能力的方法有加滤光片50mm检测器(抗干扰比为10000:1)和三检测器法(抗干扰比为105:1)。
 

非色散红外气体传感器

定义:

非色散红外Non-Dispersive InfraRed (NDIR)传感器是一种由红外光源(IR source)、光路(Optics Cell)、红外探测器(IR Detector)、电路(Electronics)和软件算法(Algorithm)组成的光学气体传感器。它主要用于测化合物,例如: CH4、CO2、N2O、CO、CO2、SO2、NH3、乙醇、苯等,并包含绝大多数有机物(HC),包括有机挥发性混合物(VOC)。

NDIR传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源,因为并没有一个分光的光栅或棱镜将光进行分光,所以叫非色散红外。光线穿过光路中的被测气体,透过窄带滤波片,到达红外探测器。通过测量进入红外传感器的红外光的强度,来判断被测气体的浓度。当环境中没有被测气体时,其强度是最强的,当有被测气体进入到气室之中,被测气体吸收掉一部分红外光,这样,到达探测器的光强就减弱了。通过标定零点和测量点红外光吸收的程度和刻度化,仪器仪表就能够算出被测气体的浓度了。

NDIR传感器是如何

区分不同种类的气体的呢?

这要从化合物的红外吸收光谱说起。化合物是由不同种类的原子构成,下图就是一个甲烷分子,由1个碳原子和4个氢原子构成的空间结构。当红外光照射到这个分子的时候,C和H之间就发生了少量的往返位移,简称化学键振动。我们可以假想为1根弹簧,两头各栓这1个小球。

因为原子非常小,也很轻,所以化学键振动的频率是很高的,例如甲烷中C-H键振动的频率就是333KHz,中心波长是3.3um。不同分子的分子量不同,因此红外吸收的波长也就不一样,如下图:

为什么要用NDIR传感器?

第一方面,市场上常见的传感器,例如催化燃烧(CAT)、电化学(EC)、紫外光离子化(PID)传感器并不是什么气体都能测,例如,CO2就无法测,但是NDIR传感器能测CO2。NDIR最常见的被测气体是CH4和CO2。

第二方面,这和NDIR传感器的诸多优点是分不开的。NDIR的优点包括:

1. 抗中毒。CAT传感器测甲烷最大的敌人是卤化物(含氟、氯、溴、碘的物质)、有机硅化合物、硫化物。当这些物质在催化珠上燃烧之后,催化剂的活性就打折扣了,反映在测量数据上,就是灵敏度下降。

2. 不会积碳。CAT传感器测长碳链的烃类时,因为燃烧不够充分,很容易积碳,导致催化珠表面形成一层薄薄的碳粉,反映在测量数据上,就是零点抬高、灵敏度下降。NDIR传感器的光源和探测器都被玻璃或滤波片保护了起来,和气体并不接触,所以不会有燃烧的现象发生。

3. 不需要氧气参与。CAT传感器是需要氧气参与氧化反应的。但NDIR是光学传感器,不需要氧气参与。

4. 测量浓度可以到100%v/v。因为NDIR传感器的信号特点是:无被测气体时,信号强度最大,浓度越高,信号越小。所以测量高浓度比测量低浓度要轻松。

5. 长期稳定性优异。NDIR传感器的稳定性基本取决于光源。只要选择好光源,长期稳定性将是极好的,2年不用标定也是能做到的。

6. 温度范围宽。NDIR可以用到-40℃到85℃的范围,毫无压力。

7. 维护成本低。这是和它长期稳定性好密切相关的。极有可能是仪器坏了,传感器都还是好的。

NDIR传感器的增长如何?

当今中国,大约有150万只CAT传感器测量CH4,随着NDIR传感器价格的下降,越来越多的工业可燃气仪表会用到NDIR传感器。如果估计一下现存量的话,大约在30万台,年增长率约20%。

NDIR有什么缺点?

缺点包括:

1. NDIR传感器功耗和催化燃烧传感器相当;

2. 最低检测限较高,测量PPM级别的气体浓度成本较高;

3. 结构、软件、硬件比较复杂,价格也就相对较贵。同级别NDIR CH4传感器价格是催化燃烧传感器的5-10倍。但是和激光红外传感器相比,又要便宜1到2个数量级。

NDIR今后的发展方向是怎样的?

NDIR的技术路线分为两条:

1. 向低分辩率、长波长、多气种方向发展,主要市场是分析仪表和环境空气质量监测领域。

2. 向小体积,低成本方向发展,主要市场是室内空气质量IAQ检测,气种包含CO2和碳氢HC类气体,全球销量约一千万只。

除了NDIR原理,

还有什么原理的红外传感器?

和NDIR相对应的是DIR——分光型的红外气体传感器。DIR主要用在分析仪表中,体积大,功耗高,怕震动,不适合用在工业现场的环境中。

随着技术的进步,光声红外(Photoacoustic)气体传感器也进入了实用。它和NDIR传感器各有优势,会长期共存,哪种会最终胜出,现在还不能定论。




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