Welke types NDIR-sensoren bestaan er?
Algemene kenmerken van alle NDIR-sensoren
NDIR (= niet-dispersieve infrarood)-meting is de meest gebruikte methode voor het meten van CO2-concentraties. Deze technologie maakt gebruik van de sterke absorptie-eigenschappen van CO2-moleculen voor infrarood (IR) licht bij golflengten rond de 4,2 µm. Door licht van deze golflengte door een gasmonster te schijnen, kan de CO2-concentratie worden bepaald op basis van de hoeveelheid licht die wordt geabsorbeerd. Hoe meer CO2-moleculen aanwezig zijn in het gasmonster, hoe meer IR-licht van deze frequentie wordt geblokkeerd (geabsorbeerd) door de CO2-moleculen. De hoeveelheid IR-licht die wordt ontvangen met een golflengte van 4,2 µm is dus een maat voor de hoeveelheid CO2 in de lucht.
Alleen deze doel-golflengte van het IR-licht is belangrijk voor de CO2-meting. Een niet-dispersieve banddoorlaatfilter, die alleen de infrarode golflengten van belang doorlaat, zorgt ervoor dat de ontvanger alleen het IR-licht met de relevante frequentieband ziet. Deze techniek is de basis van de naamgeving: Non-dispersive infra-red.
Transmissieve NDIR
Transmissieve NDIR-sensoren bestaan typisch uit een IR-lichtbron en een optische detector, zoals een fotodiode, die aan de tegenovergestelde uiteinden van een speciaal ontworpen optische caviteit zijn geplaatst. De optische detector meet het IR-licht dat niet door het gasmonster wordt geabsorbeerd. Naarmate de CO2-concentratie in de caviteit toeneemt, neemt het gedetecteerde licht af. Het verschil tussen het gemeten licht en een referentie-intensiteit bij een bekende CO2-concentratie wordt gebruikt om de geabsorbeerde lichtenergie door CO2-moleculen te bepalen.
Transmissieve NDIR CO2-sensoren zijn afhankelijk van IR-absorptie bij de golflengte van 4,2 µm zonder gebruik te maken van dispersieve optische elementen. De nauwkeurigheid van deze metingen is sterk afhankelijk van de precieze positionering van de IR-emitter en fotodetector, evenals de eigenschappen van de IR-bron en optische caviteit. Mechanische en thermische spanningen op de meetkamer kunnen de CO2-metingen aanzienlijk beïnvloeden. Bovendien vereisen transmissieve NDIR-sensoren typisch een minimale optische padlengte van enkele centimeters om voldoende IR-absorptie te garanderen voor nauwkeurige metingen van lagere CO2-concentraties. Dit is een beperkende factor bij het compacter maken van de sensoren.
Fotoakoestische NDIR
In tegenstelling tot transmissieve NDIR-sensoren meten fotoakoestische NDIR-sensoren de concentratie van CO2 door de geluidsgolven te detecteren die worden geproduceerd wanneer CO2-moleculen infrarood (IR) licht absorberen. De IR-lichtbron wordt gepulst, wat betekent dat deze op regelmatige intervallen aan- en uitgaat. Deze pulsatie is cruciaal voor het genereren van het akoestische signaal dat nodig is voor detectie. Terwijl het gepulste IR-licht door het gasmonster in de meetkamer passeert, absorberen CO2-moleculen een deel van het licht. Deze absorptie hangt af van de CO2-concentratie in de kamer.
Wanneer CO2-moleculen het IR-licht absorberen, ondergaan ze moleculaire trillingen. Terwijl de lichtbron pulseert, zorgt het absorptieproces ervoor dat de moleculen periodiek opwarmen en uitzetten. Deze periodieke opwarming en uitzetting van CO2-moleculen creëert drukgolven of geluidsgolven binnen de meetkamer. In wezen veroorzaakt het pulserende licht dat het gas afwisselend uitzet en samentrekt, waardoor een akoestische golf wordt gegenereerd.
De sensor bevat een gevoelige microfoon of akoestische detector binnen de meetkamer. Deze microfoon detecteert de drukgolven die door de CO2-moleculen worden gegenereerd. De amplitude van de akoestische golven is direct evenredig met de hoeveelheid CO2 in de kamer. Hogere CO2-concentraties resulteren in een sterkere absorptie van IR-licht, wat leidt tot grotere moleculaire trillingen en dus grotere drukgolven. Het akoestische signaal dat door de microfoon wordt gedetecteerd, wordt verwerkt door de elektronica van de sensor. De amplitude van het signaal wordt geanalyseerd om de CO2-concentratie te bepalen. Geavanceerde algoritmen worden gebruikt om ruis te filteren en nauwkeurige metingen te garanderen.
Fotoakoestische NDIR-sensoren kunnen kleiner worden gemaakt dan traditionele transmissieve NDIR-sensoren, omdat ze geen lang optisch pad nodig hebben voor nauwkeurige metingen. Dit maakt ze geschikt voor toepassingen waarbij de ruimte beperkt is. Het ontwerp van de sensor is minder gevoelig voor de precieze uitlijning van optische componenten. Geluidsgolven zijn omnidirectioneel, wat betekent dat de relatieve positionering van de IR-emitter en de microfoon niet zo kritisch is. Dit maakt fotoakoestische sensoren robuuster tegen mechanische en thermische spanningen. Ze kunnen zeer gevoelig zijn voor kleine veranderingen in CO2-concentratie, waardoor ze nauwkeurige metingen kunnen geven, zelfs bij lage concentraties.
Verder lezen: leer meer over de verschillende soorten NDIR-technologieën in dit reviewartikel van D. Popa en F. Udrea van de Universiteit van Cambridge.