NDIR-Verfahren

Seit den 1990er Jahren wurden von verschiedenen Geräteherstellern einfache NDIR-Fotometer entwickelt, die auf der Basis der Interferenzfilter-Korrelation arbeiten. Im Vergleich zu den  IR-Fotometern in der bisherigen Gerätetechnik, 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 dass 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 in der Regel  bei ≈4µm, da dort keine störende Absorptionsbanden der Begleitgase vorhanden sind. Als Strahlungsdetektoren werden vorzugsweise Thermopile-Detektoren und pyroelektrische Detektoren eingesetzt. Beide Detektortypen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen (1-4 Kanäle) verfügbar. Von den Sensorherstellern werden zumeist Doppeldetektoren eingesetzt. In der nachfolgenden Abbildung ist ein NDIR-Gassensor dargestellt, der mit zwei separaten IR-Detektoren ausgestattet ist.

IR Fotometer1

Die Absorptionsbanden der unterschiedlichen Gase werden mit FTIR-Spektrometern ermittelt und für die Auswahl der Interferenzfilter benötigt. Somit erreicht man eine optimale Anpassung der Messwellenlänge an die jeweilige Messaufgabe. In der nachfolgenden Abbildung sind die Absorptionsbanden wichtige Gase dargestellt. 

IR Gasspektren

Auch in diesem Fall verhält sich die Strahlungsabsorption durch das jeweilige Gas nach dem Lambert-Beer´schen Gesetz:

Lambert Beer

Als Strahlungsquellen werden zumeist thermische Flächenstrahler eingesetzt, die nach dem Planck´schen Gesetz IR-Strahlung in einem breiten Spektralbereich emittieren. In der nachfolgenden Abbildung ist ein Strahler-Chip (Wafer) und eine thermographische Aufnahme dargestellt. Anhand der Thermographie lässt sich sehr genau die lokale Temperaturverteilung auf der Chipfläche erfassen.

Axetris1     Axetris2

Quelle: Wiegleb, G.: Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Kap. 7.4), Springer Vieweg 2016

 

  µH1                          IR6

Strahler-Chip und  Strahlerdesign  Quelle: Wiegleb, G.: Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Kap. 7.4), Springer Vieweg 2016

IR-Leuchtdioden IRLED`s

IRLEDFür spezielle Anwendungen werden auch IR-Leuchtdioden eingesetzt, die eine selektive Strahlung in einem engen Spektralbereich emittieren. Der mögliche Spektralbereich ist allerdings z.Z. bis 5 µm beschränkt, so dass nur wenige Gase damit damit erfasst werden können. IRLED´s lassen sich sehr schnell modulieren und benötigen eine extrem geringe elektrische Leistung.

Quelle: Wiegleb, G.: Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Kap. 7.4), Springer Vieweg 2016

µH2

Verschiedene Detektorausführungen  Quelle: Wiegleb, G.: Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Kap. 7.6), Springer Vieweg 2016