Waarom moet CO₂-detectie 4,26 μm gebruiken? De logica achter de golflengte van infrarood gasdetectie.

Iedereen die met gasdetectie werkt, weet dat infrarooddetectie een van de meest nauwkeurige en storingsbestendige methoden is die er tegenwoordig beschikbaar zijn.

Maar vraag ze eens: waarom 4,26 μm voor CO₂, 3,3 μm voor methaan en 4,67 μm voor CO? Waar komen deze golflengtes vandaan en kun je een andere kiezen? De meesten kunnen geen antwoord geven. Ze zeggen: "Dat is nu eenmaal de gangbare praktijk in de industrie."

Het is geen kwestie van oefening. Het is natuurkunde. En als je dat begrijpt, kun je alleen de datasheet van een infrarood gasdetectiefilter correct lezen en kostbare fouten bij de selectie voorkomen.

Elk gas heeft zijn eigen "infraroodvingerafdruk".

Gasmoleculen vertonen een fundamenteel fysisch gedrag in het infraroodgebied: wanneer de frequentie van het invallende licht overeenkomt met de intrinsieke vibratie- of rotatiefrequentie van het molecuul, absorbeert het molecuul die specifieke frequentie sterk. Dit wordt resonantieabsorptie genoemd.

Verschillende moleculaire structuren hebben verschillende intrinsieke vibratiefrequenties en daardoor verschillende absorptiepiekposities in het infraroodspectrum. CO₂ heeft een sterke buigingsvibratie, met een absorptiepiek gecentreerd op 4,26 μm. Methaan (CH₄) heeft zijn C–H-rekvibratieabsorptie rond 3,3 μm. CO absorbeert op 4,67 μm. Dit zijn inherente eigenschappen die worden bepaald door de moleculaire structuur – ze veranderen niet, ongeacht de sensor of het filter dat u kiest.

Het fundamentele principe van infrarood gasdetectie is eenvoudig: infrarood licht met een specifieke golflengte wordt door het doelgas geleid, de verzwakking van de lichtintensiteit bij de absorptiepiek wordt gemeten en de gasconcentratie wordt berekend. Deze methode wordt niet-dispersieve infrarooddetectie (NDIR) genoemd. Het biedt een hoge gevoeligheid, een sterke ongevoeligheid voor kruisinterferentie, vereist geen vervanging van verbruiksartikelen en heeft een uitstekende stabiliteit op lange termijn. Daarom is het uitgegroeid tot de meest gebruikte gasdetectietechnologie in industriële en milieumonitoring.

Welk probleem lost het filter nu eigenlijk op?

De lichtbron in een NDIR-systeem is doorgaans een breedband infraroodzender – deze zendt niet alleen de doelgolflengte uit, maar een breed spectrum dat de gehele midden-infraroodband bestrijkt. Zonder golflengteselectie aan de ontvangende kant vangt de sensor een mengsel van alle golflengten op, waardoor er geen zinvolle absorptie-informatie van het doelgas kan worden verkregen.

De functie van een infrarood gasdetectiefilter is het nauwkeurig selecteren van de golflengte vlak voor de detector. Hierdoor wordt alleen de smalle band rond de absorptiepiek van het doelgas doorgelaten, terwijl al het andere wordt geblokkeerd. Alleen dan kunnen veranderingen in het detectorsignaal eenduidig ​​worden toegeschreven aan veranderingen in de concentratie van het doelgas.

Een detail wordt vaak over het hoofd gezien: het referentiekanaal.

Een goed ontworpen NDIR-systeem maakt doorgaans gebruik van twee kanalen. Eén detectiekanaal is afgestemd op de absorptiepiek van het doelgas. Een tweede referentiekanaal is gepositioneerd op een golflengte waar het doelgas niet absorbeert. Door de verhouding van de twee signalen te nemen, worden systematische fouten – zoals veroudering van de bron, vervuiling van het venster en temperatuurdrift – effectief geëlimineerd. Elk kanaal vereist een nauwkeurig smalbandfilter, en de middengolflengte, bandbreedte en transmissieconsistentie tussen de kanalen bepalen direct de uiteindelijke meetnauwkeurigheid.

Drie valkuilen bij filterselectie die er echt toe doen

1. Tolerantie voor de centrale golflengte

De absorptiepiek van CO₂ bij 4,26 μm is niet erg breed. Als de centrale golflengte van het filter verschuift, wordt alleen de rand van de piek doorgelaten in plaats van het piekmaximum. Het resulterende absorptiesignaal is zwakker en de detectiegevoeligheid neemt af. Bij toepassingen met lage concentraties – zoals monitoring van de binnenluchtkwaliteit waarbij streefwaarden tussen de 400 en 5000 ppm liggen – kan dit de sensor in feite onbruikbaar maken bij lage concentraties.

De gasdetectiefilters van MULTI IR worden geproduceerd met een tolerantie van de middengolflengte binnen ±20 nm (voor midden-IR-banden) en een piektransmissie van meer dan 85%. Deze specificaties zijn gevalideerd door middel van praktijktests en niet willekeurig gekozen.

2. Bandbreedteselectie

Een smallere bandbreedte zorgt voor een betere golflengteselectiviteit en een sterkere onderdrukking van interferentie in aangrenzende frequentiebanden. Maar als de bandbreedte te smal is, neemt de optische doorvoer af, waardoor de signaal-ruisverhouding in systemen met een beperkt bronvermogen vermindert. Voor de detectie van één gascomponent (zoals alleen CO₂) is een halve bandbreedte van ongeveer 150-200 nm meestal voldoende. Voor de detectie van meerdere componenten of scenario's waarbij aangrenzende absorptiepieken dicht bij elkaar liggen, is een smallere bandbreedte nodig om de kanalen duidelijk te scheiden.

3. Afstemming van blokkeerdiepte en blokkeerbereik

Dit werd eerder al aangestipt, maar er is één specifiek scenario bij gasdetectie dat extra aandacht verdient: waterdamp.

Waterdamp absorbeert over het gehele midden-infraroodspectrum, inclusief het gebied rond de CO₂-piek van 4,26 μm. Als het filter de absorptiebanden van waterdamp onvoldoende blokkeert, zullen veranderingen in de omgevingsvochtigheid het CO₂-signaal beïnvloeden en valse metingen veroorzaken. In omgevingen met een hoge luchtvochtigheid moet dit tijdens de selectiefase worden gecontroleerd en niet pas tijdens het debuggen van het systeem worden ontdekt.

Een veelgestelde vraag: waarom niet gewoon een breedbandfilter gebruiken?

Sommigen zouden kunnen denken: als het doel is om de gewenste frequentieband door te laten, zou een eenvoudig longpass- of shortpassfilter dan niet makkelijker zijn?

Bij toepassingen met lage precisie wellicht wel. Maar bij NDIR-gasdetectie meestal niet. De reden is simpel: breedbandtransmissie laat meer achtergrondstraling de detector bereiken, waardoor de basislijn van het signaal hoger wordt en de effectieve signaal-ruisverhouding afneemt. Om voldoende gevoeligheid bij lage concentraties te behouden, is een smalbandfilter onvermijdelijk.

Daarom worden NDIR-gassensoren altijd ontworpen als sterk geïntegreerde optische systemen: lichtbron, gascel, filter en detector. Elke componentparameter draagt ​​bij aan de uiteindelijke detectienauwkeurigheid en elke keuze heeft invloed op de rest.

Gasdetectie lijkt op het eerste gezicht een elektronisch probleem. In de kern is het echter gebaseerd op optica en natuurkunde.

De specificaties op een datasheet zijn gebaseerd op moleculaire spectroscopie, dunnefilmoptica en systeemintegratie. Inzicht in deze basisprincipes voorkomt dat u zich laat misleiden door één aantrekkelijke piekwaarde voor transmissie.

Als u een NDIR-gassensor ontwikkelt of filteroplossingen van verschillende leveranciers evalueert, neem dan direct contact op met het technische team van MULTI IR. We hebben filters op voorraad voor alle belangrijke gasdetectiebanden – CO₂, CH₄, CO, NO₂ en meer – en bieden maatwerkontwikkeling op basis van uw specifieke systeemparameters, inclusief gemeten spectrale curves.

Maak de juiste keuze. Meet nauwkeurig.

MULTI-IR
Een gespecialiseerde en geavanceerde onderneming van nationaal niveau, een "kleine reus".
Meer dan 10.000 soorten infraroodgevoelige componenten op voorraad.
Wereldwijd top 3 op het gebied van algehele sterkte
Hoofdauteur van de industriestandaard voor infraroodfilters.

Website: www.mirhz.com
Wereldwijde website: www.miroptech.com