Nichtdispersiver Infrarotsensor

NDIR Gasmessmodul. Erkennbar das Messrohr (Küvette) und die mit schwarzen Kunststoff verschlossenen Eintritts- und Austrittsöffnungen im oberen Bereich

Ein nichtdispersiver Infrarotsensor oder NDIR-Sensor ist ein spektroskopisches Gerät, das überwiegend als Gassensor eingesetzt wird. Besonders geeignet sind NDIR-Analysatoren zur Bestimmung der Konzentration von Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid oder Kohlenwasserstoffen in einem Gas. Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Analyse der Abgase von Verbrennungsmotoren oder im unteren Messbereichen, die qualitative Bewertung des Kohlenstoffdioxidsanteils in der Raumluft.

Nichtdispersive IR-Sensoren (NDIR) arbeiten mit optischen einfachen und kostengünstigen Infrarotfiltern, welche je nach Sensortyp auf die passende und unveränderliche Durchlassbreite eingestellt sind. Im Gegensatz dazu stehen die technisch aufwendigeren dispersiven optischen Verfahren wie z. B. optisches Spektrometer, welche mit optischen Elementen wie einem Prisma eine feingliedrige spektrale Zerlegung und anschließende spektrale Bewertung ermöglichen.

Prinzip

Die wichtigsten Bestandteile sind eine Quelle für Infrarotstrahlung wie eine kleine Glühlampe oder in neueren Geräten Infrarotleuchtdioden, eine Küvette (Probenkammer), welche üblicherweise als Rohr ausgeführt ist und von zu analysierenden Gas durchströmt wird, mehreren optischen Infrarotfiltern und einen oder mehreren optische Detektoren, meist ausgeführt als pyroelektrischer Sensoren (PIR-Sensor). Das zu untersuchende Gas wird entweder in die Probenkammer gepumpt oder diffundiert in diese Kammer. Die Konzentration des gesuchten Gases wird über das Ausmaß der Absorption einer spezifischen Wellenlänge im infraroten Spektrum gemessen. Das Licht von der Infrarotquelle durchstrahlt dabei das Gas in der Probenkammer, wird von dem Infrarotfilter auf einen bestimmten, optischen Bereich begrenzt und erreicht dann den PIR-Sensor, wo durch die Bestrahlung ein elektrisches Signal zur weiteren Auswertung gewonnen wird. Die optischen Filter haben die Aufgabe, aus dem Spektrum der Lichtquelle nur ein möglichst schmales Spektrum durchzulassen, so dass es von den Molekülen des untersuchten Gases effektiv absorbiert wird. Idealerweise sollten die anderen im Gasgemische der Probe Licht dieser Wellenlänge nicht absorbieren.

NDIR-Analysator "Binos 1", die beide NDIR-Sensoren (Referenz- und Messrohr) sind im Vorderdrund erkennbar

Je nach Gerät befinden sich in dem Messrohr entweder nur ein oder mehrere optische Filter, abgestimmt auf verschiedene Frequenzbereiche und zur Referenzmessung. Bei der Referenzmessung mit nur einem Messrohr wird das optische Filter für die Referenzmessung so gewählt, dass es in einem spektralen Bereich liegt wo die im Messrohr vorkommenden Gase keine oder nur eine sehr geringe Absorption aufweisen. Es kann für die Referenzmessung auch aufwändiger ein zweites, gleich aufgebautes Messrohr (beim Gerät im Bild die andere Hälfte des durch einen mittigen Steg geteilten Rohres) mit einem eingeschlossenes Referenzgas, zum Beispiel Stickstoff, eingesetzt werden. Das Signal vom Referenzsensor dient in jedem Fall dazu aus der Absolutmessung eine Sensors eine Relativmessung zu machen. Dabei werden die Messsignale im Wert auf das Referenzsignal bezogen, womit Einflüsse die sich einheitlich auf alle Sensoren auswirken kompensiert werden. Die verschiedenen Messsensoren und der Referenzsensor werden dabei alternierend und in kurzen Abständen von unter 100 ms aktiviert.

Da viele Gase Licht im infraroten Bereich absorbieren, ist weiters eine Kompensation für vorhandene interferierende, aber nicht untersuchte Gasanteile erforderlich. Beispielsweise beeinflussen sich die Absorptionen der Gase Kohlendioxid und Wasserdampf im Messergebnis aufgrund spektraler Nähe ihrer Absorptionskennlinien. Dies ist durch die eingesetzten Infrarotfilter und deren relativ breite spektrale Durchlässigkeit bedingt, welche nicht eine so feine spektrale Auflösung wie bei Einsatz von dispersiven Verfahren erlauben.

Die verwendeten Signale zur Ansteuerung des Infrarotquelle werden weiters vielfach moduliert oder gepulst, um thermische und meist störende Phänomene der Messgeräte kompensieren zu können.