Die Kunst der mehrkanaligen NDIR-Gassensorik

Stellen Sie sich einen hochmodernen, kostengünstigen, kleinen und leistungsstarken NDIR-Gassensor vor. Wie funktioniert er? Und wie kann er eingesetzt werden? 

Nichtdispersive Infrarotsensoren (NDIR) sind dafür bekannt, dass sie kostengünstig, langfristig zuverlässig und wartungsfrei sind. Heute gibt es Beispiele für hochauflösende, stromsparende und mehrkanalige Gassensoren, die auf der NDIR-Technologie basieren. Diese Sensoren sind in der Lage, Gase wie Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kältemittel, Distickstoffoxid, Ammoniak und Ozon zu messen. Sie können in mehreren Fällen auf Laserspektroskopie basierende Instrumentensensoren zu einem Bruchteil der Kosten ersetzen. 

Wie funktioniert das? 

Das Prinzip der NDIR-Gassensorik ist einfach. Viele Gase haben Farben und absorbieren bestimmte Wellenlängen des Lichts, die den mechanischen Resonanzen in den Gasmolekülen entsprechen. Diese Farben liegen häufig im Infrarotbereich, wo die Energie des Photons genau der Energie entspricht, die zur Anregung der mechanischen Resonanz erforderlich ist. Kohlendioxid beispielsweise absorbiert Licht bei 4,3 µm, Methan bei 3,4 µm und Distickstoffoxid bei 4,5 µm.  

Ein NDIR-Sensor benötigt eine Infrarotlichtquelle, einen optischen Hohlraum bestimmter Länge, einen auf das Zielmolekül abgestimmten optischen Filter und einen Lichtdetektor. Der Sensor misst die Lichtintensität, die den Detektor erreicht. Je höher die Gaskonzentration ist, desto mehr Licht wird absorbiert und desto weniger Licht erreicht den Lichtdetektor. Die Beziehung zwischen dem Licht einer bestimmten Wellenlänge, das den Detektor erreicht, und der Gaskonzentration wird durch das Beer-Lambert-Gesetz beschrieben. 
Dabei ist I_Det die Lichtintensität, die den Detektor erreicht, I₀ ist die Lichtintensität, die den Detektor in Abwesenheit des Zielgases erreicht, C ist die Gaskonzentration, L ist die Länge des optischen Hohlraums und A ist ein gasspezifischer Absorptionskoeffizient. I₀ und A sind nicht nur Kalibrierungsparameter, sondern auch wichtige Designparameter, da das SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) von I₀ abhängt. A wird durch Auswahl der Wellenlänge des optischen Filters für maximale Empfindlichkeit und minimale Querempfindlichkeit bestimmt. L ist ebenfalls ein Entwurfsparameter, bei dem die Empfindlichkeit durch einen längeren Lichtweg erhöht wird. Andererseits führt ein langer Pfad zu einer Sättigung bei einer niedrigen Konzentration. Die optische Weglänge muss sowohl im Hinblick auf den Messbereich als auch auf die erwartete Auflösung gewählt werden.       

In den letzten 25 Jahren wurden NDIR-Gassensoren mit Kunststoffoptiken hergestellt. Hochpräzise Reflexionsoptiken aus metallisiertem Kunststoff werden in Massenproduktion zu geringen Kosten hergestellt. Die Weglänge der handelsüblichen NDIR-Sensoren reicht von einigen Millimetern bis zu einem Meter und befindet sich in der Regel in einem Hohlraum von nur wenigen Zentimetern 

Innovatives Design 

Der von Senseair entwickelte K96 NDIR-Sensorkern ist ein hochauflösender, hochpräziser, mehrkanaliger Gassensor, der für eine Vielzahl von Gasen mit einem Absorptionsspektrum zwischen 2,5 µm und 5 µm geeignet ist. Die technischen Details sind bereits in einem Open-Access-Artikel beschrieben: "Compact Non-Dispersive Infrared Multi-Gas Sensing Platform for Large Scale Deployment with Sub-ppm Resolution" von B. Wastine et.al. (doi.org/10.3390/atmos13111789). Sie basiert auf einer optischen White Cell mit mehreren Durchgängen.  

Die White Cell eignet sich aufgrund ihrer hohen optischen Effizienz und ihrer inhärenten Stabilität gegenüber mechanischen Bewegungen gut für die NDIR-Sensorik. Die Verwendung einer weißen Zelle ist ein effizienter Weg, um gleichzeitig eine lange optische Weglänge in einem kompakten Design, eine geringe Drift und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Der gesamte K96-Sensor ist 4x3x3 cm3 groß, mit drei optischen Kanälen. Als Lichtquelle wird eine Glühlampe mit Doppelkollimatoren für Vorwärts- und Rückwärtslicht verwendet. Drei rauscharme Fotodioden, die bei Raumtemperatur arbeiten, erfassen das Licht. Dank dieser Konstruktion ist das K96 in der Lage, drei verschiedene Gase stabil und hochauflösend in einem kompakten und kosteneffizienten Design zu messen. 

Anwendungen, die Sinn machen! 

Der von Senseair entwickelte K96 NDIR-Sensorkern ist ein hochauflösender, hochpräziser Mehrkanal-Gassensor, der für eine breite Palette von Gasen eingesetzt werden kann. In diesem Abschnitt beschreiben wir einige von ihnen. 

Rinder produzieren Methan, ein Treibhausgas, das bei der Bekämpfung der globalen Erwärmung nicht vernachlässigt werden darf. Wir wissen, dass das Futter einen Einfluss auf die von jedem Tier produzierte Methanmenge hat. Mit dem K96 lässt sich der durchschnittliche Methanausstoß einer Rinderherde auch im Freien überwachen, indem die Methanschwankungen in der Umgebungsluft analysiert werden. Der Sensor ist so konfiguriert, dass er Kohlendioxid und Methan misst. Da das Kohlendioxid aus dem Stoffwechsel der einzelnen Tiere stammt, kann es als zuverlässige Referenz verwendet werden. Die Korrelation zwischen Methan- und Kohlendioxidschwankungen gibt Aufschluss über die durchschnittliche Methanemission der Tiere. Ein Werkzeug zur Echtzeitanpassung der Fütterung, um die Auswirkungen auf das Klima zu minimieren.    
Die Verschmutzung in Städten wird wegen der hohen Kosten für genaue Messgeräte normalerweise nur an wenigen Stellen gemessen. Das K96 ist in der Lage, Kohlenwasserstoffe, Distickstoffoxid und Kohlendioxid zu messen. Außerdem ist Kohlendioxid ein hervorragendes Spurengas, um die lokale Ansammlung von Abgasen aus Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen zu ermitteln.  Die niedrigen Kosten der Sensoren und die hohe Genauigkeit ermöglichen die Einrichtung dichter Netze in Städten mit Hunderten von Sensoren zur Überwachung und Kartierung der Luftqualität. Abbildung 5 zeigt eine Messung des Kohlendioxid-, d. h. Abgasprofils in Brüssel mit einem einzigen kostengünstigen NDIR-Sensor in Verbindung mit der Geokennzeichnung der Daten.    

Das K96 hat ein geringes Gewicht und ist gut geeignet, um von kleinen Quadcoptern getragen zu werden. Es wurde für die Kartierung des Kohlendioxidgehalts in der Umgebung von Vulkanen in Island eingesetzt, was eine Schätzung der Gesamtemission ermöglicht. Auch die vertikale Profilerstellung in städtischen Gebieten während einer meteorologischen Inversion ermöglicht eine genaue Schätzung der Gesamtmenge des freigesetzten Kohlendioxids in diesem Gebiet. Darüber hinaus wurden fliegende Sensoren zur Überwachung von Methanemissionen aus Industrieanlagen, Mülldeponien und Feuchtgebieten eingesetzt.   

In industriellen Prozessen, wie z.B. der Abwasserreinigung, ist die Lachgasüberwachung wichtig für die Prozessüberwachung und -steuerung. Auch hier hat sich das K96 im Vergleich zu anderen Gerätetypen als sehr kostengünstige Alternative mit guter Messleistung erwiesen. 

Schließlich sind Gase nicht nur in der Luft, sondern auch im Wasser vorhanden. Durch die Verwendung eines Gasäquilibrators kann Gas aus dem Wasser in den Sensor übertragen werden. Abbildung 6 zeigt einen solchen Aufbau, bei dem der K96-Sensor zur Messung des Methangehalts im Meerwasser an einem Standort verwendet wurde, der mit Methan produzierenden Rückständen aus alten Papierfabrikabfällen verschmutzt war. 

NDIR-Sensoren sind definitiv in eine neue Ära eingetreten, und wir können sie als fortschrittliche, kostengünstige Instrumente betrachten. 

Autor: Adj. Professor Dr. Henrik, Forschungsleiter bei Senseair AB