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非色散红外(NDIR)传感器的参数定义
来源: | 作者:electronics-101 | 发布时间: 2022-06-02 | 863 次浏览 | 分享到:
什么是非色散红外(NDIR)传感器?为什么要用NDIR传感器?NDIR最大的优势是什么?

一. 非色散红外传感器


定义:Non-Dispersive Infrared (NDIR)传感器是一种由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器,主要用于测化合物,例如:CH4、CO2、N2O、CO、CF4、NO、SO2、NH3、乙醇、苯等,并包含绝大多数有机物。NDIR传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源,光线穿过光路中的被测气体,透过窄带滤波片,到达红外探测器。通过测量进入红外传感器的红外光的强度,来判断被测气体的浓度。下面是NDIR气体检测仪表原理图。


为什么要用NDIR传感器?


市场上常见的传感器,例如催化燃烧和电化学传感器并不是什么气体都能测,CO2就测不了,但是NDIR传感器能测CO2,NDIR最常见的被测气体是CH4、CO和CO2。

测有机气体,NDIR比催化燃烧好在哪里?


催化燃烧传感器虽然能测可燃气,但遇到含氟、氯、溴、硫、有机硅的气体,传感器就会中毒,灵敏度永久性的下降。但同样条件下,NDIR传感器就不会有任何影响,因为光源和探测器都被玻璃或滤波片保护了起来,和气体并不接触。


NDIR最大的优势是什么?


NDIR传感器有一个最大的优点——长期稳定性优异,维护成本低。这也是NDIR传感器销量高速增长的主要原因。目前估计,大约有3% ~ 5%的工业可燃气仪表用的就是NDIR传感器,年增长率约10%。


NDIR还有什么优点?


NDIR的优点包括:抗中毒、不需要氧气、长期稳定性优异、温度范围宽,测量浓度到100%vol。


NDIR有什么缺点?


缺点包括:


1. NDIR传感器功耗和催化燃烧传感器相当;


2. 最低检测限较高,测量ppm级别的气体浓度成本较高;


3. 结构、软件、硬件比较复杂,价格也就相对较贵。同级别NDIR CH4传感器价格是催化燃烧传感器的5~10倍。分析级的多气体NDIR传感器单价可能会达到5万元。


NDIR今后的发展方向是怎样的?


NDIR的技术路线分为两条:


1. 向高分辩率、长波长、多气种方向发展,主要市场是分析仪表。


2. 向小体积,低成本方向发展,主要市场是室内空气质量IAQ检测和电力SF6泄露检测,气种包含CO2和碳氢HC类气体,全球销量约几百万只。


除了NDIR原理,还有什么原理的红外传感器?


和NDIR相对应的是DIR——分光型的红外气体传感器。DIR主要用在分析仪表中,体积大,功耗高,怕震动,不适合用在工业现场的环境中。还比较常见的是TDLAS红外气体传感器,主要也是用在分析仪表中,或开放光路检测系统中。


随着技术的进步,光声红外(Photoacoustic)气体传感器也进入了实用。它和NDIR传感器各有优势,会长期共存,哪种会最终胜出,现在还不能定论。


二. 量程(Range)


定义:从原理上来说,NDIR传感器的可以测量0~100%vol的目标气体,但由于需求的差别,成本的考虑,软件算法的精度等原因,NDIR传感器的量程被分成各种各样。诺联芯的传感器就有从100ppm到100%vol量程不等。

最常用的量程是多少?


CO2:在工业安全应用中,测CO2最常见的量程是5%vol,即50000ppm;在室内空气质量监测应用中,常见的量程是1%vol,即10000ppm;在汽车尾气排放检测应用中,常见的量程是20%;在烟气连续监测应用中,常见量程是20%vol。在空气中TVOC和水中TOC检测中,量程范围大约是100ppm ~ 10000ppm。


CH4:在工业安全应用中,测CH4最常见的量程是5%vol,即100%LEL;如果是监测天然气泄漏,量程大约是1000ppm;在汽车尾气排放检测中,测的是碳氢HC总量,量程多见为30000ppm己烷或2000ppm己烷;在煤层气瓦斯抽放或垃圾填埋场应用中,量程50%vol就够用了;如果是CH4分析仪表,量程必须到100%vol。


NDIR的量程和测量误差有关系吗?


量程和测量误差有关系。浓度越高,检测绝对误差越大。NDIR传感器,不管怎么设计,量程都可以做到100%vol,只是算法上面支持还是不支持罢了。但和测量误差相关的因素就太多了,有结构设计、光源和探测器的选择、硬件设计、软件设计、测量方法、温度漂移、湿度影响、压力影响等等。下文会陆续提到。


NDIR的量程和传感器体积有关系吗?


有关系。体积比较大,光路比较长的NDIR传感器模块,其量程一般来说都比较小,大约几百到几千ppm;体积比较小,光路短的NDIR传感器模块,其量程一般都比较大,从5%vol到100%vol不等。


三. 精度(Accuracy)


定义:NDIR传感器测量被测气体时,测量值和真值之间的误差用来度量传感器的精度。


为什么其它类型的传感器没有精度,而NDIR传感器有精度呢?


电化学和催化燃烧传感器是微弱模拟信号输出的传感器,其性能参数只有线性和重现性,规格书上没有“精度”这两个字。而市面上的NDIR传感器多数都是数字化输出的,已经是一台小型的“仪器”了,所以通上电以后,读数会通过模拟输出口或数字输出口输出,因此有精度的参数。


NDIR传感器的精度如何表述?


比较科学的表述应该按温度范围来做分类,例如:-40℃ ~70℃之间误差为±x.x%;-25℃~55℃之间误差为±x.x%;0℃~40℃之间误差为±x.x%。但是当气体浓度非常小时,用百分比误差来表述就不合适了,需要用一个绝对浓度值来表示。因此,就产生了这样的表达方式:10ppm + 3%rel。当表达NDIR传感器精度的时候,温度范围是一定要放在一起表达,否则就不全面。


NDIR传感器测量高浓度和低浓度气体的时候,精度是一样的吗?


不一样。低浓度的时候,NDIR传感器的绝对误差小,相对误差大。高浓度时,绝对误差大,相对误差小。如果从设计和制造难易度上来做比较的话,低浓度时候做到高精度比较困难。测量ppm级别CH4泄漏一直都是工业界很难解决的技术难题。


四、响应时间(Response time)


响应时间是如何定义的?


定义:传感器信号从零点上升到通气平衡点一定百分比,所需的时间称为响应时间,通常用T90来描述。从零点上升到平衡信号值的50%所需要的时间称为T50,从零点上升到90%所需的时间称为T90,从零点上升到99%所需的时间称为T99。


催化燃烧传感器和NDIR传感器哪个响应快?


一般说来,催化燃烧传感器响应会更快。原因是催化燃烧传感器内部体积更小,气体浓度达到平衡所需的时间也会更短。NDIR传感器为达到比较好的分辨率,光学腔体必须加长,这同时也加大了死体积,浓度平衡时间也就加长了。所以在扩散模式下,NDIR传感器的响应时间也就延长了。因此,诺联芯的分析级红外传感器采用了泵吸式的进气方式,T90响应时间可以达到2~5秒,比催化燃烧传感器响应更快。

怎样才能使红外传感器响应时间更短?


在不改变传感器其它性能的前提下,可以将扩散模式改为泵吸模式,可以缩短响应时间。气泵流量调节比较好控制,不像扩散模式难以捉摸。


在传感器结构一定,气体流量一定的情况下,还有什么因素影响响应时间?


软件会影响传感器响应时间。有些红外仪表厂商,因为传感器分辨率不佳,所以拉宽了滑动移动平均的时间窗口,以换得较好的分辨率。但带来的副作用就是响应时间的延长。



五. 重现性(Repeatability)


定义:在同一天之内,每小时通气一次同样浓度的标准气,获得6次通气平衡的读数,然后计算6次读数的标准差。该标准差越接近于零,说明传感器的重新性越好。


NDIR传感器和催化燃烧传感器的重现性哪个更好?


NDIR更好。催化燃烧传感器的催化珠是暴露在空气中的,容易收到环境中各种气体的干扰和毒害,从而造成零点和灵敏度变化。NDIR传感器内部的元件都是被光学玻璃或滤波片保护起来的,不会受到其他气体的干扰和毒害。光路是镀金的,也不会被腐蚀。所以,NDIR传感器的变化非常缓慢。在一天之内几乎没有变化。

一天之内温度变化了怎么办?


实验室都是在室内的,即使一天之内温度变化也不会超过5℃。5℃对任何气体传感器来说都不会造成大的温漂,NDIR也不例外。所以不用担心一天内的温漂。


测量重复性的时候用什么浓度的气体?


原则上是用量程的25% ~ 75%之间,浓度不要太高,也不要过于低。


 

六. 供电电压(PowerSupply)


定义:给NDIR传感器的红外光源、探测器和放大电路供电的直流电压。


红外光源是一直点亮的吗?


不是的。红外光源是一闪一闪的,每次闪烁的时候,需要给红外光源供电。供电方式分为恒压、恒流和恒功率三种,电路是恒压最容易,恒功率最复杂。


探测器供电电压有多高?


这根据传感器厂家所选的红外探测器类型而定。探测器类型主要有热电堆和热释电两种。热电堆是一个无源器件,实质上是一个温度传感器。热释电探测器的信号比热电堆的信号大很多,价格也会比热电堆探测器高很多。


放大电路的电压是多少伏呢?


放大电路的电压取决于运放的工作电压范围。有的运放工作范围很宽,一般3.3V或5V都可以工作的。


七、. 功耗(PowerConsumption)


定义:NDIR红外传感器的功耗主要消耗在红外光源上,探测器和放大电路的功耗和红外光源比起来是微乎其微的。如果是用一般的钨丝灯作为红外光源,那么整个红外传感器的功耗就只有零点几瓦。


设计红外光源供电电路的时候如何考虑功耗?


红外光源冷态和热态的时候电阻差很多倍,如果是恒压供电,那么需要选择电流比较大的供电芯片,而不仅仅是按照NDIR传感器规格书上所写的功耗来选择。


NDIR传感器规格书上的功耗是如何计算出来的?


红外光源是一闪一闪的。如果占空比是50%,那么光源的功率其实是将点亮时的功率除以2得到的。


放大电路的功耗大概有多少?


放大电路的功耗主要消耗在运放上,一般来说电流只有几个mA。如果是5V供电,5mA电流,那么功耗就是5V*5mA=25mW。


八.分辨率(Resolution)


定义:分辨率是描述传感器能够分辨的最小的气体浓度改变量的参数。分辨率和灵敏度和噪声相关,类似电子技术里面的一个参数——信噪比。计算公式是:分辨率=3*信号标准差/灵敏度


NDIR传感器的分辨率和最低检测限一样吗?


不一样。电化学和催化燃烧传感器的分辨率约等于最低检测限,因为他们的信号大小和被测气体浓度是线性的。而NDIR则不同。NDIR传感器的灵敏度在不同浓度下是不一样的,零点时最高,满量程时最低。另外,不同浓度下的噪声水平却是接近的。因此,根据分辨率的公式,NDIR传感器在零点时分辨率最好,即最小,相反,在满量程的时候最差。


相同尺寸的红外传感器,测不同的气种,分辨率一样吗?


不一样。不同气种的NDIR传感器分辨率和气体吸收红外光的能力相关。同样是1000ppm的甲烷CH4、二氧化碳CO2和六氟化硫SF6,所造成的红外光吸收排序为:CH4<CO2<SF6。但因为这三种气体的红外吸收波长不同,所以不能简单的认为SF6传感器最容易,CH4传感器最难。事实上是CO2传感器最容易,测量CH4最难。


工业安全级的NDIR传感器分辨率标准是多少?


现在市面上最常见的NDIR传感器是CH4和CO2的。CH4传感器可以接受的分辨率为500ppm,即1%LEL;CO2传感器可以接受的分辨率为100ppm。高端的需求,检测CH4泄露的传感器分辨率需要在25ppm以下,检测尾气排放CO2的传感器分辨率需要1ppm。这两个分辨率,诺联芯的LARK-1系列传感器都能够达到。

九. 暖机时间(Warmup Time)


定义:传感器能够达到规格书所写性能范围的上电时间。


暖机时间短和暖机时间长对性能有什么影响?


暖机时间短,传感器内部温度还处于上升的过程中,并未平衡,所以此时的测量数据精度稍差。等传感器温度平衡了,就能达到更好的精度。工业安全领域用的NDIR传感器暖机时间比较短,1分钟之内都能正常检测。高精度、高分辨率仪表所用的传感器,暖机时间就比较长了,基本上都要20分钟以上。


暖机还有什么好处?


暖机还可以驱除光路内的凝露。在一些湿度高的环境中,如果NDIR传感器存放时间长了,光路内会结露。上电后,温度上升,凝露会慢慢减退,达到规格书所规定的检测精度。


如果有凝露,传感器读数是高还是低?


会偏高,甚至满量程报警。随着凝露慢慢蒸发,读数会慢慢降下来。


十. 温度范围(OperatingTemperature Range)


定义:NDIR传感器能够保证精度的温度范围,用℃来定义。


不同的测量标准所需要满足的温度范围各是多少?


仅针对测量甲烷CH4。中国煤安标准所规定的温度范围较窄,0℃~40℃。中国消防认证所规定的温度范围较宽,-40℃~70℃。美国加拿大的CSA标准规定的温度范围居中,-25℃~55℃。


超过传感器规格书所规定的范围,传感器会坏吗?


不会。NDIR传感器所用的电子元件一般都能覆盖-40℃~85℃。但结构件则不同,如果材料选择不当或多种材料配合不当(主要是热膨胀系数),传感器会造成永久损坏。


如果想超过温度范围使用,该如何操作?


1. 首先要选择在宽温度范围内不会损坏的NDIR传感器。


2. 电子元件选择温度范围宽的,而且温漂小的。


3. 自己设计补偿软件和算法。


十一. 湿度范围(OperatingHumidity Range)


定义:NDIR传感器能够保证精度的湿度范围,一般以相对湿度%RH来定义。


如果湿度高,传感器会损坏吗?


如果NDIR传感器在工作状态,高湿度不会损坏传感器,因为传感器的热量会减少冷凝水。如果传感器不在工作状态,高湿度就很可能损坏传感器。因为高湿度会造成传感器内部冷凝水,使电子元器件短路并损坏。


湿度高对传感器读数会有什么影响?


在高湿度的情况下,读数一般都会偏高一点。


什么应用场合会有高湿度?


在地下煤矿和下水道中常年都有较高湿度。NDIR传感器用在这样的环境读数都需要考虑除湿。


十二. 压力范围(OperatingPressure Range)


定义:NDIR传感器能够工作的压力范围。一般以大气压来定义。


NDIR传感器能够承受的压力范围有多大?


只要传感器内的红外光源和探测器不损坏,NDIR传感器就能用。按照经验,0.5个大气压到1.5个大气压都能够使用。


如果传感器工作在较高或较低的压力范围,传感器精度能够保证吗?


不能保证。当气压改变时,虽然相对浓度不会变,但气体的绝对浓度会改变,因此传感器的读数会上升。如果软件的算法不变的话,压力高时,读数会高,压力低时,读数会低。但读数和压力并不会呈线性。


NDIR传感器对气体流量大小有要求吗?


有的。以LARK-1系列的红外气体传感器为例,流量范围是300 ~ 900ml/min。如果流量大了,会在腔体内造成正压,使读数上升。



十三. 零点漂移(ZeroDrift)


定义: 传感器零点随时间的变化量。一般以ppm/mon,或%vol/year的单位来计量。


零点漂移多少是能够接受的呢?


在工业安全领域,NDIR CH4传感器零点的漂移至少需要控制在1000ppm/mom以内。按照消防认证标准,零点和测量点的月漂移必须小于0.15%vol/mon。但这个漂移值在实际应用中是远远不够的,因为工业现场能够接受的漂移值是0.25%vol/6mon。诺联芯的传感器可以控制在500ppm/3mon之内。注意,这是不控温,不控湿的情况下所测得的曲线。

和催化燃烧传感器相比,零点漂移谁会好一些?


如果是原理和原理相比,一定是NDIR传感器会好一些。因为市面上绝大部分NDIR传感器都能做到5年漂移小于10%读数。而催化燃烧传感器能够达到这个水平的是凤毛麟角。


NDIR传感器的零点误差和测量误差有关系吗?


有密切的关系。如果零点误差为E,测量点误差会大很多,甚至达到3E以上。


十四. 平均故障间隔时间(MTBF)


定义: 英文全称是“Mean Time Between Failure”。是衡量一个产品(尤其是电器产品)的可靠性指标。它反映了产品的时间质量,是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说,是指相邻两次故障之间的平均工作时间,也称为平均故障间隔。


NDIR传感器的正常工作时间是几年?


到目前为止,没有确切的统计数据。根据经验,5年的寿命是一定能达到的。红外光源的寿命是整个传感器中寿命最短的,但也能达到几万个小时。如果设计的好,一个红外传感器使用10年也不是没有可能。


NDIR传感器最容易出现什么故障?


该类传感器最常出现的故障是读数负漂。但只要标定零点就可以了。零点标定准确了,测量点是一定准确的。


为了延长NDIR传感器使用寿命,需要对气体做些什么预处理?


最好对气体进行除尘、除湿、去油。这样才能保持传感器内部光路清洁。


十五. 交叉灵敏度(CrossSensitivity)


定义: 检测某特定气体的NDIR传感器对其它气体也有响应,这种现象叫做交叉干扰。传感器对其他气体的响应值和气体真值之间的比值,叫做交叉干扰系数,简写“X$”,下图为甲烷中C-H的变形振动图和伸缩振动图

H-C键变形振动图


H-C键的伸缩振动图


NDIR传感器的交叉干扰和电化学传感器相比如何?


NDIR传感器的交叉干扰会小很多,也就是选择性很好。拿CO传感器来举例,EC CO传感器对H2S、SO2、NO2都会有较大响应,但NDIRCO传感器对以上这些气体几乎没有响应。这个优点是由不同气体的红外吸收光谱所决定的。


我可以用NDIR甲烷传感器来测量丙烷或异丁烷吗?


可以。在碳氢类物质之中,几乎都有HC单键或双键,而这两种化学键的红外吸收波段都在3.3微米附近。NDIR CH4传感器的红外吸收波段在3.3微米,而且丙烷和异丁烷在3.3微米附近也有吸收,所以,用NDIR CH4传感器可以用来测量丙烷或异丁烷。


LARK-1 CH4传感器因为分辨率好,不仅可以测量长碳链的HC,还可以测量一氯甲烷和一溴甲烷,灵敏度大约是测量甲烷的20% ~ 25%。


如果用测CH4的NDIR传感器测丙烷或异丁烷,会是线性的吗?


在低浓度的时候是线性的,例如1000ppm以下。在不同的浓度点上交叉灵敏度会有一些差别,但对应关系曲线画出来是单调的。