La figura 6 muestra un ejemplo de la estructura real de un analizador de gases por infrarrojos. Consta de una combinación de piezas principales con las funciones enumeradas en la tabla 1.
Figura 6: Estructura del analizador de gases infrarrojos
| 1) Fuente de luz infrarroja | Emite luz de radiación infrarroja que contiene longitudes de onda en la radiación infrarroja media de 2,5-25 μm. |
| 2) Picadora | Radiación infrarroja intermitente suministrada desde una fuente de luz infrarroja a una celda de muestra y una celda de referencia en un ciclo regular (un tipo de mecanismo de modulación) |
| 3) Celda de muestra, Celda de referencia | La celda de muestra es una celda de gas por la que fluye gas de muestra que contiene el componente medido. La celda de referencia es una celda de gas por la que fluye gas de referencia o está cerrada y se convierte en un camino óptico para la radiación infrarroja. |
| 4) Filtro óptico | Un filtro de membrana multicapa que transmite únicamente la radiación infrarroja de la longitud de onda específica absorbida del componente medido. |
| 5) Detector principal para el componente medido | Mecanismo de detección que incluye sensores para detectar cambios en la absorción infrarroja del componente medido |
| 6) Detector de compensación para el componente interferente | Mecanismo de detección, que incluye sensores, para detectar cambios en la absorción infrarroja del componente interferente para compensar la influencia del componente interferente en el componente medido. |
| 7) Procesamiento de señales | Procesamiento de señales para las señales detectadas de 5 y 6 para calcular la concentración del componente medido |
Foto 1: Ejemplo de un analizador de gases infrarrojos configurado con componentes principales
La fotografía 1 muestra un ejemplo de un analizador de gases por infrarrojos configurado con los componentes principales. Para responder rápidamente a las diversas necesidades del mercado, HORIBA fabrica los componentes clave de un analizador de gases por infrarrojos en sus instalaciones: fuente de luz infrarroja, celda de muestra, celda de referencia, filtro óptico y detector.
En esta sección se explican los principios de funcionamiento del analizador de gases por infrarrojos. La estructura básica del analizador de gases por infrarrojos (Figura 4) incorpora una celda de referencia, un cortador y un detector neumático (Figura 5), y puede medir la concentración de gas utilizando las tres funciones principales de la tabla 2 (Figura 6, Foto 1).
| 1) Función de detección del componente medido | Detecta la radiación infrarroja absorbida correspondiente al componente medido en el gas de muestra. |
| 2) Función de modulación | Para mejorar la precisión de la medición, la radiación infrarroja de la fuente de luz infrarroja es intermitente a intervalos regulares y la señal del detector se emite como una señal modulada. |
| 3) Función de compensación para componentes interferentes | Detectar la absorción infrarroja correspondiente a la concentración del componente interferente para compensar los efectos del componente interferente en el componente medido |
En esta sección se describe el principio de funcionamiento en el caso en que el gas de muestra es gas de escape y se mide el CO en el gas de escape.
Se utilizan dos celdas de gas (celda de muestra y celda de comparación). La diferencia en la cantidad de absorción infrarroja generada en cada celda de gas según el principio de medición NDIR se detecta como una diferencia de presión mediante un micrófono de condensador en el detector neumático y se mide la concentración del componente medido en el gas de muestra utilizando la diferencia de presión. El detector para medir la concentración del componente medido se denomina detector principal del componente medido (Figura 6).
Funciones y operaciones de la celda de muestra, la celda de referencia y el micrófono de condensador (Figura 7)
Figura 7: Principio básico de funcionamiento del analizador
Dentro del detector neumático (Figura 5), el CO, un componente medido, está contenido en ambas cámaras separadas por un diafragma de micrófono de condensador. El diafragma del micrófono de condensador en el detector se mueve debido a la diferencia de presión entre las dos cámaras, cambiando la capacitancia de un condensador formado con este diafragma y la placa posterior, y la diferencia de presión se detecta como una señal eléctrica.
En la celda de referencia se encierra un gas inerte, como el N2, que no absorbe la radiación infrarroja. En esta celda, la radiación infrarroja no se absorbe y solo la radiación infrarroja de longitud de onda absorbente para el CO se transmite a través del filtro óptico y entra en la cámara derecha del detector debajo de la celda de referencia. El CO encerrado absorbe la radiación infrarroja transmitida y genera calor, lo que aumenta la presión de la cámara y empuja constantemente el diafragma a una presión constante.
Por otra parte, la radiación infrarroja se absorbe en la celda de muestra en función de la concentración de CO en el gas de escape. La radiación infrarroja de una longitud de onda específica, después de ser absorbida en la celda de muestra, se transmite selectivamente por el filtro óptico para la longitud de onda de absorción infrarroja del CO y entra en la cámara izquierda del detector debajo de la celda de muestra, empujando el diafragma a una presión correspondiente a la cantidad de radiación infrarroja absorbida por el CO encerrado en la cámara izquierda. En este momento, el diafragma se mueve por la diferencia de presión entre las cámaras izquierda y derecha (no se mueve o se mueve hacia la cámara izquierda. En cuanto a la presión, cámara izquierda ≦ cámara derecha). Esta diferencia de presión se convierte y se emite en una señal eléctrica como la absorción infrarroja de CO en el gas de escape, que se convierte en un valor de concentración de gas CO por la unidad de procesamiento de señales.
El micrófono de condensador detecta el cambio de capacitancia cuando hay una diferencia de distancia entre el diafragma y la placa posterior que cambia en correspondencia con la diferencia de presión entre el lado izquierdo y el derecho del diafragma. Incluso cuando la concentración del gas componente medido cambia poco y el movimiento del diafragma es pequeño y lento, la radiación infrarroja de la fuente de luz infrarroja se interrumpe a intervalos regulares para hacer vibrar el diafragma a intervalos regulares, y el cambio de concentración diminuto se puede medir con precisión. Esta secuencia de operaciones se llama modulación.
Función y funcionamiento de la picadora
Figura 8: Operación del triturador vs. suministro de infrarrojos
En concreto, se trata de un mecanismo que hace girar una placa fina a modo de pajarita llamada chopper bajo una fuente de luz infrarroja, que realiza la operación de modulación (Figura 8).
Al girar esta placa delgada, la cantidad de radiación infrarroja de cada fuente de luz infrarroja de la celda de muestra y la celda de referencia cambia continuamente de 0% a 100% periódicamente. Por ejemplo, si el cortador se superpone completamente a la fuente de luz infrarroja de ambas celdas (ángulo de rotación: 0 grados), no se genera radiación infrarroja en ambas celdas y el diafragma del micrófono de condensador no se infla. Por el contrario, cuando no hay superposición (ángulo de rotación: 90 grados), se suministra el 100% de la radiación infrarroja de la fuente de luz infrarroja a ambas celdas.
Figura 9: Funcionamiento del analizador de gases por infrarrojos y detección de señales de concentración del componente medido
Al combinar 1) y 2), es posible que el micrófono de condensador detecte la presión lateral diferencial proporcional a la concentración del componente medido (CO en el gas de escape) que fluye hacia la celda de muestra (Figura 9).
Entre los gases distintos del componente medido contenido en el gas de muestra, pueden coexistir algunos gases con longitudes de onda que se superponen con la longitud de onda de absorción infrarroja del componente medido. Este gas se denomina componente interferente. (Gráfico de la Figura 10: longitudes de onda de absorción infrarroja y cantidades de absorción infrarroja para el componente medido y el componente interferente) Cuando el componente interferente coexiste, el detector principal para la señal de salida del componente medido incluye la radiación infrarroja absorbida por el componente interferente, por lo que este efecto debe eliminarse. Para eliminar este efecto, el detector de compensación para el componente interferente detecta la absorción infrarroja correspondiente a la concentración del componente interferente en el gas de muestra.
Función y funcionamiento del detector de compensación de componentes interferentes
Figura 10: Detector de compensación para el componente interferente y obtención de la señal del componente medida después de la corrección por el efecto de interferencia
El detector de compensación del componente interferente se coloca de manera que tenga la misma trayectoria óptica de radiación infrarroja y la misma función de modulación que el detector principal del componente medido (Figura 10). El detector para la compensación de interferencias también es el mismo tipo de detector neumático (Figura 5) que el detector principal del componente medido. La radiación infrarroja restante absorbida por el componente medido y el componente interferente en el detector principal del componente medido se transmite al detector de compensación del componente interferente. Esta radiación infrarroja transmitida es absorbida por el gas de corrección de interferencias encerrado en el detector de compensación del componente interferente y es detectada por el micrófono de condensador como una diferencia de presión. Esto detecta una señal de corrección (B) correspondiente a la concentración del componente interferente (Figura 10, gráfico Señal para la corrección del componente interferente). Restando la señal de salida (B) del detector de compensación del componente interferente de la señal de salida (A) del detector principal del componente medido en el procesamiento de la señal, se puede obtener la concentración del componente medido con corrección de interferencias.
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