Недиспергирующий инфракрасный анализатор

NDIR с одной двойной трубкой для CO и другой двойной трубкой для углеводородов

Недисперги́рующий инфракра́сный анализа́тор (англ. nondispersive infrared sensor, NDIR) — простой спектроскопический сенсор, часто используемый в качестве газового детектора. Он называется недиспергирующим, потому что не содержит устройства, разлагающего спектр излучения — диспергирующего устройства, например, призмы, применяемого в спектрографах[1].

Принцип работы

Главные составные части недиспергирующего газового анализатора — источник инфракрасного излучения, камера с образцом, светофильтр и инфракрасный детектор. Инфракрасное излучение направляется через камеру с образцом в детектор. Перед детектором либо перед камерой с образцом установлен светофильтр, поглощающий весь спектр, за исключением тех длин волн, которые способны поглощать молекулы определяемого газа.

Параллельно размещён параллельный оптический канал в котором стоит другая камера с эталонным газом, не поглощающим в инфракрасной части спектра, обычно с азотом. Исследуемый газ в камере для образца вызывает поглощение определённых длин волн, присущих природе этого газа в соответствии с законом Бугера — Ламберта — Бера. Ослабление этого излучения измеряется инфракрасным детектором, по степени поглощения определяют концентрацию исследуемого газа в газовой смеси.

В идеальном случае молекулы других газов не поглощают свет на длинах волн поглощения исследуемого газа и не снижают количество света, достигающего детектора, однако некоторая перекрестная чувствительность (влияние на измерение концентрации интересующего газа других газов в газовой смеси) неизбежна[2].

Инфракрасный поток излучения обычно делают прерывистым или модулированным с помощью обтюраторов, чтобы можно было вычесть тепловые инфракрасные фоновые сигналы из измеряемого оптического сигнала[3].

Недиспергирующие инфракрасные анализаторы часто встречаются в системах ОВК.

Конфигурации с несколькими светофильтрами, установленными на разных детекторах либо на вращающемся барабане, позволяют одновременно проводить измерения на нескольких выбранных длинах волн.

Газы и их длины волн

Спектры поглощения некоторых газов в ближней и средней инфракрасной части спектра

• Кислород (O₂) — 0,763 мкм[4].
• Диоксид углерода (CO₂) — 4,26 мкм[5]; 2,7 мкм, также 13 мкм[4].
• Монооксид углерода (CO) — 4,67 мкм[5]; 1,55 мкм; 2,33 мкм; 4,6 мкм; 4,8 мкм, 5,9 мкм[4].
• Оксид азота(II) (NO) — 5,3 мкм, NO₂ восстанавливается до NO, после чего они измеряются вместе как NOx; NO также поглощает ультрафиолетовое излучение на 195—230 нм, NO₂ измеряется на 350—450 нм[6] в случаях, когда известно, что концентрация NO₂ низкая, то последнее часто игнорируется и измеряется только NO; также на 1,8 мкм[4].
• Оксид азота(II) (NO) — 6,17—6,43 мкм; 15,4—16,3 мкм; 496 нм (УФ)[4].
• Оксид азота(IV) (NO₂) — 7,73 мкм (существует перекрестная чувствительность с NO₂ и SO₂)[7][5]; 1,52 мкм; 4,3 мкм; 4,4 мкм, также около 8 мкм[4].
• Азотная кислота (HNO₃) — 5,81 мкм[4].
• Аммиак (NH₃) — 2,25 мкм, 3,03 мкм; 5,7 мкм[4].
• Сероводород (H₂S) — 1,57 мкм, 3,72 мкм, 3,83 мкм[4].
• (SO₂) — 7,35 мкм; 19,25 мкм[4].
• Фтороводород (HF) — 1,27 мкм; 1,33 мкм[4].
• Хлороводород (HCl) — 3,4 мкм[4].
• Бромоводород (HBr) — 1,34 мкм; 3,77 мкм[4].
• Иодоводород (HI) — 4,39 мкм[4].
• Углеводороды — 3,3—3,5 мкм, колебания связи C—H[5].
• (CH₄) — 3,33 мкм, также может использоваться 7,91 (±0,16) мкм[8]; 1,3 мкм; 1,65 мкм; 2,3 мкм; 3,2-3,5 мкм; около 7,7 мкм[4].
• Ацетилен (C₂H₂) — 3,07 мкм[4].
• Пропан (C₃H₈) — 1,68 мкм; 3,3 мкм[4].
• Хлорметан (CH₃Cl) — 3,29 мкм[4].
• Вода (H₂O) — 1,94 мкм; 2,9 мкм (перекрестная чувствительность с CO₂)[5], также может использоваться 5,78±0,18 мкм для устранения перекрестной чувствительности с CO₂[8], 1,3 мкм; 1,4 мкм; 1,8 мкм[4].
• Озон (O₃) — 9,0 мкм[5], также 254 нм (УФ)[4].
• Пероксид водорода (H₂O₂) — 7,79 мкм[4].
• Смеси низших спиртов — 9,5±0,45 мкм[8].
• Формальдегид (HCHO) — 3,6 мкм[4].
• Муравьиная кислота (HCOOH) — 8,98 мкм[4].
• Сульфид карбонила (COS) — 4,87 мкм[4].

Примечания

1. Dispersive Waves  (неопр.). University of Saskatchewan. Akira Hirose. Дата обращения: 9 мая 2016. Архивировано 4 апреля 2009 года.
2. NDIR Gas Sensor Light Sources  (неопр.). International Light Technologies. Дата обращения: 9 мая 2016. Архивировано из оригинала 5 декабря 2012 года.
3. Seitz, Jason; Tong, Chenan. SNAA207 - LMP91051 NDIR CO2 Gas Detection System (англ.). — Texas Instruments, 2013. Архивировано 17 мая 2017 года.
4. Handbook of Gas Sensor Materials: Properties, Advantages and Shortcomings ... - Ghenadii Korotcenkov - Google Books
5. Optical Filters Open Up New Uses for MWIR, LWIR Systems | Features | Jul 2014 | Photonics Spectra  (неопр.). Дата обращения: 17 сентября 2017. Архивировано 23 февраля 2018 года.
6. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 17 сентября 2017. Архивировано из оригинала 16 сентября 2017 года.
7. Continuous Infrared Analysis of N2O in Combustion Products (англ.) // JAPCA : journal. — Vol. 39. — P. 721—726. — doi:10.1080/08940630.1989.10466559.
8. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 17 сентября 2017. Архивировано из оригинала 24 февраля 2018 года.

Ссылки

• NDIR Gas Sensors Explained, The Gas Detector Encyclopedia, Edaphic Scientific Knowledge Base
• NDIR Gas Sensor Lamp Selection Application Notes
• NDIR Technology for gasoline exhaust
• NDIR detectors for CO&CO₂ in internal combustion engine exhaust