Hình 6 cho thấy một ví dụ về cấu trúc máy phân tích khí hồng ngoại thực tế. Nó bao gồm sự kết hợp của các bộ phận chính với các chức năng được liệt kê trong Bảng 1.
Hình 6: Cấu trúc của máy phân tích khí hồng ngoại
| 1) Nguồn sáng hồng ngoại | Phát ra ánh sáng bức xạ hồng ngoại có bước sóng trong bức xạ hồng ngoại trung bình từ 2,5-25μm |
| 2) Bộ ngắt quãng (chopper) | Bức xạ hồng ngoại không liên tục được cung cấp từ nguồn sáng hồng ngoại đến một cell mẫu và một cell tham chiếu theo chu kỳ đều đặn (Một loại cơ chế điều biến) |
| 3) Cell mẫu, Cell tham chiếu | Cell mẫu là cell khí lưu thông khí mẫu chứa thành phần được đo. Cell tham chiếu là cell khí lưu thông khí tham chiếu hoặc được đóng kín, và nó trở thành đường dẫn quang cho bức xạ hồng ngoại. |
| 4) Bộ lọc quang học | Một màng lọc nhiều lớp chỉ truyền bức xạ hồng ngoại có bước sóng cụ thể được hấp thụ của thành phần được đo |
| 5) Máy dò chính cho thành phần đo | Cơ chế phát hiện bao gồm các cảm biến để phát hiện những thay đổi về khả năng hấp thụ hồng ngoại của thành phần được đo |
| 6) Bộ dò bù cho thành phần gây nhiễu | Cơ chế phát hiện, bao gồm các cảm biến, để phát hiện những thay đổi về khả năng hấp thụ hồng ngoại của thành phần gây nhiễu nhằm bù trừ ảnh hưởng của thành phần gây nhiễu đối với thành phần được đo. |
| 7) Xử lý tín hiệu | Xử lý tín hiệu cho các tín hiệu phát hiện được của 5 và 6 để tính toán nồng độ của thành phần được đo |
Ảnh 1: Ví dụ về máy phân tích khí hồng ngoại được cấu hình với các thành phần chính
Ảnh 1 cho thấy ví dụ về máy phân tích khí hồng ngoại được cấu hình với các thành phần chính. Để đáp ứng nhanh chóng các nhu cầu khác nhau của thị trường, HORIBA sản xuất các thành phần chính của máy phân tích khí hồng ngoại tại chỗ: nguồn sáng hồng ngoại, cell mẫu, cell tham chiếu, bộ lọc quang học và máy dò.
Phần này giải thích các nguyên lý hoạt động của máy phân tích khí hồng ngoại thực tế. Cấu trúc cơ bản của máy phân tích khí hồng ngoại (Hình 4) bao gồm một cell tham chiếu, một bộ ngắt quãng và một máy dò khí nén (Hình 5) và có thể đo nồng độ khí bằng cách sử dụng ba chức năng chính trong bảng 2 (Hình 6, Ảnh 1).
| 1) Chức năng phát hiện của thành phần được đo | Phát hiện bức xạ hồng ngoại được hấp thụ tương ứng với thành phần được đo trong mẫu khí |
| 2) Chức năng điều biến | Để cải thiện độ chính xác của phép đo, bức xạ hồng ngoại từ nguồn sáng hồng ngoại được phát ra theo chu kỳ đều đặn và tín hiệu đầu dò được đưa ra dưới dạng tín hiệu điều biến. |
| 3) Chức năng bù cho thành phần gây nhiễu | Phát hiện sự hấp thụ hồng ngoại tương ứng với nồng độ của thành phần gây nhiễu để bù đắp cho các ảnh hưởng của thành phần gây nhiễu trên thành phần được đo |
Phần này mô tả nguyên lý hoạt động trong trường hợp mẫu khí là khí thải và đo CO trong khí thải.
Hai cell khí (cell mẫu và cell so sánh) được sử dụng. Sự khác biệt về lượng hấp thụ hồng ngoại được tạo ra trong mỗi cell khí dựa trên nguyên lý đo NDIR được phát hiện dưới dạng chênh lệch áp suất bởi micrô tụ điện trong máy dò khí nén và đo nồng độ của thành phần được đo trong khí mẫu bằng cách sử dụng chênh lệch áp suất. Máy dò để đo nồng độ của thành phần được đo được gọi là máy dò chính cho thành phần được đo (Hình 6).
Chức năng và hoạt động của cell mẫu, cell tham chiếu và micrô tụ điện (Hình 7)
Hình 7: Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy phân tích
Bên trong máy dò khí nén (Hình 5), CO, một thành phần được đo, được chứa trong cả hai buồng được ngăn cách bởi một màng chắn micro tụ điện. Màng chắn của micro tụ điện trong máy dò di chuyển do chênh lệch áp suất giữa hai buồng, thay đổi điện dung của tụ điện được tạo thành với màng chắn này và tấm sau, và chênh lệch áp suất được phát hiện dưới dạng tín hiệu điện.
Trong cell tham chiếu, một loại khí trơ như N2 không hấp thụ bức xạ hồng ngoại được bọc kín. Trong cell này, bức xạ hồng ngoại không bị hấp thụ và chỉ có bức xạ hồng ngoại có bước sóng hấp thụ đối với CO được truyền qua bộ lọc quang và đi vào buồng bên phải của máy dò bên dưới cell tham chiếu. CO được bao bọc hấp thụ bức xạ hồng ngoại truyền đi và tạo ra nhiệt, làm tăng áp suất buồng và liên tục đẩy màng ngăn ở áp suất không đổi.
Mặt khác, bức xạ hồng ngoại được hấp thụ trong cell mẫu tùy thuộc vào nồng độ CO trong khí thải. Bức xạ hồng ngoại có bước sóng cụ thể sau khi được hấp thụ trong cell mẫu, được bộ lọc quang truyền chọn lọc theo bước sóng hấp thụ hồng ngoại của CO và đi vào buồng bên trái của máy dò bên dưới cell mẫu, đẩy màng ngăn ở áp suất tương ứng với lượng bức xạ hồng ngoại được hấp thụ bởi CO được bao bọc trong buồng bên trái. Lúc này, màng ngăn di chuyển theo chênh lệch áp suất giữa buồng bên trái và bên phải (không di chuyển hoặc di chuyển về buồng bên trái. Về áp suất, buồng bên trái ≦ buồng bên phải). Chênh lệch áp suất này được chuyển đổi và đưa ra tín hiệu điện dưới dạng sự hấp thụ hồng ngoại của CO trong khí thải, được bộ xử lý tín hiệu chuyển đổi thành giá trị nồng độ khí CO.
Micrô tụ điện phát hiện sự thay đổi điện dung khi có sự chênh lệch khoảng cách giữa màng chắn và tấm sau thay đổi tương ứng với chênh lệch áp suất giữa bên trái và bên phải của màng chắn. Ngay cả khi nồng độ khí thành phần được đo thay đổi ít và chuyển động của màng chắn nhỏ và chậm, bức xạ hồng ngoại từ nguồn sáng hồng ngoại vẫn bị ngắt quãng theo một khoảng thời gian đều đặn để làm rung màng chắn theo một khoảng thời gian đều đặn và có thể đo chính xác sự thay đổi nồng độ nhỏ. Trình tự hoạt động này được gọi là điều biến.
Chức năng và hoạt động của bộ ngắt quãng
Hình 8: Hoạt động của bộ ngắt quãng so với nguồn cung cấp hồng ngoại
Cụ thể, đó là cơ chế quay một tấm mỏng giống như chiếc nơ được gọi là bộ ngắt quãng dưới nguồn sáng hồng ngoại, thực hiện thao tác điều biến (Hình 8).
Bằng cách xoay tấm mỏng này, lượng bức xạ hồng ngoại của mỗi nguồn sáng hồng ngoại của cell mẫu và cell tham chiếu thay đổi liên tục từ 0% đến 100% theo chu kỳ. Ví dụ, nếu bộ ngắt quãng chồng hoàn toàn lên nguồn sáng hồng ngoại của cả hai cell (góc quay: 0 độ), không có bức xạ hồng ngoại nào được tạo ra trong cả hai cell và màng chắn micrô tụ điện không phồng lên. Ngược lại, khi không có sự chồng lấn (góc quay: 90 độ), 100% bức xạ hồng ngoại từ nguồn sáng hồng ngoại được cung cấp cho cả hai cell.
Hình 9: Hoạt động của máy phân tích khí hồng ngoại và phát hiện tín hiệu nồng độ của thành phần được đo
Bằng cách kết hợp 1) và 2), micrô tụ điện có thể phát hiện áp suất bên khác biệt tỷ lệ thuận với nồng độ của thành phần được đo (CO trong khí thải) chảy vào cell mẫu (Hình 9).
Trong số các khí khác ngoài thành phần được đo có trong khí mẫu, một số khí có bước sóng chồng lấn với bước sóng hấp thụ hồng ngoại của thành phần được đo có thể cùng tồn tại. Khí này được gọi là thành phần nhiễu. (Biểu đồ Hình 10: bước sóng hấp thụ hồng ngoại và lượng hấp thụ hồng ngoại của thành phần được đo và thành phần nhiễu) Khi thành phần nhiễu cùng tồn tại, bộ dò chính cho tín hiệu đầu ra của thành phần được đo bao gồm bức xạ hồng ngoại bị thành phần nhiễu hấp thụ, do đó phải loại bỏ hiệu ứng này. Để loại bỏ hiệu ứng này, bộ dò bù cho thành phần nhiễu sẽ phát hiện sự hấp thụ hồng ngoại tương ứng với nồng độ của thành phần nhiễu trong khí mẫu.
Chức năng và hoạt động của bộ dò bù cho thành phần gây nhiễu
Hình 10: Bộ dò bù cho thành phần nhiễu và thu được tín hiệu thành phần đo được sau khi hiệu chỉnh hiệu ứng nhiễu
Bộ dò bù cho thành phần gây nhiễu được đặt sao cho cùng một đường dẫn quang học bức xạ hồng ngoại và chức năng điều biến như bộ dò chính cho thành phần được đo (Hình 10). Bộ dò bù nhiễu cũng là cùng loại bộ dò khí nén (Hình 5) như bộ dò chính cho thành phần được đo. Bức xạ hồng ngoại còn lại được hấp thụ bởi thành phần được đo và thành phần gây nhiễu trong bộ dò chính cho thành phần được đo được được truyền đến bộ dò bù cho thành phần gây nhiễu. Bức xạ hồng ngoại truyền đi này được hấp thụ bởi khí hiệu chỉnh nhiễu được bao bọc trong bộ dò bù cho thành phần gây nhiễu và được micrô tụ điện phát hiện dưới dạng chênh lệch áp suất. Điều này phát hiện ra tín hiệu hiệu chỉnh (B) tương ứng với nồng độ của thành phần gây nhiễu (Đồ thị Hình 10 Tín hiệu hiệu chỉnh thành phần gây nhiễu). Bằng cách trừ tín hiệu đầu ra (B) của bộ dò bù cho thành phần gây nhiễu khỏi tín hiệu đầu ra (A) của bộ dò chính cho thành phần được đo trong quá trình xử lý tín hiệu, có thể thu được nồng độ của thành phần được đo có hiệu chỉnh nhiễu.
Nội dung
Nhấp vào đây để biết danh sách giải thích về nguyên lý đo của máy phân tích khí liên tục >
Bạn có thắc mắc hoặc yêu cầu nào không? Hãy sử dụng mẫu này để liên hệ với các chuyên gia của chúng tôi.
