IR-Gassensor

NDIR-Gassensoren

Seit den 1990er Jahren werden von verschiedenen Geräteherstellern einfache NDIR-Fotometer entwickelt, die auf der Basis der Interferenzfilter-Korrelation arbeiten. Im Vergleich zu den IR-Gasanalysatoren, werden bei diesen Aufbauten modulierbare Strahlungsquellen eingesetzt. Die Modulierung erfolgt in der Regel durch ein- und ausschalten der Strahlungsquelle, mit einer Frequenz von f=1-25 Hz. Ein mechanischer Chopper entfällt daher, so das man sehr kleine und robuste Gassensoren realisieren kann. Um diesen Vorteil nutzen zu können, werden allerdings mindestens zwei Strahlungsdetektoren benötigt. Ein Strahlungsdetektor hat als Eintrittsfenster ein Interferenzfilter mit einer Durchlasskurve im Maximum (λM)  der Gasabsorption, während ein zweiter Detektor als Referenz dient. Die Wellenlänge der Referenzmessung (λR) liegt bei ≈4µm, da dort keine Absorptionsbanden der Gase vorhanden sind. Als Strahlungsdetektoren werden vorzugsweise Thermopile-Detektoren und pyroelektrische Detektoren eingesetzt. Da beide Detektortypen in einer Massenproduktion hergestellt werden, liegen die Herstellungskosten entsprechend niedrig. Von den Sensorherstellern werden zumeist auch sogenannte Doppeldetektoren eingesetzt, die zu einer weiteren Kostenreduzierung führen.

IR-Spektrum   IR-Fotometer

(links) Hochaufgelöstes IR-Absorptionsspektrum von Erdgas (Methan, Ethan, Propan und Kohlendioxid). (rechts) Physikalischer Aufbau eines NDIR-Gassensor.

Absorptionsverhalten

Die Strahlungsabsorption in der Messzelle (Küvette) erfolgt nach dem Lambert-Beer´schen Gesetz:

Lambert Beer

Die Intensität an dem Mess-Detektor I(c) hängt exponentiell mit der Gaskonzentration c zusammen. Weiterhin geht die Gasdichte in die Berechnung ein, die durch den Druck p und die Temperatur T charakterisiert wird.

Kennlinie             GS10 Schema

Änderung der Signalverläufe bei verschiedenen Gaskonzentrationen und Einfluss der Strahlungsemission der IR-Quelle (Drift). Rechts ist der prinzipielle Aufbau der GS 10 dargestellt.

IR-Modul

Beispiel eines NDIR-Gassensors mit einer intelligenten Auswerteelektronik (INFRA.sens®, Wi.Tec.-Sensorik GmbH, Schermbeck)

IR-Strahler

Die spektrale Verteilung P(λ) der emittierten Strahlung wird für einen idealen Schwarzen Strahler angegeben und ergibt sich aus dem Planck´schen Strahlungsgesetz:

Planck

In der Abbildung ist der Verlauf der spektralen Strahlungsdichte in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ  für einen idealen schwarzen Körper (ε=1) aufgetragen. Die Strahlungsverteilung beginnt für Oberflächentemperaturen < 700°C erst ab einer Wellenlänge λ≈1µm und ist daher noch nicht für das menschliche Auge sichtbar. Weiterhin ist zu erkennen, das die Verteilungsfunktion ein Maximum λmax. aufweist, wobei sich das Maximum mit der Temperatur T zum kurzwelligen Spektralbereich hin verschiebt, Diese Verschiebung lässt sich durch die erste Ableitung der Planck´schen Strahlungsformel berechnen und man erhält dann das sogenannte Verschiebungsgesetz nach Wien:

Wien

Der Wert ≈2897,8 µm·K wird auch als Wien-Konstante (b=2,897756·10-3m·K) bezeichnet. Die Aufteilung der emittierten Strahlung, oberhalb und unterhalb von λmax. , kann mit dieser Gleichung  berechnet werden. Der Strahlungsanteil bis zum Maximum beträgt 25%, während der Anteil oberhalb des Maximums 75% beträgt. Diese Aufteilung ist unabhängig von der Temperatur T (Budzier und Gerlach 2010).

Planck 2      Strahlungsverteilung für unterschiedliche Oberflächentemperaturen

Programm zur Simulation der Strahlungsemission

Mit der Planck‘ schen Gleichung lässt sich die Emission der IR-Strahlung sehr präzise für unterschiedliche Temperaturen und Oberflächen berechnen. Ein entsprechendes Simulationsprogramm befindet sich hier: Planck´sches Strahlungsgesetz

Durch Eingabe der Strahlungsfläche, der Oberflächentemperatur und des Emissionskoeffizienten lässt sich sowohl die spektrale Strahlungsleistung in W/m2  (pro nm) als auch die Lage des Maximums bestimmen. Weiterhin berechnet das Programm die Gesamtstrahlungsleistung in Watt.