Quali sono i vantaggi dei sensori di CO2 NDIR fotoacustici?
Caratteristiche generali di tutti i sensori NDIR
Il rilevamento NDIR (Non-dispersive Infra-red) è diventato il metodo principale per misurare la concentrazione di CO2. Questa tecnologia utilizza le forti proprietà di assorbimento delle molecole di CO2 per la luce infrarossa (IR) a una lunghezza d'onda di circa 4,2 µm. Irradiando una luce di questa lunghezza d'onda attraverso un campione di gas, è possibile determinare la concentrazione di CO2 in base alla quantità di luce assorbita. Più molecole di CO2 sono presenti nel campione di gas, più la luce IR di questa frequenza viene bloccata (assorbita) dalle molecole di CO2. La quantità di luce IR ricevuta con una lunghezza d'onda di 4,2 µm è quindi una misura della quantità di CO2 nell'aria.
Solo questa lunghezza d'onda target della luce IR è importante per la misurazione della CO2. Un filtro passa-banda non dispersivo, che lascia passare solo le lunghezze d'onda infrarosse di interesse, assicura che il ricevitore veda solo la luce IR con la banda di frequenza pertinente. Questa tecnica è alla base della denominazione: Infrarossi non dispersivi.
Solo questa lunghezza d'onda target della luce IR è importante per la misurazione della CO2. Un filtro passa-banda non dispersivo, che lascia passare solo le lunghezze d'onda infrarosse di interesse, assicura che il ricevitore veda solo la luce IR con la banda di frequenza pertinente. Questa tecnica è alla base della denominazione: Infrarossi non dispersivi.
NDIR trasmissivo
I sensori NDIR trasmissivi sono tipicamente costituiti da un emettitore di luce IR e da un rilevatore ottico, come un fotodiodo, posizionato alle estremità opposte di una cavità ottica appositamente progettata. Il rilevatore ottico misura la luce IR non assorbita dal campione di gas. Quando la concentrazione di CO2 nella cavità aumenta, la luce rilevata diminuisce. La differenza tra la luce misurata e un'intensità di riferimento a una concentrazione nota di CO2 viene utilizzata per determinare l'energia luminosa assorbita dalle molecole di CO2.
I sensori NDIR di CO2 trasmissivi si basano sull'assorbimento IR alla lunghezza d'onda di 4,2 µm senza utilizzare elementi ottici dispersivi. L'accuratezza di queste misure dipende fortemente dal posizionamento preciso dell'emettitore IR e del fotorivelatore, nonché dalle proprietà della sorgente IR e della cavità ottica. Le sollecitazioni meccaniche e termiche sulla camera di misura possono influenzare in modo significativo le letture di CO2. Inoltre, i sensori NDIR trasmissivi richiedono in genere un percorso ottico minimo di diversi centimetri per garantire un assorbimento IR sufficiente a misurare con precisione le concentrazioni di CO2 più basse. Questo è un fattore limitante per rendere i sensori più compatti.
I sensori NDIR di CO2 trasmissivi si basano sull'assorbimento IR alla lunghezza d'onda di 4,2 µm senza utilizzare elementi ottici dispersivi. L'accuratezza di queste misure dipende fortemente dal posizionamento preciso dell'emettitore IR e del fotorivelatore, nonché dalle proprietà della sorgente IR e della cavità ottica. Le sollecitazioni meccaniche e termiche sulla camera di misura possono influenzare in modo significativo le letture di CO2. Inoltre, i sensori NDIR trasmissivi richiedono in genere un percorso ottico minimo di diversi centimetri per garantire un assorbimento IR sufficiente a misurare con precisione le concentrazioni di CO2 più basse. Questo è un fattore limitante per rendere i sensori più compatti.
NDIR fotoacustico
A differenza dei sensori NDIR trasmissivi, i sensori NDIR fotoacustici misurano la concentrazione di CO2 rilevando le onde sonore prodotte quando le molecole di CO2 assorbono la luce infrarossa (IR).
La sorgente di luce IR è pulsata, cioè si accende e si spegne a intervalli regolari. Questa pulsazione è fondamentale per generare il segnale acustico necessario al rilevamento. Quando la luce IR pulsata attraversa il campione di gas nella camera di misurazione, le molecole di CO2 assorbono parte della luce. Questo assorbimento dipende dalla concentrazione di CO2 nella camera.
Quando le molecole di CO2 assorbono la luce IR, subiscono vibrazioni molecolari. Questo processo di assorbimento provoca il riscaldamento e l'espansione delle molecole. Quando la sorgente luminosa pulsa, il riscaldamento e l'espansione avvengono periodicamente. Il riscaldamento e l'espansione periodici delle molecole di CO2 creano onde di pressione o onde sonore all'interno della camera di misura. In sostanza, la luce pulsante fa sì che il gas si espanda e si contragga alternativamente, generando un'onda acustica.
Il sensore contiene un microfono sensibile o un rilevatore acustico all'interno della camera di misura. Questo microfono rileva le onde di pressione generate dalle molecole di CO2. L'ampiezza delle onde acustiche è direttamente proporzionale alla quantità di CO2 presente nella camera.
Concentrazioni più elevate di CO2 comportano un maggiore assorbimento della luce IR, con conseguenti vibrazioni molecolari più significative e, di conseguenza, onde di pressione più grandi. Il segnale acustico rilevato dal microfono viene elaborato dall'elettronica del sensore. L'ampiezza del segnale viene analizzata per determinare la concentrazione di CO2. Vengono utilizzati algoritmi avanzati per filtrare il rumore e garantire misure accurate.
La sorgente di luce IR è pulsata, cioè si accende e si spegne a intervalli regolari. Questa pulsazione è fondamentale per generare il segnale acustico necessario al rilevamento. Quando la luce IR pulsata attraversa il campione di gas nella camera di misurazione, le molecole di CO2 assorbono parte della luce. Questo assorbimento dipende dalla concentrazione di CO2 nella camera.
Quando le molecole di CO2 assorbono la luce IR, subiscono vibrazioni molecolari. Questo processo di assorbimento provoca il riscaldamento e l'espansione delle molecole. Quando la sorgente luminosa pulsa, il riscaldamento e l'espansione avvengono periodicamente. Il riscaldamento e l'espansione periodici delle molecole di CO2 creano onde di pressione o onde sonore all'interno della camera di misura. In sostanza, la luce pulsante fa sì che il gas si espanda e si contragga alternativamente, generando un'onda acustica.
Il sensore contiene un microfono sensibile o un rilevatore acustico all'interno della camera di misura. Questo microfono rileva le onde di pressione generate dalle molecole di CO2. L'ampiezza delle onde acustiche è direttamente proporzionale alla quantità di CO2 presente nella camera.
Concentrazioni più elevate di CO2 comportano un maggiore assorbimento della luce IR, con conseguenti vibrazioni molecolari più significative e, di conseguenza, onde di pressione più grandi. Il segnale acustico rilevato dal microfono viene elaborato dall'elettronica del sensore. L'ampiezza del segnale viene analizzata per determinare la concentrazione di CO2. Vengono utilizzati algoritmi avanzati per filtrare il rumore e garantire misure accurate.
I vantaggi dei sensori NDIR fotoacustici
I sensori NDIR fotoacustici possono essere più piccoli dei tradizionali sensori NDIR trasmissivi perché non richiedono un lungo percorso ottico per effettuare misure accurate. Questo li rende adatti ad applicazioni in cui lo spazio è limitato.
Il design del sensore è meno sensibile all'allineamento preciso dei componenti ottici. Le onde sonore sono omnidirezionali, quindi il posizionamento relativo dell'emettitore IR e del microfono non è così critico. Ciò rende i sensori fotoacustici più resistenti alle sollecitazioni meccaniche e termiche. Possono essere altamente sensibili a piccole variazioni della concentrazione di CO2, fornendo letture accurate anche a basse concentrazioni.
Il design del sensore è meno sensibile all'allineamento preciso dei componenti ottici. Le onde sonore sono omnidirezionali, quindi il posizionamento relativo dell'emettitore IR e del microfono non è così critico. Ciò rende i sensori fotoacustici più resistenti alle sollecitazioni meccaniche e termiche. Possono essere altamente sensibili a piccole variazioni della concentrazione di CO2, fornendo letture accurate anche a basse concentrazioni.
Ulteriori letture: Per saperne di più sui diversi tipi di tecnologie di rilevamento NDIR, consultare questo articolo di D. Popa e F. Udrea dell'Università di Cambridge.