Spektraler Fingerabdruck
Gasmoleküle haben aufgrund ihrer einzigartigen individuellen Kombination von Atomen und den damit verbundenen Bindungsenergien spezifische Energieniveaus. Infrarotlicht kann diese Energieniveaus aktivieren, was die übertragene Lichtenergie reduziert: Die Moleküle absorbieren das Licht bei bestimmten Wellenlängen. Jeder Molekültyp hat seinen eigenen typischen Absorptionsfingerabdruck. Fingerabdrücke von Gasen sind sich jedoch oft sehr ähnlich. Um diese Querempfindlichkeit zu vermeiden, können Detektoren so ausgelegt werden, dass sie die Absorption eines oder mehrerer typischer Wellenlängenbereiche des gewünschten Gases untersuchen.
Systemkomponenten
Nichtdispersive Infrarotsensoren (NDIR Sensoren) sind kompakte spektroskopische Messsysteme, die häufig für die Gasanalyse verwendet werden. Die Schlüsselkomponenten sind ein Infrarot-Strahler, eine Probenkammer (Gasküvette), optische Wellenlängenfilter und Infrarot-Detektoren. Die Auswahl der Wellenlänge erfolgt dabei nicht durch ein dispersives Element, wie ein Gitter oder Prisma, sondern durch spezielle Infrarot-Strahler und optische Filter. Da keine beweglichen Komponenten vorhanden sind, sind NDIR-Detektoren sehr kompakt und robust.
Bei diesem Messprinzip wird durch einen optischen Filter ein Bereich des infraroten Spektrums ausgewählt, in dem das zu messende Gas die Strahlung stark absorbiert. Diese Absorptionsstärke hängt von der Gaskonzentration ab, so dass aus dem Detektorsignal auf die Gaskonzentration geschlossen werden kann. Durch einen weiteren Filterkanal in einem Wellenlängenbereich, in dem das Gas die Strahlung nicht absorbiert, wird ein Referenzsignal erzeugt, mit dem verschiedene Störeinflüsse kompensiert werden. Durch diese 2-Kanal-Anordnung ist die NDIR-Messtechnik besonders stabil.
Das Gas wird in die Probenkammer (Gasküvette) geleitet und die Infrarot-Strahlung (IR-Strahlung) durch die Probenkammer auf den Detektor gerichtet. Der Detektor verfügt über einen optischen Filter, der das gesamte Licht mit Ausnahme der Wellenlänge, die die ausgewählten Gasmoleküle absorbieren kann, eliminiert.
Die IR-Lichtstärke, die den Detektor erreicht, steht in inverser Beziehung zur Konzentration des zu messenden Gases in der Probenkammer. Befindet sich kein Gas in der Kammer, empfängt der Detektor die volle Lichtintensität. Mit zunehmender Konzentration nimmt die Intensität des auf den Detektor auftreffenden IR-Lichts ab. In einem Infrarot-Multigassensor gibt es für jede zu messende Gaskomponente mindestens einen spektralen Kanal (bis zu acht Kanäle sind frei verfügbar), sowie einen weiteren gemeinsamen Referenzkanal. Dabei kommt es häufig vor, dass eine Gaskomponente bei mehreren Filterkanälen ein Signal erzeugt.
Diese Querempfindlichkeiten werden in den m-u-t Infrarot-Multigassensoren bei der Werkskalibrierung bestimmt und direkt im Sensor kompensiert. Diese Abhängigkeiten sind daher bei der Messwertausgabe bereits berücksichtigt. Bei der Werkskalibrierung werden darüber hinaus die Messwerte in den jeweiligen Messbereichen linearisiert. Dies erfolgt durch Messung von mehreren Referenzproben des jeweiligen Gases, deren Konzentrationen über den gesamten Messbereich verteilt sind.
