NDIR Technologie der fastLine Sensoren
Messprinzip
NDIR stehe für None-Diffractive Infrared und ist eine photometrische, nicht-invasive Messmethode von Gaskonzentrationen.
Bei der NDIR Technologie wird die Absorption von Infrarot (IR) Licht eines Gases in einem spezifischen optischen Spektrum gemessen. Dabei wird die physikalische Eigenschaft der spektralen Absorption der Gas ausgenutzt: Jedes Gas absorbiert Licht nur in spezifischen spektralen Bereichen, ansonsten sind Gase transparent.
Je grösser die Gaskonzentration in der Messzelle ist, desto grösser ist die Absorption des IR-Lichtes im optischen Pfad durch die Messzelle.
Die NDIR Technologie gilt als die effektivste Gasmessmethode für schnelle und präzise Messungen bei einem guten Preisleistungsverhältnis [1].
Spektrale Infrarot-Absorption von Gasen
Viele Gase absorbieren im Infrarotbereich zwischen 2 und 20 µm Wellenlänge Licht, und zwar jedes Gas in einem für sich typischen spektralen Bereich [1]. Das Absorptionsspektrum ist wie ein Fingerprint für ein Gas. Als Übersicht werden die Absorptions-Spektren verschiedener Gase im Infrarotbereich dargestellt [2].
Im Detail betrachtet absorbieren die Gasmolekül die Energie aus dem Infrarotspektrum, indem sie die Vibrations- und Rotations-Bewegungen ändern. Der Übergang von einem Rotations-Zustand zum nächsten ist aber quantisiert, das heisst die Rotation des Moleküls ändert sich „sprungartig“ [2][3]. Dies ist im Lichtspektrum auf der Empfangsseite der Messzelle deutlich als Absorptionslinien zu sichtbar.
Als Beispiel des detaillierten Absorptionsspektrum von Kohlenmonoxid (CO) im spektralen Bereich von 4.6 µm bei tiefem Druck.
Messkanäle, Ein- und Zweistrahltechnik und Messzellen
Das Gas wird in einer Messzelle (Cuvette) gemessen. Bei den schnellen Gassensoren wird die Messzelle mit einem Gasstrom durchströmt, wobei das Gas bei fastLine Sensoren typischerweise als Seitenstrom durch eine Pumpe abgesaugt und durch die Zelle gepumpt wird (side-stream Sensoren). Die IR-Lichtquelle leuchtet durch den mit Gas gefüllten optischen Messpfad in der Messzelle zum IR Empfänger. Dieser misst bei einem, zwei oder mehreren Spektralbereichen die empfangene Lichtintensität, wobei die Spektralbereiche durch optische Filter definiert sind.
Bei Zweistrahl-Sensoren wird ein Referenzstrahl in ein Spektrum gelegt, in dem kein Gas in der Messzelle absorbiert. Somit kann dieser Referenzstrahl als Null-Referenz verwendet werden. Sensoren mit Zweistrahl-Technik (dual-beam) sind langzeitstabil und können Alterungseffekte der IR Komponenten weitgehend kompensieren.
Sensoren mit Einstrahl-Technik (single-beam) haben keinen Referenzstrahl, weisen dafür typischerweise eine höhere Sensitivität auf, welche aber auf Kosten der Langzeitstabilität geht.
Individuelle Messzellen der fastLine Sensoren
Entsprechend dem zu messenden Gas gibt es verschiedene Messzellen von goSense. Die jeweilige Länge des optischen Pfades ist dabei auf die zu messende Gaskonzentration optimiert.
Jede Zelle kann für die Ein‑, Zwei oder Mehr-Strahl Technik verwendet werden.
Quellen
[1] Jacob Y. Wong, Roy L. Anderson, „Non-Dispersive Infrared Gas Measurement“, Int. Frequency Sensor Association Publishing, 2012, ISBN-13: 978–84-615–97321‑1
[2] I. E. Gordon, L. S. Rothman, R. J. Hargreaves, R. Hashemi, E. V. Karlovets, F. M. Skinner, et al., „The HITRAN2020 molecular spectroscopic database“, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 277, 107949 (2022). [doi:10.1016/j.jqsrt.2021.107949]
[3] Planck, Max. „Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspectrum“. Vorgetragen in der Sitzung vom 14. December 1900. JA Barth, 1900.