Инфракрасные датчики газа SGX: путь к безопасности и энергоэффективности

Что такое ИК-датчики и как они применяются?

Требования безаварийной работы и более высокого уровня надежности заставили многих пользователей сделать выбор в пользу инфракрасных датчиков газа. Датчики такого типа, как правило, содержат импульсный источник ИК-излучения, которое поглощается каждым видом газа пропорционально длине его волны и концентрации. Длина волны ИК-излучения выбирается исходя из конкретного газа, например метана или углекислого газа. Этот метод обнаружения газа достаточно надежен и безопасен, хотя цена приборов, выполненных на его основе, обычно выше, чем решений на базе пеллисторов. Однако в отличие от пеллисторов инфракрасные датчики имеют сертификаты для работы в окружении, требующем искробезопасного и взрывозащищенного исполнения [1].

Основные преимущества ИК-датчиков газа: взрывобезопасность, не требуют наличия кислорода, нет движущихся частей, устойчивость к вибрации, возможность определения концентрации в диапазоне 0–100%, высокая точность измерений, хорошая чувствительность и избирательность газов, длительный цикл эксплуатации.

С точки зрения простоты интеграции в измерительное и контрольное оборудование ИК-датчики также имеют преимущество над пеллисторами, поскольку не нуждаются в сложных схемотехнических решениях для получения высоких показателей точности и микропроцессорах для линеаризации и температурной компенсации. Компания e2v предлагает ИК-датчики для определения наличия следующих газов:

• углекислый газ (СО₂). Датчики этого типа с диапазонами измерения 0–5% и 0–100% находят широкое применение в автомобильной технике — в системе фильтрации отработанных газов, а также в контроле микроклимата салона;
• метан (СН₄). Эти датчики используются в приборах контроля содержания метана в шахтах, газосигнализаторах и газоанализаторах. Другое применение — в переносных и домашних системах контроля утечек газа (рис. 1);

Рис. 1. ИК-датчик газа SGX Sensortech

• гидроксид углерода (НС). Применение — системы безопасности на производстве, такие как газоанализаторы и газосигнализаторы;
• ацетилен (С₂Н₂). Применение — системы безопасности на производстве, в частности газоанализаторы и газосигнализаторы;
• биогаз (смесь СО₂+СН₄). Датчики смеси углекислого газа и метана могут использоваться в системах контроля и управления биогазовой установкой.

Все вышеперечисленные варианты датчиков могут применяться как раздельно, так и вместе, в составе единого комплекса измерений, что значительно повышает эффективность [2].

Физические принципы функционирования инфракрасного датчика

Взаимодействие ИК-излучения с молекулой

Определением газа является измерение выходного сигнала, сформированного преобразованием поглощенного газом инфракрасного излучения. ИК-излучение — часть электромагнитного спектра, обычно поглощаемая молекулами газа. Когда длина волны излучения совпадает с собственной частотой колебания молекул, их энергетическое состояние изменяется. Другими словами, амплитуда колебаний атомов увеличивается при поглощении излучения с определенной длиной волны. Поглощение ИК-излучения увеличивает температуру газа.

ИК-излучение реагирует с дипольной молекулой газа. Молекулярный диполь формируется, когда колебания молекулы несимметричны относительно разных атомов или же атомы расположены несимметричным образом. Колеблясь, атомы деформируют меж-атомные связи, которые образуют дипольный или мультипольный момент. Это показано на рис. 2 для молекулы SO₂.

Рис. 2. Колебания атомов в молекуле SO₂:
а) симметричное;
б) асимметричное;
в) деформационное

Симметричные молекулы не возбуждаются ИК-излучением, так как не создают диполей. Некоторые двойные молекулы, типа O₂, H₂ и N₂, являются прекрасным примером симметричной молекулы, имеющей симметричное (рис. 2а) и несимметричное (рис. 2б) направление колебания. Углеводороды в основном активизируются ИК-излучением по связям C‑H. Когда число связей C‑H растет, абсорбционная кривая выражается сильнее, поскольку абсорбционные пики на диаграмме формируются в группы. Интенсивность излучения молекул газа, в зависимости от длины волны, называется абсорбционным спектром.

Абсорбционные спектры газов

Использование инфракрасного излучения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с каталитическим методом определения химического состава и концентрации газа. Главная особенность данной методики заключается в том, что узкополосные фильтры излучения используются вместе с отдельным ИК-детектором для обнаружения нескольких диапазонов спектра поглощения газов в определенном диапазоне длин волн.

Простота конструкции ИК-датчика позволяет легко применять его в системах безопасности, требующих сертификации. В случае комплексного химического строения молекулы наблюдается серия резонансных вибраций. Обычно это выглядит как набор абсорбционных пиков на диаграмме, построенный относительно длины волны. Это называется абсорбционным спектром. На рис. 3 демонстрируются адсорбционные спектры газов, которые могут быть определены с помощью ИК-датчиков производства компании SGX [3].

Рис. 3. ИК-спектрограмма паров воды (H₂O), метана, оксида азота, сероводорода, оксида серы, углекислого газа, оксида углерода

Недисперсионное ИК-излучение

В различных ИК-датчиках газа спектрометрия выявляет не только тип или природу целевого газа, но и его концентрацию. Для этого используется недисперсионное ИК-излучение. Дисперсионное, то есть раскладывающееся на спектр при прохождении границ среды, ИК-излучение не подходит для этой цели.

При применении этого излучения используются раздельные ИК-фильтры с узкой полосой пропускания, входящие в состав единого комплекса и позволяющие определять абсорбционные линии нескольких газов. В результате может быть создан недорогой и компактный, но точный встраиваемый сенсорный модуль. Таким образом, концентрация газа может быть определена в реальном времени с помощью простых алгоритмов расчета микропроцессорного изделия.

Выбор длины волны для определения газа

Выбор длины волны для определения газа контролируется существующим выходным спектром источника ИК-излучения. Спектр поглощения воды показывает сильное поглощение на длинах волн менее 3, 5–8 и после 16 мкм. Если спектральные линии определяемого газа находятся в этих областях, то наблюдаются помехи из-за присутствия влаги. Следовательно, наилучшие результаты работы будут в области 8–16 и 3–5 мкм, в которых расположены спектральные линии большого количества газов. В датчиках SGX область 3–5 мкм выбрана по следующим причинам:

1. Большое количество адсорбционных линий в областях спектра 3–3,5 мкм для углеводородов и 4,2 мкм для СО₂ (рис. 3).
2. Стандартная ИК-лампа со стеклянным корпусом испускает излучение с длиной волны до 5 мкм. Область свыше 8 мкм требует применения более дорогого источника ИК-излучения. Кроме того, точность определения линий поглощения снижается, поэтому данная область используется редко. Диапазон 5–8 мкм не используется по вышеуказанным причинам.
3. Нет линий поглощения газа на длине волны 4 мкм, что позволяет установить опорный сигнал в этом спектре.

Принцип работы ИК-датчика газа

На рис. 4 показана схема работы типичного сенсорного элемента ИК-датчика газа, включающего источник ИК-излучения, детектор ИК-излучения, абсорбционный элемент со входом для газа и отражающими поверхностями, а также опорный ИК-детектор для измерения опорного сигнала. Интенсивность излучения после поглощения (выходной сигнал) сравнивается с интенсивностью до поглощения (опорный сигнал).

Рис. 4. Схема недисперсионного ИК-датчика

Таким образом, зная значение интенсивности и применяя закон Бугера — Ламберта, получаем:

I(l) = I₀e^–kλl,

где I₀ — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, k_λ — показатель поглощения, который связан с концентрацией как:

k_λ = x_λC,

где x_λ — коэффициент, характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего растворенного вещества со светом с длиной волны λ, C — концентрация газа, моль/л.

Закон Бугера — Ламберта используется в алгоритмических вычислениях микропроцессора датчика при определении газа.

Влияние температуры и давления окружающей среды

Если температура и давление окружающей среды изменяются, то концентрация газа может быть измерена по закону идеального газа:

C = kPV/T,

где k — постоянная Больцмана, равная 1,3810^–23 Дж/К, P — давление, V — объем, Т — температура в кельвинах. Алгоритмы расчетов могут быть изменены, если используются выносные датчики температуры и давления. И конечно, любые изменения в самой системе датчика не отражаются на расчете по закону идеального газа.

Кроме того, ИК-датчик газа может быть подвержен влиянию температуры окружающей среды, что приводит к некорректному выходному сигналу. При использовании независимых датчиков линейность характеристик может быть в диапазоне –40…+75 °C. Это минимизирует изменения в программном обеспечении. Серия датчиков газа IR15T содержит в своем составе датчик температуры, что улучшает точность газоопределения.

Выводы

В статье было рассмотрено устройство ИК-датчика газа, принципы его работы, а также преимущества и недостатки использования по сравнению с другими датчиками.

Преимущества:

1. Не подвержены воздействию в опасных химических средах.
2. В отличие от каталитических датчиков ИК-датчики не подвержены отравлению.
3. Не обнаруживают водород, что исключает перекрестную чувствительность.
4. СО₂определяется без помех от других газов.
5. Нет снижения точности определения при воздействии высоких концентраций газов или в течение длительного периода времени.
6. Стабильная и длительная эксплуатация требует минимального времени на поверку.
7. Стабильность работы даже после длительного хранения.
8. Низкая стоимость владения по сравнению с каталитическими датчиками.

К недостаткам следует отнести достаточно высокую цену таких датчиков.

Инфракрасные датчики компании SGX находят широкое применение в системах контроля концентрации и содержания различных газов на производстве, в шахтах и тоннелях, бытовых газосигнализаторах. Несмотря на более высокую по сравнению с пеллисторными датчиками стоимость, практика показывает, что вложения в систему безопасности полностью окупаются.