Rysunek 6 przedstawia przykład rzeczywistej struktury analizatora gazu wykorzystującego absorpcję podczerwieni. Składa się on z kombinacji głównych części z funkcjami wymienionymi w Tabeli 1.
Rysunek 6: Struktura analizatora gazów wykorzystującego absorpcję podczerwieni
| 1) Źródło światła podczerwonego | Emituje promieniowanie podczerwone zawierające długości fal promieniowania średniej podczerwieni wynoszące 2,5-25μm |
| 2) Przerywacz (chopper) | Rozdziela promieniowanie podczerwone, dostarczając je ze źródła naprzemiennie do celi próbki i celi odniesienia w regularnym cyklu (rodzaj mechanizmu modulacji) |
| 3) Komórka próbki, komora odniesienia | Komora próbki to kuweta, którą przepływa próbka gazu zawierającą mierzony składnik. Komora odniesienia to kuweta, którą przepływa gaz odniesienia lub jest w niej zamknięty. Obie komory stanowią ścieżkę optyczną dla wiązki podczerwieni. |
| 4) Filtr optyczny | Wielowarstwowy filtr membranowy przepuszczający wyłącznie promieniowanie podczerwone o długości fali, odpowiedniej dla mierzonego składnika. |
| 5) Główny detektor dla mierzonego składnika | Mechanizm detekcji obejmujący czujniki wykrywające zmiany absorpcji podczerwieni mierzonego składnika |
| 6) Detektor kompensacyjny dla składnika zakłócającego | Mechanizm detekcji, obejmujący czujniki, służący do wykrywania zmian absorpcji podczerwieni przez składnik zakłócający w celu kompensacji wpływu składnika zakłócającego na składnik mierzony |
| 7) Przetwarzanie sygnału | Przetwarzanie dla sygnałów 5 i 6 w celu obliczenia stężenia mierzonego składnika |
Zdjęcie 1: Przykład analizatora gazów na podczerwień skonfigurowanego z głównymi komponentami
Zdjęcie 1 przedstawia przykład analizatora gazów wykorzystującego absorpcję podczerwieni, skonfigurowanego wraz z głównymi jego komponentami. Aby szybko reagować na różne potrzeby rynku, HORIBA produkuje kluczowe komponenty analizatora gazów na podczerwień we własnym zakresie: źródło światła podczerwonego, celę próbki, celę odniesienia, filtr optyczny i detektor.
W tej sekcji wyjaśniono zasady działania rzeczywistego analizatora gazu wykorzystującego absorpcję podczerwieni. Podstawowa struktura analizatora NDIR (rysunek 4) obejmuje komórkę odniesienia, przerywacz (chopper) i detektor pneumatyczny (rysunek 5) i może mierzyć stężenie gazu, korzystając z trzech głównych funkcji podanych w tabeli 2 (rysunek 6, zdjęcie 1).
| 1) Funkcja wykrywania mierzonego komponentu | Wykrywa pochłonięte promieniowanie podczerwone odpowiadające mierzonemu składnikowi w próbce gazu |
| 2) Funkcja modulacji | Aby zwiększyć dokładność pomiaru, promieniowanie podczerwone ze źródła światła podczerwonego jest emitowane okresowo w regularnych odstępach czasu, a sygnał detektora jest wysyłany jako sygnał modulowany. |
| 3) Funkcja kompensacji dla składowej zakłócającej | Wykrywanie absorpcji podczerwieni odpowiadającej stężeniu składnika zakłócającego w celu skompensowania wpływu składnika zakłócającego na mierzony składnik |
W tej sekcji opisano zasadę działania w przypadku, gdy gazem próbnym są spaliny, a w spalinach mierzony jest poziom CO.
Używane są dwie kuwety gazowe (komora próbki i komora odniesienia). Różnica w ilości absorpcji podczerwieni generowanej w każdej celce gazowej na podstawie zasady pomiaru NDIR jest wykrywana jako różnica ciśnień przez mikrofon pojemnościowy w detektorze pneumatycznym i mierzy stężenie mierzonego składnika w gazie próbki, wykorzystując różnicę ciśnień. Detektor do pomiaru stężenia mierzonego składnika nazywany jest głównym detektorem dla mierzonego składnika (rysunek 6).
Funkcje i działanie komory próbki, komory odniesienia i mikrofonu pojemnościowego (rysunek 7)
Rysunek 7: Podstawowa zasada działania analizatora
Wewnątrz pneumatycznego detektora (rysunek 5) CO, mierzony składnik, jest zawarty w obu komorach, rozdzielonych membraną mikrofonu pojemnościowego. Membrana mikrofonu pojemnościowego w detektorze porusza się z powodu różnicy ciśnień między dwiema komorami, zmieniając pojemność kondensatora utworzonego z tej membrany i płyty tylnej, a różnica ciśnień jest wykrywana jako sygnał elektryczny.
W kuwecie odniesienia zamknięty jest gaz obojętny, taki jak N2, który nie pochłania promieniowania podczerwonego. W tej komorze promieniowanie podczerwone nie jest pochłaniane, a jedynie promieniowanie podczerwone o długości fali pochłaniającej CO jest przepuszczane przez filtr optyczny i wchodzi do prawej komory detektora poniżej komory odniesienia. Zamknięty CO pochłania dostarczone promieniowanie podczerwone i generuje ciepło, które zwiększa ciśnienie w komorze i popycha membranę pod stałym ciśnieniem.
Z drugiej strony promieniowanie podczerwone jest absorbowane w celi pomiarowej w zależności od stężenia CO w spalinach. Promieniowanie podczerwone o określonej długości fali, po pochłonięciu w celi pomiarowej jest selektywnie przepuszczane przez filtr optyczny, odpowiedni dla długości fali absorpcji podczerwieni CO i wchodzi do lewej komory detektora poniżej celi pomiarowej, popychając przeponę pod ciśnieniem odpowiadającym ilości promieniowania podczerwonego pochłoniętego przez CO zamknięte w lewej komorze detektora. W tym czasie przepona porusza się proporcjonalnie do różnicy ciśnień między lewą i prawą komorą (ruch ten jest możliwy do lewej komory, ponieważ ciśnienie lewej komory może być tylko mniejsze lub równe temu w komorze prawej). Ta różnica ciśnień jest przetwarzana i wyprowadzana jako sygnał elektryczny odpowiadający absorpcji podczerwieni CO w spalinach, która to jest przeliczana na wartość stężenia gazu CO przez jednostkę przetwarzania sygnału.
Mikrofon pojemnościowy wykrywa zmianę pojemności, gdy występuje różnica w odległości między membraną a płytą tylną, która z kolei wynika z różnicy ciśnień między lewą i prawą stroną membrany. Nawet gdy stężenie mierzonego gazu składowego zmienia się nieznacznie, a ruch membrany jest niewielki i powolny, promieniowanie podczerwone ze źródła światła podczerwonego jest przerywane w regularnych odstępach czasu, aby wprawiać membranę w drgania w regularnych odstępach czasu, a minimalna zmiana stężenia może być dokładnie zmierzona. Ta sekwencja operacji nazywana jest modulacją.
Funkcja i działanie przerywacza (chopper)
Rysunek 8: Działanie przerywacza i jego wpływ na transmisję podczerwieni
Jest to mechanizm obracający cienką płytkę przypominającą muszkę, zwaną chopperem, znajdującą się pod źródłem światła podczerwonego. Mechanizm ten realizuje funkcję modulacji (rysunek 8).
Obracając tę cienką płytkę, ilość promieniowania podczerwonego każdego źródła światła podczerwonego celi próbki i celi odniesienia zmienia się okresowo od 0% do 100%. Na przykład, jeśli chopper całkowicie zakrywa źródło światła podczerwonego obu cel (kąt obrotu: 0 stopni), żadne promieniowanie podczerwone nie dociera do komór, a membrana mikrofonu pojemnościowego nie odkształca się. Przeciwnie, gdy nie zachodzi zakrycie komór (kąt obrotu: 90 stopni), 100% promieniowania podczerwonego ze źródła światła podczerwonego jest dostarczane do obu komór.
Rysunek 9: Działanie analizatora gazu wykorzystującego absorpcję podczerwieni i detekcja sygnałów stężenia mierzonego składnika
Łącząc 1) i 2) możliwe jest, aby mikrofon pojemnościowy wykrywał różnicę ciśnień bocznych, proporcjonalną do stężenia mierzonego składnika (CO w spalinach) przepływającego do celi pomiarowej (rysunek 9).
Wśród gazów innych niż mierzony składnik zawarty w gazie próbki, mogą współistnieć składowe o długościach fal, nakładających się na długość fali absorpcji podczerwieni mierzonego składnika. Taki gaz nazywany jest składnikiem zakłócającym. (Wykres na rysunku 10: długości fal absorpcji podczerwieni i ilości absorpcji podczerwieni dla mierzonego składnika i składnika zakłócającego) Gdy składnik zakłócający współistnieje, sygnał wyjściowy głównego detektora mierzonego składnika, reaguje również na promieniowanie podczerwone pochłonięte przez składnik zakłócający. Konieczne jest usunięcie tego efektu i w tym celu wykorzystuje się detektor kompensacyjny dla składnika zakłócającego, który wykrywa absorpcję podczerwieni odpowiadającą stężeniu składnika zakłócającego w gazie próbki.
Funkcja i działanie detektora kompensacji składowej zakłócającej
Rysunek 10: Detektor kompensacji składowej zakłócającej i uzyskiwanie sygnału składowej mierzonej po korekcie wpływu zakłóceń
Detektor kompensacji dla składowej zakłócającej jest umieszczony w tej samej ścieżce optycznej promieniowania podczerwonego i poddany tej samej funkcji modulacji, co główny detektor dla mierzonej składowej (Rysunek 10). Detektor kompensacyjny dla składowej zakłócającej jest również tym samym typem detektora pneumatycznego (Rysunek 5), co główny detektor dla mierzonej składowej. Pozostałe promieniowanie podczerwone pochłonięte przez mierzoną składową i składową zakłócającą w głównym detektorze dla mierzonej składowej, jest przesyłane do detektora kompensacji dla składowej zakłócającej. Dostarczone promieniowanie podczerwone jest pochłaniane przez gaz (odpowiedni dla składowej zakłócającej) zamknięty w detektorze kompensacyjnym dla składowej zakłócającej i jest wykrywane przez mikrofon pojemnościowy jako różnica ciśnień. Wykrywa to sygnał korekcji (B) odpowiadający stężeniu składowej zakłócającej (Rysunek 10 wykres Sygnał korekcji składowej zakłócającej). Poprzez odjęcie sygnału wyjściowego (B) detektora kompensacji dla składowej zakłócającej od sygnału wyjściowego (A) głównego detektora dla składowej mierzonej w przetwarzaniu sygnału, można uzyskać stężenie mierzonej składowej z korekcją interferencji.
Spis treści strony
Masz pytania lub prośby? Skorzystaj z tego formularza, aby skontaktować się z naszymi specjalistami.
