NDIR传感器

非色散红外（Non-Dispersive InfraRed, NDIR）传感器是一种常用的气体传感技术，广泛应用于检测多种气体化合物如甲烷（CH4）、乙炔（C2H2）、乙烯（C2H4）、二氧化碳（CO2）、一氧化氮（N2O）、一氧化碳（CO）、氨气（NH3）、氟利昂、挥发性有机物（VOC）等。

组成部分

NDIR传感器主要由以下几个部分组成：

1. 红外光源（IR Source）：

   • 广谱红外光源，通常是红外LED或热光源，发射出涵盖目标气体吸收波段的红外光。

2. 光路（Optics Cell）：

   • 包含气室和光学组件，用于引导红外光穿过被测气体样本。

3. 红外探测器（IR Detector）：

   • 通常是红外光电探测器（如热释电探测器或光热探测器），接收穿过气体样本的红外光。

4. 窄带滤波片（Narrow Bandpass Filter）：

   • 安装在探测器前面，选择特定波长的红外光，让这些光通过以特定于待测气体的特征吸收波长进行测量。

5. 电子电路（Electronics）：

   • 包括驱动光源、处理探测器信号并进行数据采集的电子部件。

6. 软件算法（Algorithm）：

   • 对信号进行处理、校正和计算，得出气体浓度的算法。

工作原理

1. 光源发光：

   • 红外光源发出涵盖目标气体吸收波段的红外光。

2. 光线穿过气体样本：

   • 红外光穿过置于气室中的被测气体。此时，气体样品中的目标化合物会吸收其特征波长范围内的红外光。

3. 滤波和检测：

   • 经过气体吸收后的红外光通过窄带滤波片，滤掉非目标波段的光，仅允许特定波长的光通过，达到红外探测器。

4. 信号处理：

   • 红外探测器接收光线并将光强转换为电信号。通过测量通过滤波片的红外光强度，电子电路和软件算法会计算出被测气体的浓度。

量浓度和校准

• 零点校准：当气室中无被测气体时，检测到的光强度为最大，系统可设为基线参考点。
• 浓度测量：在目标气体存在时，特定波长的红外光被部分吸收，传感器检测到的光强度降低，通过比较吸光前后的光强度及预先校准的吸收系数，传感器计算出气体浓度。

优点和应用

优点：

• 高选择性：通过特定波长的光吸收，具有较高的选择性。
• 稳定性好：因无活动机械部件，使用寿命长，测量结果稳定。
• 多种气体检测：适用于多种有机和无机化合物的检测。

应用：

• 环境监测：检测大气中的CO2、CH4、VOC等污染物浓度。
• 工业过程控制：用于工厂和实验室的气体浓度监测。
• 安全健康：用于矿井、隧道等场所的一氧化碳和甲烷监测。
• 医疗设备：如呼气分析仪中的CO2检测。

总结

NDIR传感器通过利用气体对红外光特定波长的吸收特性，通过非色散的方式实现气体浓度的定量测量。在环境监测、工业控制、安全检验和医疗保健等领域有广泛的应用。其高选择性、稳定性和多用途性使其成为气体检测技术的重要组件。

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“量浓度” 是指物质在混合物中的数量比例，可以以各种方式表示。具体的，量浓度指的是一定体积的混合物中含有目标物质的量。它通常用于描述溶液中溶质的浓度。

在气体检测和分析中，量浓度有几种常见的表示方法：

1. 质量浓度 (Mass Concentration)

• 定义：单位体积的混合物中目标物质的质量。
• 表示单位：常用单位为毫克每立方米 (mg/m³) 或克每立方米 (g/m³)。
• 公式：
  $$c=\frac{m}{V}$$
  其中，$c$ 是质量浓度，$m$ 是目标物质的质量，$V$ 是混合物的体积。

2. 体积浓度 (Volume Concentration)

• 定义：单位体积的混合物中目标物质所占的体积比例。
• 表示单位：通常为百分比 (%v/v)。
• 公式：
  $$c_v=\frac{V_{\text{solute}}}{V_{\text{solution}}}\times 100\%$$
  其中，$V_{\text{solute}}$ 是目标物质的体积，$V_{\text{solution}}$ 是混合物的总体积。

3. 摩尔浓度 (Molality 或 Molar Concentration)

• 定义：单位体积的混合物中含有的目标物质的摩尔数。
• 表示单位：常用单位为摩尔每立升 (mol/L)。
• 公式：
  $$M=\frac{n}{V}$$
  其中，$M$ 是摩尔浓度，$n$ 是目标物质的摩尔数，$V$ 是混合物的体积。

4. 体积比 (Volume Fraction)

• 定义：目标物质体积与混合物总体积的比值。
• 表示单位：通常用无因次的数值表示，如小数或百分数。
• 公式：
  $$\varphi =\frac{V_{\text{solute}}}{V_{\text{solution}}}$$

5. 质量比 (Mass Fraction)

• 定义：目标物质的质量与混合物总质量的比值。
• 表示单位：通常用无因次的数值表示，如小数或百分数。
• 公式：
  $$\omega =\frac{m_{\text{solute}}}{m_{\text{solution}}}$$

应用示例

在使用NDIR传感器检测CO2浓度时，经常使用的表示方法为：

• ppm（百万分之一，Parts Per Million）：这是体积浓度的一种表示方式，表明每百万单位混合气体中目标气体的体积单位数。例如，400 ppm CO2 意味着每百万个空气分子中有400个是二氧化碳分子。

• %（百分比）：例如，1%的CO2指的是每100单位体积空气中有1单位体积的二氧化碳气体。

计算实例：

假设某实验室气体分析装置测得空气中CO2浓度为500 ppm，那么：

• 转换为百分比浓度是：
  $$500\text{ppm}=\frac{500}{10^6}\times 100\%=0.05\%$$

• 如果需要转换为质量浓度，这需要知道气体在STP（标准温度和压力下）的密度，例如，CO2的密度为1.98 kg/m³:

  • 在STP情况下：
    $$\text{质量浓度}(mg/m^3)=\left(\frac{500}{10^6}\right)\times 1.98\times 10^3=0.99mg/m^3$$

总结

“量浓度” 是一个广泛定义，指包含目标物质数量的不同测量方式。在气体检测中，NDIR传感器测量出的一定是目标气体体积分数或者摩尔浓度，然后根据需求可以转换成其他形式如质量浓度或体积比。了解这些定义和转换关系，有助于更准确地理解和应用浓度测量结果。