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Infrarot-Kohlendioxidsensoren

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Infrarot-Kohlendioxidsensoren

Die Kohlendioxid-Analysatoren von Systech Illinois nutzen das wohldefinierte Infrarot-Prinzip zur genauen Messung des prozentualen Anteils von Kohlendioxid in den meisten industriellen Prozessen.
Der Infrarotsensor befindet sich in einer eigenständigen Einheit, die im Kohlendioxid-Gasanalysator montiert ist und über die notwendige Elektronik verfügt, um das Signal des Sensors zu verarbeiten und die Kohlendioxidkonzentration auf der Digitalanzeige anzuzeigen.

Die Theorie der Kohlendioxidgasdetektion

Eine Lichtquelle strahlt Licht in einem sehr breiten Wellenlängenbereich ab. Nur ein sehr schmaler Bereich ist sichtbar (400-800 nm). Wellenlängen über 800 nm sind Infrarot-Wellenlängen. Wellenlängen, die kürzer als 400nm sind, gehören zum ultravioletten Bereich des Spektrums. Abbildung 1. Spektrum einer Lichtquelle Wenn eine Lichtquelle einem Gasstrom ausgesetzt wird, der Kohlendioxid enthält, wird Energie aus dem Infrarotbereich des Spektrums vom Gas absorbiert. Die Energie beeinflusst die physikalische Beschaffenheit des Kohlendioxidmoleküls.
Ein Kohlendioxidmolekül besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Beide Sauerstoffatome sind, wie hier gezeigt, durch Doppelbindungen chemisch mit dem Kohlenstoffatom verbunden.
Abbildung 2. Kohlendioxid-Molekül
Wenn dieses Molekül Energie absorbiert, treten die Atome miteinander in Wechselwirkung. Die absorbierte Energie versetzt die Atome in Schwingungen und Rotation. Die von der Lichtquelle benötigte Schwingungs- und Rotationsenergie ist wellenlängenspezifisch. Da die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung in Kohlendioxid so häufig vorkommt, können wir uns auf die Wellenlänge konzentrieren, die die Schwingungswechselwirkung verursacht. Abbildung 3. Schwingungswechselwirkung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffmolekülen. Die obige Grafik zeigt die Wechselwirkung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffmolekülen, wenn Infrarotlicht absorbiert wird. Das Kohlenstoffatom wird zwischen den beiden Sauerstoffatomen in Schwingung versetzt. Die vom Gasstrom absorbierte Lichtmenge ist direkt proportional zum Kohlendioxidgehalt im Gasstrom.

Prinzip der Arbeitsweise

Wenn Licht durch einen kohlendioxidhaltigen Gasstrom fällt, absorbiert das Gas die Energie des Lichts bei bestimmten Wellenlängen. Das verbleibende Licht wird auf eine für Kohlendioxid spezifische Wellenlänge gefiltert. Gemessen wird die Menge an Licht, die bei einer bestimmten Wellenlänge verbleibt. Die Menge des absorbierten Lichts ist direkt proportional zur Menge des im Gasstrom vorhandenen Kohlendioxids und ermöglicht so eine genaue Messung des Kohlendioxids. Der von Systech Illinois in den Kohlendioxid-Detektionsgeräten angebotene Infrarotsensor ist ein Einstrahlsensor mit zwei Wellenlängen und Temperaturkompensation. Er verfügt über eine Infrarot-Lichtquelle und einen pyroelektrischen Detektor. Das Gas strömt durch eine Probenzelle mit Saphirfenstern.

Prinzip der Kohlendioxid-Detektion

Auf der Oberfläche des Detektors sind zwei optische Filter angebracht. Ein Filter wird ausgewählt, um das für Kohlendioxid spezifische Infrarotlicht durchzulassen (Messfilter). Der zweite Filter ist ein Referenzfilter. Licht mit einer Wellenlänge, die von Kohlendioxid nicht absorbiert wird, durchdringt den Referenzfilter. Der Unterschied in der Lichtmenge zwischen den beiden Filtern ergibt die Menge an Energie (Licht), die vom Kohlendioxid absorbiert wird. Das vom Sensor erzeugte Signal ist nichtlinear. Das Signal wird an die Elektronik weitergeleitet, wo es linearisiert wird und eine digitale Messung der Kohlendioxidkonzentration angezeigt wird.

Kalibrierung von Infrarot-Kohlendioxidsensoren

Der Sensor erfordert eine Zwei-Punkt-Kalibrierung. Zunächst muss der Kohlendioxidsensor auf Null gestellt werden. Dazu wird ein Gas ohne Kohlendioxid durch den Analysator geleitet und der Nullpunkt am Analysator eingestellt. Zweitens: Die Spannweite muss angepasst werden. Zur Kalibrierung des Analysegerätes sollte ein Kalibriergas verwendet werden, das eine Kohlendioxidmenge enthält, die der Kohlendioxidkonzentration im Messgas nahe kommt. Das Kalibriergas sollte eine bekannte Konzentration haben und ist in der Regel bei einem Gaslieferanten erhältlich. Wenn Kalibriergas durch das Infrarot-Kohlendioxid-Analysegerät strömt, sollte die Kalibrierung so eingestellt werden, dass sie dem zertifizierten Wert entspricht.

Anwendungen von Kohlendioxid-Infrarotsensoren

Die Infrarot-Analysatoren können zur Messung von Kohlendioxid in Gasen oder Gasgemischen mit einem Gehalt zwischen 0 und 100 % verwendet werden. Die Gaspace Advance, Gaspace Advance Micro und Portamap Gasanalysatoren werden von industriellen Gasproduzenten, industriellen Gasverbrauchern und zur Sicherheitsüberwachung eingesetzt.
AnmeldungVerwendet
GasproduzentenSicherstellung der Produktqualität entweder durch Messung einer Kohlendioxidverunreinigung oder durch Überwachung der Kohlendioxidreinheit.
GasverbraucherPrüfung der modifizierten Atmosphäre in Lebensmittelverpackungen zur Sicherstellung der Qualität von Gasen, die als Produktionsmaterial in der chemischen Industrie verwendet werden.
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