Vilka typer av NDIR-sensorer finns det?
Allmänna egenskaper för alla NDIR-sensorer
NDIR (Non-dispersive Infra-red) har blivit den ledande metoden för att mäta CO2-koncentration. Denna teknik utnyttjar CO2-molekylernas starka absorptionsegenskaper för infrarött (IR) ljus med våglängder runt 4,2 µm. Genom att lysa med ljus av denna våglängd genom ett gasprov kan CO2-koncentrationen bestämmas baserat på mängden absorberat ljus. Ju fler CO2-molekyler som finns i gasprovet, desto mer IR-ljus med denna frekvens blockeras (absorberas) av CO2-molekylerna. Mängden IR-ljus som tas emot med våglängden 4,2 µm är därför ett mått på mängden CO2 i luften.
Endast denna målvåglängd för IR-ljuset är viktig för CO2-mätningen. Ett icke-dispersivt bandpassfilter, som endast släpper igenom de infraröda våglängder som är av intresse, säkerställer att mottagaren endast ser IR-ljuset med det relevanta frekvensbandet. Denna teknik ligger till grund för namngivningen: Non-Dispersive Infra-Red.
Transmissiv NDIR
Transmissiva NDIR-sensorer består vanligtvis av en IR-ljuskälla och en optisk detektor, t.ex. en fotodiod, som är placerade i motsatta ändar av en specialdesignad optisk kavitet. Den optiska detektorn mäter det IR-ljus som inte absorberas av gasprovet. När CO2-koncentrationen i kaviteten ökar, minskar det detekterade ljuset. Skillnaden mellan det uppmätta ljuset och en referensintensitet vid en känd CO2-koncentration används för att bestämma den absorberade ljusenergin av CO2-molekyler.
Transmissiva NDIR CO2-sensorer förlitar sig på IR-absorption vid våglängden 4,2 µm utan att använda dispersiva optiska element. Noggrannheten i dessa mätningar är starkt beroende av den exakta positioneringen av IR-sändaren och fotodetektorn samt egenskaperna hos IR-källan och det optiska hålrummet. Mekaniska och termiska påfrestningar på mätkammaren kan påverka CO2-avläsningarna avsevärt. Dessutom kräver transmissiva NDIR-sensorer vanligtvis en minsta optisk väglängd på flera centimeter för att säkerställa tillräcklig IR-absorption för korrekt mätning av lägre CO2-koncentrationer. Detta är en begränsande faktor när det gäller att göra sensorerna mer kompakta.
Transmissiva NDIR CO2-sensorer förlitar sig på IR-absorption vid våglängden 4,2 µm utan att använda dispersiva optiska element. Noggrannheten i dessa mätningar är starkt beroende av den exakta positioneringen av IR-sändaren och fotodetektorn samt egenskaperna hos IR-källan och det optiska hålrummet. Mekaniska och termiska påfrestningar på mätkammaren kan påverka CO2-avläsningarna avsevärt. Dessutom kräver transmissiva NDIR-sensorer vanligtvis en minsta optisk väglängd på flera centimeter för att säkerställa tillräcklig IR-absorption för korrekt mätning av lägre CO2-koncentrationer. Detta är en begränsande faktor när det gäller att göra sensorerna mer kompakta.
Fotoakustisk NDIR
Till skillnad från transmissiva NDIR-sensorer mäter fotoakustiska NDIR-sensorer koncentrationen av CO2 genom att detektera de ljudvågor som produceras när CO2-molekyler absorberar infrarött (IR) ljus.
IR-ljuskällan är pulsad, vilket innebär att den slås på och av med jämna mellanrum. Denna pulsning är avgörande för att generera den akustiska signal som behövs för detektering. När det pulsade IR-ljuset passerar genom gasprovet i mätkammaren absorberar CO2-molekylerna en del av ljuset. Denna absorption beror på CO2-koncentrationen i kammaren.
När CO2-molekylerna absorberar IR-ljuset genomgår de molekylära vibrationer. Denna absorptionsprocess gör att molekylerna värms upp och expanderar. Eftersom ljuskällan
pulserar sker denna uppvärmning och expansion periodiskt. Den periodiska uppvärmningen och expansionen av CO2-molekylerna skapar tryckvågor eller ljudvågor i mätkammaren. I princip får det pulserande ljuset gasen att växelvis expandera och dra ihop sig, vilket genererar en akustisk våg.
Sensorn innehåller en känslig mikrofon eller akustisk detektor i mätkammaren. Mikrofonen registrerar de tryckvågor som genereras av CO2-molekylerna. Amplituden på de akustiska vågorna är direkt proportionell mot mängden CO2 i kammaren.
Högre CO2-koncentrationer resulterar i starkare absorption av IR-ljus, vilket leder till mer betydande molekylära vibrationer och följaktligen större tryckvågor. Den akustiska signal som detekteras av mikrofonen bearbetas av sensorns elektronik. Signalens amplitud analyseras för att bestämma CO2-koncentrationen. Avancerade algoritmer används för att filtrera bort brus och säkerställa korrekta mätningar.
Fotoakustiska NDIR-sensorer kan göras mindre än traditionella transmissiva NDIR-sensorer eftersom de inte kräver en lång optisk väg för exakta mätningar. Detta gör dem lämpliga för applikationer där utrymmet är begränsat.
Sensorns design är mindre känslig för exakt inriktning av optiska komponenter. Ljudvågor är rundstrålande, vilket innebär att den relativa positioneringen av IR-sändaren och mikrofonen inte är lika kritisk. Detta gör fotoakustiska sensorer mer robusta mot mekaniska och termiska påfrestningar. De kan vara mycket känsliga för små förändringar i CO2-koncentrationen och ge exakta avläsningar även vid låga koncentrationer.
Läs mer om detta: Läs mer om de olika typerna av NDIR-sensorteknik i denna översiktsartikel av D. Popa och F. Udrea vid University of Cambridge
Till skillnad från transmissiva NDIR-sensorer mäter fotoakustiska NDIR-sensorer koncentrationen av CO2 genom att detektera de ljudvågor som produceras när CO2-molekyler absorberar infrarött (IR) ljus.
IR-ljuskällan är pulsad, vilket innebär att den slås på och av med jämna mellanrum. Denna pulsning är avgörande för att generera den akustiska signal som behövs för detektering. När det pulsade IR-ljuset passerar genom gasprovet i mätkammaren absorberar CO2-molekylerna en del av ljuset. Denna absorption beror på CO2-koncentrationen i kammaren.
När CO2-molekylerna absorberar IR-ljuset genomgår de molekylära vibrationer. Denna absorptionsprocess gör att molekylerna värms upp och expanderar. Eftersom ljuskällan
pulserar sker denna uppvärmning och expansion periodiskt. Den periodiska uppvärmningen och expansionen av CO2-molekylerna skapar tryckvågor eller ljudvågor i mätkammaren. I princip får det pulserande ljuset gasen att växelvis expandera och dra ihop sig, vilket genererar en akustisk våg.Sensorn innehåller en känslig mikrofon eller akustisk detektor i mätkammaren. Mikrofonen registrerar de tryckvågor som genereras av CO2-molekylerna. Amplituden på de akustiska vågorna är direkt proportionell mot mängden CO2 i kammaren.
Högre CO2-koncentrationer resulterar i starkare absorption av IR-ljus, vilket leder till mer betydande molekylära vibrationer och följaktligen större tryckvågor. Den akustiska signal som detekteras av mikrofonen bearbetas av sensorns elektronik. Signalens amplitud analyseras för att bestämma CO2-koncentrationen. Avancerade algoritmer används för att filtrera bort brus och säkerställa korrekta mätningar.
Fotoakustiska NDIR-sensorer kan göras mindre än traditionella transmissiva NDIR-sensorer eftersom de inte kräver en lång optisk väg för exakta mätningar. Detta gör dem lämpliga för applikationer där utrymmet är begränsat.
Sensorns design är mindre känslig för exakt inriktning av optiska komponenter. Ljudvågor är rundstrålande, vilket innebär att den relativa positioneringen av IR-sändaren och mikrofonen inte är lika kritisk. Detta gör fotoakustiska sensorer mer robusta mot mekaniska och termiska påfrestningar. De kan vara mycket känsliga för små förändringar i CO2-koncentrationen och ge exakta avläsningar även vid låga koncentrationer.
Läs mer om detta: Läs mer om de olika typerna av NDIR-sensorteknik i denna översiktsartikel av D. Popa och F. Udrea vid University of Cambridge