Sensor infrarrojo no dispersivo
Detector de infrarrojos sin elemento difractor que dispersa las longitudes de onda IR

Un sensor infrarrojo no dispersivo (o sensor NDIR ) es un sensor espectroscópico simple que se utiliza a menudo como detector de gases . No es dispersivo en el sentido 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 la detección de gases. 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 superpone con la región de absorción del gas de interés. En este contexto, estrecho puede ser un ancho de banda de 50-300 nm. Los sensores NDIR modernos pueden utilizar sistemas microelectromecánicos (MEM) o fuentes LED de infrarrojo medio , con o sin filtro óptico .

Analizador NDIR con un tubo doble para CO y otro tubo doble 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, normalmente nitrógeno . El gas de la cámara de muestra provoca la absorción de longitudes de onda específicas según 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 delante que elimina toda la luz excepto la longitud de onda que pueden absorber las moléculas de gas seleccionadas.

Lo ideal sería que otras moléculas de gas no absorbieran luz en esta longitud de onda y no afectaran la cantidad de luz que llega al detector, sin embargo, es inevitable que se produzca cierta sensibilidad cruzada. [1] Por ejemplo, muchas mediciones en el área IR son sensibles cruzadas al H 2 O, por lo que gases como el CO 2 , el SO 2 y el NO 2 suelen iniciar una sensibilidad cruzada en concentraciones bajas. [ cita requerida ] [2]

La señal IR de la fuente generalmente se corta o modula para que las señales de fondo térmico se puedan compensar con 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 y mide muchas especies absorbentes simultáneamente.

Investigación

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 utiliza un micrófono MEMS para detectar interacciones de gas e infrarrojos. [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, sino que hay regiones del espectro IR en las que normalmente hay miles de líneas de absorción muy próximas entre sí. Consulte la base de datos de Hitran para obtener más información.

  • O2 — 0,763 μm [6]
  • CO 2 — 4,26 μm, [7] 2,7 μm, aproximadamente 13 μm [6]
  • CO : 4,67 µm, [7] 1,55 µm, 2,33 µm, 4,6 µm, 4,8 µm, 5,9 µm [6]
  • NO — 5,3 μm, NO 2 debe reducirse a NO y luego se miden juntos como NO
    incógnita    ; El NO también absorbe en ultravioleta a 195-230 nm, el NO 2 se mide a 350-450 nm; [8] en situaciones donde se sabe que el contenido de NO 2 es bajo, a menudo se ignora y solo se mide el NO; además, 1,8 μm [6]
  • NO2 — 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]
  • HNO3 — 5,81 μm [6]
  • NH3 : 2,25 µm, 3,03 µm, 5,7 µm [6]
  • H2S : 1,57 μm, 3,72 μm, 3,83 μm [6 ]
  • SO2 — 7,35 μm , 19,25 μm [6]
  • Alta frecuencia : 1,27 μm, 1,33 μm [6]
  • HCl — 3,4 μm [6]
  • HBr — 1,34 μm, 3,77 μm [6]
  • Hola — 4,39 μm [6]
  • hidrocarburos — 3,3-3,5 μm, la vibración del enlace CH [7]
  • CH4 — 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]
  • C2H2 — 3,07 μm [ 6]
  • C3H8 : 1,68 μm , 3,3 μm [ 6]
  • CH3Cl — 3,29 μm [ 6 ]
  • H 2 O — 1,94 μm, 2,9 μm (el CO 2 interfiere), [7] También se pueden utilizar 5,78 ± 0,18 μm para evitar interferencias 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]
  • H2O2 — 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

Referencias

  1. ^ "Fuentes de luz con sensor de gas NDIR". International Light Technologies . 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 de motores, 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 – Sistema de detección de gas CO2 NDIR LMP91051 (PDF) . Texas Instruments.
  4. ^ Vincent, TA; Gardner, JW (noviembre de 2016). "Un sistema NDIR basado en MEMS de bajo costo para el monitoreo de dióxido de carbono en el análisis del aliento a niveles de ppm". Sensores y actuadores B: Química . 236 : 954–964. doi :10.1016/j.snb.2016.04.016.
  5. ^ ab Popa, Daniel; Udrea, Florin (4 de mayo de 2019). "Hacia sensores de gas integrados en el infrarrojo medio". Sensores . 19 (9): 2076. Bibcode :2019Senso..19.2076P. doi : 10.3390/s19092076 . PMC 6539445 . PMID  31060244. 
  6. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwx Korotcenkov, Ghenadii (2013). "Tabla 14.4 Líneas de absorción de varios gases y vapores utilizados para el análisis de gases". Enfoques convencionales . Manual de materiales para sensores de gas: propiedades, ventajas y desventajas para aplicaciones. Vol. 1. Springer. ISBN 978-1-4614-7165-3.
  7. ^ abcdef Palidwar, Jason. "Los filtros ópticos abren nuevos usos para los sistemas MWIR y LWIR". photonics.com . Iridian Spectral Technologies . Consultado el 16 de abril de 2018 .
  8. ^ "2.2 Óxido de nitrógeno (NOx)". 2. Instrumentos de medición para fuentes estacionarias, Tecnología de monitoreo continuo de la contaminación del aire en Japón . Fundación del Centro para el Medio Ambiente Mundial. Archivado desde el original el 2017-09-16 . Consultado el 2020-01-16 .
  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 del Aire y los Residuos . 39 (5): 721–726. doi :10.1080/08940630.1989.10466559. S2CID  56277453.
  10. ^ abc "Detección de humedad y gases con dispositivos de medición NDIR" (PDF) (Nota de prensa). Laser Components. 10 de mayo de 2016. Archivado desde el original (PDF) el 24 de febrero de 2018. Consultado el 16 de enero de 2020 .
  • Explicación de los sensores NDIR y CO2, La enciclopedia de detectores de gas, Base de conocimientos científicos edáficos
  • Notas de aplicación para la selección de lámparas con sensor de gas NDIR
  • Tecnología NDIR para gases de escape de gasolina Archivado el 17 de octubre de 2014 en Wayback Machine
  • Detectores NDIR para CO y CO2 en gases de escape de motores de combustión interna
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