Термопарные датчики
Термопарные датчики Heimann Sensor GmbH для инфракрасного газоанализа
Компания Heimann Sensor GmbH – является мировым лидером в производстве инфракрасных датчиков температуры, термопарных матриц, пироэлектрических детекторов и сенсорных модулей с интегрированной схемой обработки сигнала для бесконтактного измерения температуры и определения состава газа.
Молекулы таких газов как CO2, CO, CH4, NO, N2O и многих других обладают ярко выраженными линиями поглощения в средней инфракрасной области спектра. Поглощение инфракрасного излучения вызывает переходы между колебательно-вращательными энергетическими уровнями молекул. На рисунке показана типичная форма линии поглощения для спектра газа CO2 (4,30 – 4,21 мкм).
Любой инфракрасный газоанализатор, принцип работы которого основан на недисперсионном оптическом поглощении ИК-лучей, состоит из источника ИК-излучения, газонаполненной камеры с установленными в ней оптическими элементами, светофильтра, пропускающего только излучение, соответствующее линии поглощения исследуемого газа и подходящим сенсором для детектирования ИК-излучения. Принцип работы газоанализатора похож на работу светового барьера. В случае отсутствия анализируемого газа между источником ИК-излучения и детектором измеряемый сигнал остается высоким и стабильным. Если молекулы исследуемого газа проходят через область между излучателем и детектором, то уровень сигнала снижается пропорционально концентрации газа. Интенсивность спектрального пропускания анализируемого газа описывается законом Ламберта-Бера, где Io – первоначальная интенсивность, k – коэффициент поглощения анализируемого газ, c – концентрация газа и L - толщина поглощающего слоя газа.
В качестве ИК-излучателя может выступать обычная миниатюрная инфракрасная лампа накаливания или ИК лазерный диод. Выбор того или иного типа излучателя определяется спектральной характеристикой и стоимостью источника ИК излучения относительно получения требуемого разрешения и чувствительности для определения анализируемого газа.
Газовая камера может представлять собой обычную емкость длиной L с отражающими стенками и дополнительными оптическими элементами для создания направленного ИК излучения внутри газовой камеры. Также в газовой камере могут применяться различные отражающие зеркала, увеличивающие длину пути инфракрасных лучей, или многопроходные ячейки с большим числом отражений.
Тип инфракрасного фильтра и его параметры (CWL – центральная длина волны, FWHM – ширина спектра на половине амплитуды) являются важными характеристиками инфракрасного газоанализатора. В большинстве случаев фильтр встраивается во входное окно ИК-детектора, позволяя ему определять присутствие того или иного анализируемого газа.
Если фильтры используются при отклонении от нормального угла падения, то необходимо принимать во внимание сдвиг в спектральных характеристиках. Все интерференционные фильтры сдвигаются в коротковолновую область спектра при отклонении угла падения от нормального. Этот эффект может быть приблизительно рассчитан по следующей формуле (где n – показатель преломления):
С ростом температуры полоса пропускания интерфереционного фильтра сдвигается в длинноволновую область спектра, а с понижением температуры в коротковолновую область спектра. Влияние температуры может быть приблизительно рассчитано по следующей формуле и обычно достаточно мало (0.01-0.2 нм/°C).
Термопарный ИК-датчик создает на выходе напряжение пропорциональное падающему на его поверхность излучению. Кроме того значение напряжения зависит от собственной температуры термопарного датчика. Уравнение 4 описывает эту зависимость, где Tsource – температура источника ИК-излучения или исследуемого объекта, Tamb - температура окружающей среды или ИК-датчика, K – постоянная и экспонента n зависит от характеристик ИК-фильтра (коэффициент преломления n=4 для идеального черного тела и неограниченного спектрального диапазона).
Существуют различные методы изучения недисперсионного оптического поглощения ИК-лучей применяемые на практике, среди которых наиболее популярными являются одноволновый (один луч-одна длина волны) и двухволновый (один луч – две длины волны). На рисунке показано схематичное изображение двух газоанализаторов построенных по этому принципу.
В двухволновых газоанализаторах спектральная характеристика фильтра канала сравнения обычно не совпадает с длиной волны поглощения анализируемого газа, поэтому соотношение двух сигналов будет пропорционально газовой конценрации, но не зависит от вариаций ИК-излучателя или эффекта старения. Для работы в двухволновом газоанализаторе применяются два кристалла датчика и два различных фильтра интегрированные в один корпус. В качестве примера такого двухканального ИК-датчика можно привести термопарный датчик HTS E21 F3.91/4.26 фирмы Heimann Sensor GmbH, где “E” означает тип датчика, “2” – размер кристалла датчика, “1” – термистор сравнения номиналом 100 кОм, а две оставшиеся цифры после буквы F означают центральную длину волны двух газовых фильтров.
Следующим подходом при создании чувствительных элементов для инфракрасного газоанализа, повышающим стабильность и упрощающим применение детектора, является объединение в едином корпусе кристалла термопарного датчика и специализированной интегральной схемы. Встроенные интегральные схемы разрабатываются таким образом, чтобы соответствовать параметрам кристалла чувствительного элемента. Термопарный датчик действует как источник напряжения с внутренним сопротивлением около 85 Ом в случае нагрева контактов термоэлементов падающим ИК-излучением. При этом сигнал с термоэлемента усиливается до нескольких вольт. Конечно интегральная схема может быть объединена с кристаллами термопарных датчиков различного размера, и к корпусу ТО-39 можгут быть припаяны различные типы входных окон фильтров (“A” – круглое окно диаметром 2.5 мм, “B” – круглое окно диаметром 3.8 мм, “C” – квадратное окно со стороной размером 3.5 мм). Кроме того интегральная схема контролирует температуру датчика и выдает линейную зависимость выходного сигнала от температуры окружающей среды, например 15 мВ/°C. Зная температуру окружающей среды можно рассчитать эффекты изменения выходного сигнала или сдвиг длины волны фильтра, связанный с изменением температуры окружающей среды.
Компания Heimann Sensor GmbH специализируется на разработке и производстве пироэлектрических детекторов и термопарных датчиков с высокой обнаружительной способностью и предназначенных для детектирования различных газов – CO2, CO, CH4, NO, N2O, HC, H2O. Детекторы могут содержать от 1 до 4 оптических каналов в зависимости от размера активной области кристалла и комплектуются различными типами фильтров по требованию заказчика.
