There is a local version available of this page. Change to the local version?

United States

Porównanie analizatorów podczerwieni i ich funkcji

HORIBA oferuje obecnie szereg analizatorów gazów wykorzystujących spektrometrię podczerwieni, zoptymalizowanych pod kątem różnych zastosowań. Istnieje osiem różnych metod pomiaru wykorzystujących NDIR, klasyfikowanych odpowiednio do ich zasady działania (stan na 2021 r.). Analizatory wykorzystujące podczerwień są klasyfikowane do dwóch głównych kategorii na podstawie mechanizmu modulacji, który jest częścią funkcji NDIR. Każda metoda jest podsumowana w poniższych tabelach (tabele 3 i 4). Ta sekcja opisuje cechy, strukturę i zasadę działania typowych metod (metoda 1, 2, 4, 6 i 7).

<Metoda modulacji optycznej>

Tabela 3: Lista metod pomiarowych analizatora gazów w podczerwieni HORIBA wykorzystujących NDIR (metodę modulacji optycznej)

<Metoda modulacji krzyżowej>

Tabela 4: Lista metod pomiarowych analizatora gazów w podczerwieni HORIBA wykorzystujących NDIR (metoda modulacji krzyżowej)

<Metoda modulacji optycznej>

Metoda wykorzystująca przerywacz obrotowy (chopper) do mechanizmu modulacji (1-10 Hz)

Metoda 1: Metoda dwuwiązkowa (z mikrofonem pojemnościowym)

Rysunek 11: Struktura i zasada działania analizatora dwuwiązkowego (z mikrofonem pojemnościowym)

Cechy, struktura i zasada działania (Rysunek 11)

Jest to metoda opisana w poprzednich analizatorach gazów wykorzystujących podczerwień (Struktura i zasada działania analizatora gazów na podczerwień).
Charakteryzuje się szybką reakcją i wysoką czułością.

Czułość metod wykorzystujących podwójne źródło światła podczerwonego można uporządkować następująco:

Metoda modulacji krzyżowej (z podwójną wiązką) … metoda 6
Metoda dwuwiązkowa (z mikrofonem pojemnościowym)… metoda 1
Metoda dwuwiązkowa (z czujnikiem przepływu) … metoda 2

Metoda 2: Metoda dwuwiązkowa (z czujnikiem przepływu)

Rysunek 12: Budowa i zasada działania analizatora dwuwiązkowego (czujnika przepływu)

Cechy, struktura i zasada działania (Rysunek 12)

Cechy

Połączenie bloku do zbierania światła i czujnika przepływu pozwala na redukcję wpływów zewnętrznych (zwłaszcza drgań), wysoką czułość i miniaturyzację analizatora podczerwieni.

Struktura i zasada działania

Promieniowanie podczerwone pochłonięte w kuwecie próbki i kuwecie odniesienia jest naprzemiennie zbierane w bloku po przejściu przez przerywacz (chopper) w formie obracającej się płytki półksiężycowej, a zebrane promieniowanie podczerwone przesyłane przez filtr optyczny wchodzi do głównego detektora dla mierzonego komponentu. Absorpcja podczerwieni zachodzi w przedniej i tylnej komorze wewnątrz detektora, odpowiadającej każdej ilości wprowadzonego promieniowania podczerwonego, co zwiększa temperaturę każdej komory.

W detektorze, różnica temperatur między dwiema komorami, generuje przepływ gazu między nimi, poprzez czujnik przepływu. Natężenie przepływu mierzone przez czujnik jest proporcjonalne do stężenia gazu i jest wysyłane do układu przetwarzania sygnału jako sygnał odpowiadający stężeniu gazu.

Kierunek przepływu gazu przez czujnik przepływu zmienia się w synchronizacji z ruchem koła przerywacza (chopper). Konkretne zjawiska zachodzące w detektorze przedstawiają się następująco.

Promieniowanie podczerwone z komory porównawczej -> zamknięty gaz z przedniej komory przepływa do tylnej komory -> przerywacz obraca się -> promieniowanie podczerwone z komory z próbką -> zamknięty gaz z tylnej komory przepływa do przedniej komory -> przerywacz obraca się -> promieniowanie podczerwone z komory porównawczej -> powtórzenie cyklu .......

Ta sekwencja operacji odpowiada ruchowi membrany mikrofonu pojemnościowego. Mikrofon pojemnościowy mierzy różnicę ciśnień, podczas gdy czujnik przepływu mierzy natężenie przepływu. Ponadto zasada działania detektora kompensacji dla składnika zakłócającego jest taka sama jak zasada działania głównego detektora dla mierzonego składnika.

Metoda 4: Metoda pojedynczej wiązki (z czujnikiem piroelektrycznym)

Rysunek 13: Struktura i zasada działania analizatora jednowiązkowego (z czujnikiem piroelektrycznym)

Cechy, struktura i zasada działania (rysunek 13)

Cechy

Detektor promieniowania podczerwonego wykorzystujący czujnik piroelektryczny nie wymaga zamkniętego gazu, jak detektor pneumatyczny. Dlatego miniaturyzacja jest największą zaletą, czułość jednak jest niższa niż w przypadku detektora pneumatycznego.

Struktura i zasada działania

Ta metoda wykorzystuje piroelektryczne czujniki detektora dla promieniowania podczerwonego absorbowanego przez gaz próbkowany, z przerywaczem jako mechanizmem modulacji optycznej. Aby wykryć każdy mierzony składnik w gazie próbnym jako zmianę temperatury, zestaw filtrów optycznych i piroelektryczny czujnik są dostosowane do każdego mierzonego składnika. Piroelektryczne czujniki wykrywają zmiany absorpcji podczerwieni przez każdy mierzony składnik, a stężenie każdego mierzonego składnika jest obliczane na podstawie sygnałów wykrywania i odniesienia.

<Modulacja krzyżowa>

Metoda przełączania gazu za pomocą zaworu elektromagnetycznego dla osiągnięcia modulacji (1 Hz)

Metoda 6: Metoda modulacji krzyżowej (z podwójną wiązką)

Rysunek 14-1: Struktura analizatora metody modulacji krzyżowej (z podwójną wiązką)

Cechy, struktura i zasada działania

Cechy

Metoda modulacji płynów jest również nazywana metodą modulacji krzyżowej. Ta metoda ma bardzo mały dryf i zapewnia stabilny sygnał wyjściowy w długim okresie. Ponadto metoda ta sprawia, że membrana mikrofonu pojemnościowego detektora porusza się w lewo i prawo, zapewniając podwójną ilość sygnału w porównaniu do użycia przerywacza, poprawiając w ten sposób odporność na szumy.
Inną cechą jest to, że metoda ta nie wymaga mechanicznej regulacji, której przerywacz potrzebuje przy konserwacji analizatora. Gaz odniesienia musi jednak płynąć stale, ponieważ w komorze gazowej nie jest używany żaden zamknięty gaz. Wymagany jest również układ zaworów elektromagnetycznych, aby naprzemiennie przepływać gaz próbki i gaz odniesienia do komory gazowej.

Struktura i zasada działania (rysunek 14-1 i 14-2)

W przeciwieństwie do konwencjonalnej modulacji z użyciem przerywacza, ta metoda wykorzystuje jednostkę zaworów elektromagnetycznych do przełączania przepływu gazu w regularnych odstępach czasu, aby naprzemiennie wprowadzać próbkę i gaz odniesienia do tej samej kuwety pomiarowej. Jednostka zaworu elektromagnetycznego stanowi więc mechanizm modulacji. Przykład struktury analizatora dla tej metody pokazano na rysunku 14-1.

Podczas gdy modulacja z użyciem przerywacza zmienia ilość źródła światła podczerwonego dostarczanego do komórek próbki i odniesienia, metoda modulacji krzyżowej zmienia gaz przepływający do komórek próbki i odniesienia. Poza mechanizmem modulacji, funkcja wykrywania mierzonego składnika i funkcja kompensacji dla składnika zakłócającego, które są niezbędne do oznaczenia stężenia mierzonego składnika, są takie same jak w przypadku analizatora gazu podczerwieni opisanego do tej pory, więc ta sekcja koncentruje się na działaniu mechanizmu modulacji (Rysunek 14-2).

Rysunek 14-2: Zasada działania modulacji metodą modulacji krzyżowej

Jednostka zaworu elektromagnetycznego umożliwia przepływ gazu próbki do lewej kuwety gazowej i gazu odniesienia do prawej kuwety gazowej jednocześnie. Jeśli w próbce znajduje się mierzony składnik gazu, membrana mikrofonu pojemnościowego rozszerzy się w lewą stronę (w kierunku kuwety próbki) (Rysunek 14-2, rysunek lewy).

Następnie przełączany jest zawór elektromagnetyczny, a próbka gazu mierzonego przepływa do prawej kuwety gazowej, a gaz odniesienia przepływa jednocześnie do lewej kuwety gazowej.

Jeżeli w próbce gazu znajduje mierzony składnik, membrana mikrofonu pojemnościowego rozszerzy się w prawą stronę (w kierunku kuwety próbki) (rysunek 14-2, rysunek po prawej).

Ta operacja jest powtarzana w regularnym cyklu, aby modulować sygnał detekcji mikrofonu pojemnościowego. Poprzez przesunięcie membrany mikrofonu pojemnościowego w detektorze w lewą i prawą stronę, ta metoda uzyskuje dwukrotnie większą ilość wykrytego sygnału niż przy użyciu przerywacza, poprawiając w ten sposób odporność na szumy. Ponadto mechanizm przepływu próbki i gazu odniesienia przez tę samą kuwetę gazową w ramach cyklu pomiaru, zapewnia sygnał stabilny w czasie jak i zmniejszenie wpływu degradacji źródeł światła podczerwonego oraz zanieczyszczenia kuwet pomiarowych.

Metoda 7: Metoda modulacji krzyżowej (pojedyncza wiązka)

Rysunek 15: Struktura i zasada działania analizatora z modulacją krzyżową (jednowiązkową)

Cechy, struktura i zasada działania (rysunek 15)

Modulacja krzyżowej (metoda dla pojedynczej wiązki) wykonuje operację modulacji krzyżowej w jednej kuwecie pomiarowej. Cykliczne przełączanie jednostki zaworu elektromagnetycznego powoduje, że jedna kuweta gazowa przełącza się między funkcją przepływu próbki i gazu odniesienia, a stężenie mierzonego składnika jest oznaczane za pomocą tych dwóch sygnałów.

W tej metodzie mikrofon pojemnościowy jest podłączony tylko do jednej komory, więc membrana nie wybrzusza się w obie strony, ale porusza się tylko w jednym kierunku. Przy zmianie na gaz odniesienia, membrana powraca do stanu wyjściowego. Poza tymi aspektami, rozwiązanie ma takie same cechy jak metoda modulacji krzyżowej o podwójnej wiązce.

Produkty powiązane

Analizatory wykorzystujące metodę niedyspersyjnej absorpcji podczerwieni (NDIR) są używane w różnych dziedzinach, ponieważ mogą stale mierzyć stężenia różnych mierzonych składników. Na przykład, są używane do monitorowania gazów spalinowych, gazów procesowych i warunków atmosferycznych oraz do pomiaru i kontrolowania gazów procesów w produkcji półprzewodników.

Oprócz pomiaru gazów, analizatory NDIR służą również do analizy wody i cieczy, pomiaru ciągłego oraz analizy pierwiastkowej materiałów stałych.