Sensor de infrarrojos no dispersivo
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Un sensor de infrarrojos no dispersivo (o sensor NDIR ) es un sensor espectroscópico simple que se utiliza a menudo como detector de gas . No es dispersivo en el hecho de que no se utiliza ningún elemento dispersivo (por ejemplo, un prisma o una rejilla de difracción como suele estar presente en otros espectrómetros ) para separar (como un monocromador) la luz de banda ancha en un espectro estrecho adecuado para detección de gas. La mayoría de los sensores NDIR utilizan una fuente de lámpara de banda ancha y un filtro óptico para seleccionar una región espectral de banda estrecha que se solapa con la región de absorción del gas de interés. En este contexto, estrecho puede tener un ancho de banda de 50-300 nm. Los sensores NDIR modernos pueden utilizar sistemas microelectromecánicos (MEM) o fuentes LED de infrarrojos medios, con o sin filtro óptico .

Analizador NDIR con un doble tubo para CO y otro doble tubo para hidrocarburos

Principio

Los componentes principales de un sensor NDIR son una fuente de infrarrojos (IR) (lámpara), una cámara de muestra o tubo de luz , un filtro de luz y un detector de infrarrojos . La luz IR se dirige a través de la cámara de muestra hacia el detector. En paralelo hay otra cámara con un gas de referencia encerrado, típicamente nitrógeno . El gas en la cámara de muestra provoca la absorción de longitudes de onda específicas de acuerdo con la ley de Beer-Lambert , y el detector mide la atenuación de estas longitudes de onda para determinar la concentración de gas. El detector tiene un filtro óptico. frente a él que elimina toda la luz excepto la longitud de onda que pueden absorber las moléculas de gas seleccionadas.

Idealmente, otras moléculas de gas no absorben la luz en esta longitud de onda y no afectan la cantidad de luz que llega al detector; sin embargo, es inevitable cierta sensibilidad cruzada. [1] Por ejemplo, muchas mediciones en el área de infrarrojos son sensibles al H 2 O, por lo que gases como el CO 2 , SO 2 y NO 2 a menudo inician la sensibilidad cruzada en concentraciones bajas. [ cita requerida ] [2]

La señal IR de la fuente generalmente se corta o modula para que las señales térmicas de fondo se puedan desviar de la señal deseada. [3]

Los sensores NDIR para dióxido de carbono se encuentran a menudo en unidades de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Las configuraciones con múltiples filtros, ya sea en sensores individuales o en una rueda giratoria, permiten la medición simultánea en varias longitudes de onda elegidas.

La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), una tecnología más compleja, escanea una amplia parte del espectro, midiendo muchas especies absorbentes simultáneamente.

Investigar

Uno de los problemas de los sensores NDIR es su gran tamaño y alto costo, lo que los hace inadecuados para aplicaciones embebidas integradas en otros sistemas. Las fuentes de infrarrojos en miniatura basadas en sistemas microelectromecánicos (MEMS) se han aplicado experimentalmente a los sistemas NDIR desde 2006 y son útiles desde 2016. La baja energía de la emisión de MEMS significa que se necesita un circuito detector sensible basado en la amplificación de bloqueo. [4] Otros detectores útiles incluyen el sensor de gas fotoacústico que usa un micrófono MEMS para detectar interacciones de gas IR. [5]

Gases y sus longitudes de onda de detección

Espectros de absorción en el infrarrojo medio de algunos gases [5]

Los gases no tienen una longitud de onda de detección específica, más bien hay regiones del espectro IR donde típicamente hay muchos miles de líneas de absorción estrechamente espaciadas. Consulte la base de datos de Hitran para obtener más información.

  • O 2 - 0,763 μm [6]
  • CO 2 - 4,26 μm, [7] 2,7 μm, aproximadamente 13 μm [6]
  • monóxido de carbono - 4,67 μm, [7] 1,55 μm, 2,33 μm, 4,6 μm, 4,8 μm, 5,9 μm [6]
  • NO - 5,3 μm, el NO 2 debe reducirse a NO y luego se miden juntos como NOx; El NO también absorbe en ultravioleta a 195-230 nm, el NO 2 se mide a 350-450 nm; [8] en situaciones en las que se sabe que el contenido de NO 2 es bajo, a menudo se ignora y solo se mide el NO; también, 1,8 μm [6]
  • NO 2 - 6,17-6,43 μm, 15,4-16,3 μm, 496 nm [6]
  • N 2 O - 7,73 μm (NO 2 y SO 2 interfieren), [9] [7] 1,52 μm, 4,3 μm, 4,4 μm, aproximadamente 8 μm [6]
  • HNO 3 - 5,81 μm [6]
  • NH 3 : 2,25 μm, 3,03 μm, 5,7 μm [6]
  • H 2 S - 1,57 μm, 3,72 μm, 3,83 μm [6]
  • SO 2 - 7,35 μm, 19,25 μm [6]
  • HF : 1,27 μm, 1,33 μm [6]
  • HCl - 3,4 μm [6]
  • HBr : 1,34 μm, 3,77 μm [6]
  • HI : 4,39 μm [6]
  • hidrocarburos - 3.3-3.5 μm, la vibración del enlace CH [7]
  • CH 4 - 3,33 μm,También se pueden utilizar 7,91 ± 0,16 μm , [10] 1,3 μm, 1,65 μm, 2,3 μm, 3,2-3,5 μm, aproximadamente 7,7 μm [6]
  • C 2 H 2 - 3,07 μm [6]
  • C 3 H 8 - 1,68 μm, 3,3 μm [6]
  • CH 3 Cl - 3,29 μm [6]
  • H 2 O - 1,94 μm, 2,9 μm (el CO 2 interfiere), [7] 5,78 ± 0,18 μm también se pueden utilizar para eliminar la interferencia de CO 2 , [10] 1,3 μm, 1,4 μm, 1,8 μm [6]
  • O 3 - 9,0 μm, [7] también 254 nm (UV) [6]
  • H 2 O 2 - 7,79 μm [6]
  • mezclas de alcohol - 9,5 ± 0,45 μm [10]
  • HCHO - 3,6 μm [6]
  • HCOOH : 8,98 μm [6]
  • COS : 4,87 μm [6]

Aplicaciones

  • Analizador de gases por infrarrojos
  • Sensor de punto infrarrojo

Referencias

  1. ^ "Fuentes de luz del sensor de gas NDIR" . Tecnologías de luz internacional . Archivado desde el original el 5 de diciembre de 2012 . Consultado el 9 de mayo de 2016 .
  2. ^ Título 40: Protección del medio ambiente, PARTE 1065 — PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA DEL MOTOR, Subparte D — Calibraciones y verificaciones, §1065.350 Verificación de interferencia de H2O para analizadores NDIR de CO2
  3. ^ Seitz, Jason; Tong, Chenan (mayo de 2013). SNAA207 - LMP91051 Sistema de detección de gas CO2 NDIR (PDF) . Instrumentos Texas.
  4. ^ Vincent, TA; Gardner, JW (noviembre de 2016). "Un sistema NDIR basado en MEMS de bajo costo para el monitoreo del dióxido de carbono en el análisis del aliento a niveles de ppm" . Sensores y actuadores B: Químico . 236 : 954–964. doi : 10.1016 / j.snb.2016.04.016 .
  5. ^ a b Popa, Daniel; Udrea, Florin (4 de mayo de 2019). "Hacia los sensores de gas integrados en el infrarrojo medio" . Sensores . 19 (9): 2076. doi : 10.3390 / s19092076 . PMC 6539445 . PMID 31060244 .  
  6. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x Korotcenkov, Ghenadii (18 de septiembre de 2013). Manual de materiales de sensores de gas: propiedades, ventajas y deficiencias para las aplicaciones Volumen 1: Enfoques convencionales . Springer Science & Business Media. ISBN 9781461471653. Consultado el 16 de abril de 2018 , a través de Google Books.
  7. ^ a b c d e f Tecnologías, Jason Palidwar, Iridian Spectral. "Los filtros ópticos abren nuevos usos para sistemas MWIR, LWIR" . photonics.com . Consultado el 16 de abril de 2018 .
  8. ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 16 de septiembre de 2017 . Consultado el 16 de enero de 2020 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
  9. ↑ Montgomery, Tami A .; Samuelsen, Gary S .; Muzio, Lawrence J. (1989). "Análisis infrarrojo continuo de N2O en productos de combustión" . Revista de la Asociación de Gestión de Residuos y Aire . 39 (5): 721–726. doi : 10.1080 / 08940630.1989.10466559 .
  10. ^ a b c "Copia archivada" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 24 de febrero de 2018 . Consultado el 16 de enero de 2020 . CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )

enlaces externos

  • Sensores de gas NDIR explicados , Enciclopedia de detectores de gas, Base de conocimientos científicos edáficos
  • Notas de aplicación de selección de lámpara de sensor de gas NDIR
  • Tecnología NDIR para gases de escape de gasolina
  • Detectores NDIR para CO&CO 2 en gases de escape de motores de combustión interna
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