Optimierung der NDIR-Gasmessung: Das perfekte Zusammenspiel von IR-Emittern und pyroelektrischen Detektoren

Die Leistung, Genauigkeit und Zuverlässigkeit nichtdispersiver Infrarot-(NDIR)-Gassensoren hängen maßgeblich davon ab, wie gut der Infrarot-Emitter mit dem pyroelektrischen Detektor abgestimmt ist. Beide Komponenten müssen speziell auf das zu messende Gas optimiert werden. Dieser Leitfaden erklärt die Grundlagen der Kombination von IR-Emittern und Detektoren am Beispiel der CO₂-Überwachung. Er beschreibt, wie Spezifikationen analysiert werden, um die passenden Komponenten auszuwählen, und betont die Bedeutung fachkundiger Unterstützung bei der Systemauslegung.

Grundlagen pyroelektrischer Detektoren

Wenn ein pyroelektrischer Sensor in Betrieb ist, sendet eine IR-Quelle Infrarotlicht durch eine mit Gas gefüllte Messkammer. Je mehr Licht das Gas absorbiert, desto weniger Infrarotstrahlung gelangt zum Detektor. Jede Art von Gasmolekül besitzt im IR-Spektrum einen einzigartigen „Fingerabdruck“: Es absorbiert nur bestimmte Wellenlängen, während andere ungehindert passieren. Das Sensorsystem muss daher so ausgelegt sein, dass es genau die Strahlung erkennt, die bei den für das Zielgas relevanten Wellenlängen absorbiert wird.

Warum die Abstimmung der Komponenten wichtig ist

Die zentrale Herausforderung besteht darin, dass nicht alle Infrarotwellenlängen von allen Gasen gleichermaßen absorbiert werden. Um ein bestimmtes Gas zuverlässig nachweisen zu können, müssen drei Voraussetzungen erfüllt sein:

• Die Wellenlänge des IR-Lichts, die das Zielgas absorbiert, muss bekannt sein.
• Der IR-Emitter muss Strahlung genau in diesem Wellenlängenbereich erzeugen.
• Der pyroelektrische Detektor muss für diese Wellenlänge empfindlich sein – in der Regel mithilfe eines integrierten optischen Filters.

Fallstudie: Abstimmung von Emitter und pyroelektrischem Detektor für die CO₂-Detektion

Um zu veranschaulichen, wie ein IR-Emitter mit einem pyroelektrischen Detektor abgestimmt wird, betrachten wir einen der häufigsten Anwendungsfälle: die Erkennung von CO₂ in der Luft. Um den Abstimmungsprozess besser nachvollziehen zu können, werfen wir einen Blick auf zwei Komponenten, die Micro-Hybrid in einem Bundle anbietet. Anschließend betrachten wir die Spezifikationen genauer, um zu verstehen, warum diese beiden Bauteile optimal zusammenpassen. Dabei handelt es sich um:

Das wichtigste Konstruktionsprinzip: Spektrale Überlappung

Das Konzept der spektralen Überlappung ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit von NDIR-Sensoren. Es muss sichergestellt sein, dass das Emissionsspektrum des Emitters und der Empfindlichkeitsbereich des Detektors mit dem Absorptionsband des Gases überlappen. Die Hauptabsorptionswellenlänge von CO₂ liegt bei etwa 4,26 µm. Wie müssen also Emitter und Detektor aufeinander abgestimmt werden, um dies zu berücksichtigen?

Der Emitter

Werfen wir einen Blick auf eine spezifische Kenngröße aus dem Datenblatt unseres Emitters JSIR350-4-AL-R-D6.0-N2-A2.

Der Detektor und warum sein Filter entscheidend ist

Der pyroelektrische Detektor ist mit einem optischen Bandpassfilter ausgestattet – einem zentralen Bauteil, das bestimmt, welcher Teil des IR-Spektrums den Sensor erreicht. Nachfolgend einige wichtige Filterspezifikationen des Modells PS2x4C2-A-U-S1.5-Kr-E1/D2:

Die Toleranzen von CWL (± 25 nm) und HBW (± 10 nm) stellen sicher, dass reale Bauteile trotz fertigungsbedingter Abweichungen innerhalb akzeptabler Grenzen liegen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Dieser pyroelektrische Detektor eignet sich ideal zur CO₂-Detektion, da der Emitter Licht in genau dem Spektralbereich aussendet, in dem CO₂ am besten nachgewiesen werden kann. Darüber hinaus sorgt der Bandpassfilter des Detektors, der auf 4,265 µm zentriert ist, dafür, dass der Empfindlichkeitsbereich präzise mit dem Absorptionsband des Gases überlappt und das CO₂-Signal zuverlässig isoliert wird.

Beim Abgleich von Emittern und Detektoren für andere Gase gelten dieselben Prinzipien

Verschiedene Gase absorbieren Infrarotstrahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht typischer Absorptionsbänder einiger Gase, die mit NDIR-pyroelektrischen Detektoren erfasst werden können. Das Wissen um diese Wellenlängen und die sorgfältige Analyse der technischen Datenblätter ist ein entscheidender erster Schritt – auch wenn eine umfassende Systemexpertise über das reine Abgleichen von Komponenten hinausgeht.

Ein weiterer Aspekt: Mehrkanal-pyroelektrische Detektoren

In realen Umgebungen, insbesondere dort, wo mehrere Gase gleichzeitig vorkommen oder sich die Umweltbedingungen stark verändern, reicht ein einzelner Detektorkanal oft nicht aus. Hier kommen Mehrkanal-pyroelektrische Detektoren ins Spiel.

Es gibt zwei Arten von Kanälen:

• Messkanal: Erfasst die Strahlung bei der Absorptionswellenlänge des Zielgases.
• Referenzkanal: Erfasst Strahlung bei einer benachbarten Wellenlänge, bei der das Zielgas nicht absorbiert. So lassen sich Hintergrunddrift, Temperaturschwankungen oder Emitteralterung kompensieren.

Ein weiterer Aspekt: Verhältnis der Zeitkonstante des Emitters zur thermischen Zeitkonstante des Detektors

Ein pyroelektrischer Detektor erzeugt nur dann ein Signal, wenn sich seine Temperatur verändert. Bleibt die einfallende IR-Strahlung konstant, stabilisiert sich die Detektortemperatur und es entsteht kein elektrisches Signal. Daher muss die IR-Quelle moduliert, also gepulst werden, um ein kontinuierlich detektierbares Signal zu erzeugen.

Die Zeitkonstante des Emitters bestimmt, wie schnell er sich bei diesen elektrischen Pulsen aufheizt und wieder abkühlt. Ist die Zeitkonstante des Emitters im Verhältnis zur Modulationsfrequenz zu lang, hat er zwischen den Pulsen nicht genug Zeit zum Abkühlen oder erreicht während eines Pulses nicht die Spitzentemperatur. Das führt zu einem schwachen oder verzerrten Signal.

Welche Spezifikationen haben unsere ausgewählten Komponenten?

Zeitkonstante des Emitters: 12,5 ms

Dies ist eine sehr gute Kombination und hervorragend für die CO₂-Detektion geeignet. Der Grund dafür ist:

Zeitkonstanten richtig abstimmen: Das Ziel

Bei der Abstimmung der Zeitkonstante eines Emitters mit der thermischen Zeitkonstante eines pyroelektrischen Detektors ist es ideal, wenn der Emitter etwas schneller ist. So wird der Detektor einem sauberen, periodischen IR-Signal ausgesetzt, das genügend thermische Schwankungen erzeugt, um eine starke elektrische Reaktion hervorzurufen. Wie kann das in der Praxis aussehen?

Auch nicht-ideale Kombinationen sind möglich:

Emitter zu langsam: Der Emitter wird zum Engpass. Selbst ein schneller Detektor kann dies nicht ausgleichen, wenn der Emitter keine ausreichenden Schwankungen der IR-Strahlung erzeugt.

Detektor zu langsam: Der Detektor reagiert nicht schnell genug auf die Pulse des Emitters, was zu einem verzögerten Signal führt.

Die richtige Abstimmung der Zeitkonstanten verbessert die Signalqualität, die Ansprechzeit und die Messgenauigkeit in NDIR-Messsystemen insgesamt.

Die Abstimmung der Komponenten in einem NDIR-System umfasst mehrere voneinander abhängige Variablen:

• Absorptionsspektrum des Gases
• Spektrale Emission des Emitters
• Filterparameter CWL und HBW
• Verhältnis zwischen Zeitkonstante des Emitters und thermischer Zeitkonstante des Detektors

Darüber hinaus gibt es weitere Aspekte zu berücksichtigen, etwa unterschiedliche Umgebungsbedingungen oder Störeinflüsse durch mehrere Gase. Diese Faktoren können sehr vielfältig sein. Aus diesem Grund bietet Micro-Hybrid vorkonfigurierte Bundles aus Emittern und pyroelektrischen Detektoren an, die für bestimmte Gase optimiert sind.

Wir laden Sie ein, Micro-Hybrid zu kontaktieren und von unserer umfassenden Expertise in diesem Bereich zu profitieren. Denn: Eine sorgfältige Abstimmung von Emitter und Detektor bereits zu Beginn der Entwicklung kann Monate an Entwicklungszeit sparen und die Genauigkeit sowie Zuverlässigkeit von NDIR-Sensoren erheblich steigern.