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NDIR 气体传感器的选择

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NDIR 气体传感器的选择

 

电调制非分光红外(NDIR)气体传感器的原理有很多文章都做过比较详细的介绍。基于 NDIR 技术的气体传感器以其高精度、高可靠性以及超长的使用寿命等优势,获得了广泛的应 用。NDIR 气体传感器具有极高的选择性,不会受到其它气体的交叉感染(俗称中毒),大有 取代传统的电化学传感器的趋势。

经过近 30 年的发展,市场上涌现出很多品类繁杂的产品。很多用户在产品选型上往往无 所适从。本文则从 个方面对 NDIR 气体传感器的类型及主要技术指标进行分析,便于读者能 够选择一款真正适合自己的产品。

 

1. NDIR 气体传感器的分类

1.1 可探测气体的种类

由于 NDIR 气体传感器基本原理所限,只是具有非对称分子结构的气体才能够对红外线 具有较强的吸收。所以 NDIR 气体传感器只能测量 SO2NOCO2COCH4N2O 等具有非对称分子结构的气体。对于 O2H2N2 等具有对称分子结构的气体则无能 为力。

 

1.2 单通道及双通道 NDIR 分析

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构成 NDIR 气体传感器的三个核心元件是:红外光源、红外探测器以及吸收气室。 其中红外探测器通常是和窄带滤波镜片一体实现对被探测气体的选择性吸收和测量的。 根据红外探测器的通道数,可以划分为单通道 NDIR 及双通道 NDIR 两种类型。下面分 别介绍其优缺点:

 单通道 NDIR 气体传感器 单通道,顾名思义就是在红外探测器内部集成了一个敏感元件及一个窄带滤波镜片。

优点

缺点

主要应用

结构简单

价格相对比较便宜

长期稳定性比较差

受环境温度影响比较大

民用室内空气质量检测

 

 双通道 NDIR 气体传感器 双通道红外探测器就是在单通道的基础上,集成了一个参考通道。以 CO2 传感器

为例,包含两组窄带滤波镜片及敏感元件,中心波长为 4.26um 的通道对 CO2 气 体敏感,而另外一个中心波长为 3.91um 的通道错开了 CO2 气体的吸收波段,信 号比较稳定,可以作为参考通道。

优点

缺点

主要应用

结构稍微复杂

长期稳定性好

公共场所空气质量检测

价格稍高

受环境温度影响小

工业或采矿业气体浓度监控

可使用在相对恶劣环境

气象,农业,环境空气质量检测

汽车尾气检测

 

1.3 单一气体及复合气体传感器

目前市场上绝大部分 NDIR 气体传感器都是针对单一气体组分进行测量的,技术比 较成熟,应用也比较广泛。比如 citytech 的 IRcel 系列,smartGas 的 系列和 系列 产品。复合气体传感器是最新发展起来的一类基于 NDIR 技术的产品,在一个红外探测 器上集成了多达 个通道的窄带滤波镜片和敏感元件,可以同时测量三种气体组分, 体积小巧,应用灵活,性价比突出。Heimannsensor 及 micro-hybrid 等公司先后都成 功推出了支持复合气体测量的产品。

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单一组分红外探测器 复合组分红外探测器

 

2. 测量范围及准确度

NDIR 气体传感器在测量范围上比较灵活,通常可以根据实际应用进行调整。 但是在评估一个产品的测量范围的时候不可以忽略产品的分辨率。测量范围越广分辨

率越高,当然越好。分辨率通常取决于吸收气室的有效长度,在有限的空间内,吸收气室 的长度越长,分辨率就越高。所以一个优秀的 NDIR 气体传感器,是需要确保有效的吸收 长度的,并非越小就越好。比如现在市场上很多微型 CO2 传感器,标称的测量范围为 400~2000ppm,但是通常都不标称分辨率,实际评估后的结果是 20ppm 以上,这一类产 品作为家庭空气质量监控,倒也凑合。

 

同样准确度也是一个比较复杂的概念,涉及到的因素比较多。

首先,基于 NDIR 技术的气体传感器准确度指标总体上要远高于电化学类的传感器, 在全量程范围内通常可以到达+/-100ppm+3%m.v.(m.v.意思是当前测量值),而电化学传感 器能达到+/-100ppm+5%m.v.就算是很好的了。目前市场上测量准确度最高的 NDIR 气体传 感器可以做到+/-30ppm+2%m.v.

其次,传感器所处的环境温度,环境气压都会对准确度产生非常大的影响,每一个合 格的传感器都应当对这些影响因素进行补偿。

最后,准确度和长期稳定性也是紧密相关的,好的 NDIR 气体传感器应当在很长时间 内保证其标称的准确度。在本文第四章,会对长期稳定性进行详细描述。

 

3. 工作温度范围及温度依赖性

前面有提到环境温度对准确度的影响,这里展开来进行分析。

构成 NDIR 气体传感器的三个核心元件:红外光源、红外探测器和吸收气室都离不开 其物理载体,即结构件。

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如图所示,这是一个典型的双通道 NDIR 气体传感器示意图,吸收气室由外壳组成, 而红外光源和红外探测器则固定在两端。这个外壳可以是金属,也可以是塑料,但是构成 吸收气室的内表面则必须对红外线有比较高的反射系数。

任何物体都具有热胀冷缩的特性,所以这个气室的内表面会随着温度的变化而发生形 变,这个形变的存在会导致红外探测器接收到的光强发生变化,从而导致比较大的误差。 另外红外光源的灯丝,红外探测器的镜片、敏感元件都会随着温度的变化而发生形变。由 于这些形变的不可预期性,导致 NDIR 气体传感器难以工作在较宽的温度范围,温度依赖 性也很难达到理想的效果。

那么有没用什么办法能改善 NDIR 气体传感器的温度性能呢?答案是肯定的。

 优化外壳结构设计 外壳设计上,要尽量确保各部分尺寸比较均匀。这样当温度变化的时候,各部分形变 会保持比较好的一致性,从而减少形变导致的影响。这个方法只能作为设计中的一个 参考,实际效果很难评估。

 外壳材料的选择 金属材料,尤其是以铜为基体的外壳,具有优秀的导热性能。相对于塑料外壳而言, 其温度性能可以改善很多。

 温度补偿

以上两种方法,虽然对提高温度性能有一定的帮助,但是很难到达理想的效果。所以 一款高性能的 NDIR 气体传感器,还应当在多个工作温度点进行温度补偿。

 

下表提供的一些参数,仅供参考:

技术参数

塑料外壳

金属外壳

无温度补偿

有温度补偿

无温度补偿

有温度补偿

工作温度范围

+10~+35°C

-10~+60°C

0~+50°C

-40~+70°C

温度依赖性

<1.5%m.v. / °C

<0.3%m.v. / °C

<1.0%m.v. / °C

<0.2%m.v. / °C

 

4. 长期稳定性

由于红外光源的发光效率会因灯丝的渐渐老化而衰减,吸收气室的内壁反光系数会随 着时间的推移而变差,这些都会影响传感器的长期稳定性。

理论上 NDIR 气体传感器具有十年以上的寿命,但是只有长期稳定性比较好的产品, 才可以确保十年以上的寿命。同时长期稳定性好的产品,可以适当延长校准或检定的周期, 节省维护成本。这里所谈论的长期稳定性,只是针对双通道 NDIR 气体传感器而言。

有效提高长期稳定性通常有以下几项措施:

 采用双通道红外探测器

双通道 NDIR 气体传感器可以同时获取测量通道和参考通道的数值,可以有效减少灯

丝老化、反光系数降低等影响因素,从而实现比较好的长期稳定性。这是单通道 NDIR

气体传感器无法比拟的优势。但是并非采用了双通道的红外探测器就可以一劳永逸了。

 吸收气室内壁镀膜材料 镀膜材料的稳定性,对长期稳定性影响非常大。镀膜材料要求有比较好的抗氧化能力、 有比较高的红外线反射系数、要求有比较强的附着力和稳定性。24K 镀金是上佳之选, 其次是 18K 镀金,再次是镀银。

 选用品质优秀的红外光源和红外探测器

来自德国的 Heimannsensor 和 PerkinElmer 都有超过 20 年红外光源和红外探测器的 生产经验,其产品的稳定性和可靠性得到业界一致认可。

 防尘防水等级 防尘防水等级也是不容忽视的一项指标。灰尘在吸收气室内部的累积,会导致反光效 率下降,从而影响长期稳定性。而水滴对 NDIR 气体传感器的破坏则是致命的。通常 要求防护等级不可低于 IP53,越高越好。

 

总而言之,一款优秀的 NDIR 气体传感器,其长期稳定性要<50ppm / year。对于长期 稳定性>100ppm / year 或者没有给出该指标的产品,选择上就需要慎重了。

 

5. 预热时间及响应速度

 预热时间

基于 NDIR 原理的气体传感器,都需要红外光源,光源在点亮的时候会产生热量。正 是这个热量的存在,导致整个系统需要一定的时间建立热平衡。这个预热时间是不可避免 的,通常在 分钟以内都是可以接受的。有些产品通过优化结构设计或电子驱动方式,可 以将预热时间缩短到 30s 以内。

 响应速度

NDIR 气体传感器进气方式有强吸式和扩散式两种。 强吸式气体传感器由气泵驱动,流量可以达到 0.5~1.0L/m,响应速度比较快,t90 

以达到 15s 左右。

对于扩散式气体传感器,响应速度主要取决于进气口的开口面积,t90 达到 120s 以内 的都算是合格的产品。最近部分产品采用了一种全新的设计思路,在外壳对应的面上分别 开透气孔,使得被交换的气体实现了对流,显著提高了响应速度,t90 可以达到 60s 以内。

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6. 振动或跌落对准确度的影响 在前面第三章,有谈到外壳形变对长期稳定性的影响,最终表现出来的结果就是准确

度发生了漂移。NDIR 气体传感器作为一款光学测量仪器,对于振动或跌落导致的外壳形 变十分敏感,因而有可能导致较大的误差,甚至测量功能失效。实际使用中应尽量避免此

类事件的发生。 但是由于具体应用情景千变万化,比如便携式测量仪器,运输过程中的气体浓度检测

等等,很难避免振动或跌落事件的发生。此时选择一款具有较强的抗振动或跌落性能的产 品,就显得尤为重要了。

那么如何评估一款 NDIR 气体传感器抗振动或跌落性能呢? 这个确实很难评估,这里只能粗略地总结为一问二看。

 问技术支持 要和厂家的技术支持沟通一下,了解他们设计产品时是否有所考虑,如果有详细的测 试报告,则最佳。

 看测试结果 振动测试:将传感器固定在振动测试台上,设置振动测试台参数为频率50Hz,振幅2mm, 加速度3g,测试时长10min以上。最后全量程检验准确度,如果在标称的准确度范围内, 则合格。 跌落测试:通常传感器不是独立安装使用,用户会根据自己的实际应用,添加仪表外 壳或跌落缓冲装置,所以这一点很难有统一的评判标准。粗略的评判是自30cm高度, 从6个角度分别5次将传感器自由跌落到混凝土台面。最后验证准确度应当在标称的范 围内。当然如果你的仪表外壳和跌落缓冲装置设计的足够好,可以忽略这个测试。但 是对于总机,依旧需要做类似测试。测试方法类似,建议高度为1m

 看结构设计 这里第三次强调一下构成NDIR气体传感器的三个核心元件:红外光源、红外探测器和 吸收气室。

 构成吸收气室的外壳一定要坚固,不易变形。通常外壳由上壳和下壳两部分组成, 上壳和下壳之间必须要有螺钉紧固

 红外光源及红外探测器要牢牢地固定在外壳上,最好是螺钉紧固再加胶水封死

 外壳和电路板之间,也要配合紧密,不可有丝毫晃动。当然如果能将电路板封装在 外壳里面,并通过胶水封死为最佳。

 

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7. 数据输出或通讯接口

NDIR 气体传感器通常有模拟信号输出和数字信号输出两种方式。模拟信号有 4~20mA 电流和 0~5V 电压输出。而数字信号输出通常采用 TTL 电平的 UART 通讯,通讯协议通常 采用 MODBUS

模拟信号输出在工业现场使用非常广泛,易于系统集成。但是在传感器内部涉及到一 次数模转换造成的误差;而在应用的时候,模拟信号采集环节会再次造成一定的误差,两 次误差的累积还是比较可观的,所以模拟信号输出不太适合高精度应用。

数字信号输出比较直观可靠,但是对上位机的资源和开发人员的素质有一定的要求。

通常需要厂家技术人员的支持。 总而言之,两种输出方式各有优缺点,要根据具体情况进行选择。

 

8. 低功耗的意义

在倡导节能环保的今天,降低系统功耗,减少能源消耗可以说深入人心。

NDIR 气体传感器虽然有高准确度,高可靠性,超长使用寿命等等众多优点,但是相 对于电化学传感器,其动辄 300~1000mW 的功耗,不能不说是一项缺憾。

正是由于功耗比较大,限制了 NDIR 气体传感器在由电池供电的设备上的普及。国内外有部分厂家也相继推出了超低功耗的 NDIR 气体传感器。比较有代表性的产品有英国GSS COZIR 系列,感兴趣的朋友可以实际评估一下。



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