Які типи NDIR-датчиків існують?

Загальні характеристики всіх NDIR-датчиків

NDIR (недисперсійне інфрачервоне) зондування стало провідним методом вимірювання концентрації CO2. Ця технологія використовує сильні властивості поглинання молекулами CO2 інфрачервоного (ІЧ) світла з довжиною хвилі близько 4,2 мкм. Пропускаючи світло цієї довжини хвилі через зразок газу, можна визначити концентрацію CO2 на основі кількості поглинутого світла. Чим більше молекул CO2 присутнє в зразку газу, тим більше ІЧ-світла цієї частоти блокується (поглинається) молекулами CO2. Таким чином, кількість отриманого інфрачервоного світла з довжиною хвилі 4,2 мкм є мірою кількості CO2 в повітрі. Недисперсійний смуговий фільтр, що пропускає лише інфрачервоні хвилі, які нас цікавлять, гарантує, що приймач бачить лише інфрачервоне світло з відповідним діапазоном частот. 

Трансмісійні NDIR-датчики
Трансмісійні NDIR-датчики зазвичай складаються з випромінювача ІЧ-світла та оптичного детектора, наприклад, фотодіода, розташованих на протилежних кінцях спеціально сконструйованої оптичної порожнини. Оптичний детектор вимірює ІЧ-світло, яке не поглинається зразком газу. Зі збільшенням концентрації CO2 в порожнині, виявлене світло зменшується. Різниця між виміряним світлом і еталонною інтенсивністю при відомій концентрації CO2 використовується для визначення поглиненої світлової енергії молекулами CO2.

 
Трансмісійні NDIR датчики CO2 покладаються на поглинання інфрачервоного випромінювання на довжині хвилі 4,2 мкм без використання дисперсійних оптичних елементів. Точність цих вимірювань сильно залежить від точного позиціонування ІЧ-випромінювача і фотоприймача, а також від властивостей джерела ІЧ-випромінювання і оптичної порожнини. Механічні та термічні навантаження на вимірювальну камеру можуть суттєво впливати на показники CO2. Крім того, трансмісивні NDIR-датчики зазвичай вимагають мінімальної довжини оптичного шляху в кілька сантиметрів, щоб забезпечити достатнє поглинання ІЧ-випромінювання для точного вимірювання низьких концентрацій CO2. Це є обмежувальним фактором у створенні більш компактних датчиків.

Фотоакустичні NDIR датчики
На відміну від трансмісійних NDIR-сенсорів, фотоакустичні NDIR-сенсори вимірюють концентрацію CO2, виявляючи звукові хвилі, що виникають, коли молекули CO2 поглинають інфрачервоне (ІЧ) світло.  
Джерело ІЧ-світла є імпульсним, тобто воно вмикається і вимикається через певні проміжки часу. Ця пульсація має вирішальне значення для генерування акустичного сигналу, необхідного для виявлення. Коли імпульсне ІЧ-світло проходить через зразок газу у вимірювальній камері, молекули CO2 поглинають частину світла. Це поглинання залежить від концентрації CO2 в камері.
 
Коли молекули CO2 поглинають інфрачервоне світло, вони зазнають молекулярних коливань. Цей процес поглинання призводить до того, що молекули нагріваються і розширюються. Коли джерело світла пульсує, це нагрівання і розширення відбувається періодично. Періодичне нагрівання і розширення молекул CO2 створює хвилі тиску або звукові хвилі у вимірювальній камері. По суті, пульсуюче світло змушує газ поперемінно розширюватися і стискатися, генеруючи акустичну хвилю.

Датчик містить чутливий мікрофон або акустичний детектор у вимірювальній камері. Цей мікрофон реєструє хвилі тиску, що генеруються молекулами CO2. Амплітуда акустичних хвиль прямо пропорційна кількості CO2 в камері. Вищі концентрації CO2 призводять до сильнішого поглинання інфрачервоного світла, що призводить до більш значних молекулярних коливань і, як наслідок, до більших хвиль. Акустичний сигнал, зафіксований мікрофоном, обробляється електронікою датчика. Амплітуда сигналу аналізується для визначення концентрації CO2. Для фільтрації шуму та забезпечення точності вимірювань використовуються передові алгоритми.
 
Фотоакустичні NDIR-сенсори можуть бути меншими за традиційні трансмісійні NDIR-сенсори, оскільки вони не потребують довгого оптичного шляху для точних вимірювань. Це робить їх придатними для застосування в умовах обмеженого простору.
Конструкція датчика менш чутлива до точного вирівнювання оптичних компонентів. Звукові хвилі є всеспрямованими, а це означає, що взаємне розташування ІЧ-випромінювача і мікрофона не настільки критично. Це робить фотоакустичні датчики більш стійкими до механічних і теплових навантажень. Вони можуть бути дуже чутливими до невеликих змін концентрації CO2, забезпечуючи точні показники навіть при низьких концентраціях.