Analizatory gazów NDIR — technologia podczerwieni bez dyspersji

NDIR to skrót od niedyspersyjnej spektroskopii w podczerwieni. W przeciwieństwie do skanującego analizatora FTIR, który rozdziela pełne widmo, NDIR wykorzystuje szerokopasmowe źródło podczerwieni i jeden lub więcej filtrów pasmowych, które wyodrębniają wybrane wcześniej pasmo absorpcji. Dlatego NDIR jest tańszy, prostszy i bardziej stabilny mechanicznie, ale ma też mniejszą selektywność niż TDLAS (pojedyncza linia laserowa) lub FTIR (dekonwolucja pełnego widma). To właściwe rozwiązanie do pomiaru dobrze poznanych, powszechnie występujących składników gazu, takich jak CO i CO₂, gdy pasmo absorpcji jest silne, a matryca gazowa dobrze znana.

Są ku temu 3 powody. Po pierwsze, CO₂ ma wyjątkowo silne, dobrze odseparowane pasmo absorpcji w średniej podczerwieni przy 4,26 μm, które NDIR wykorzystuje bardzo skutecznie. Po drugie, typowy zakres stężeń w większości zastosowań — od 400 ppm w otoczeniu do 20 %vol w spalinach — mieści się z zapasem w zakresie dynamicznym NDIR. Po trzecie, produkcja masowa: moduły NDIR do pomiaru CO₂ są wytwarzane seryjnie od dziesięcioleci, dlatego ich zakup i integracja w urządzeniach OEM są znacznie tańsze niż w przypadku głowicy laserowej TDLAS. TDLAS sprawdza się lepiej w pomiarach CO₂ tylko wtedy, gdy w projekcie kluczowe są śladowe stężenia ppb lub pomiar wielu gazów jednym laserem.

Woda wykazuje szerokie pasmo ciągłej absorpcji w średniej podczerwieni, które nakłada się na wiele pasm pomiarowych — zwłaszcza pasmo CO w pobliżu 4,6 μm i N₂O w pobliżu 4,5 μm. Dostępne są 3 rozwiązania konstrukcyjne: (1) osuszenie próbki przed pomiarem za pomocą chłodnicy Peltiera lub rurki Nafion (najprostsze rozwiązanie, które może jednak usuwać składniki rozpuszczalne w wodzie); (2) zastosowanie optyki dwuwiązkowej z filtrem odniesienia przy sąsiedniej długości fali, aby skompensować absorpcję ciągłą; lub (3) zastosowanie układu GFC z hermetycznie zamkniętym ogniwem odniesienia wypełnionym gazem docelowym, które zapewnia samoodniesienie względem wilgotnej matrycy przy paśmie pomiarowym. W ten sposób większość analizatorów N₂O i CO do pomiarów w wilgotnych spalinach, spełniających wymagania zgodności, radzi sobie z tym problemem.

Zazwyczaj nie. Granice wykrywalności analizatorów NDIR zależą od szerokości pasma filtra, wahań natężenia źródła i szumu śrutowego opisanego prawem Beera-Lamberta. W rzeczywistych pomiarach niskich zakresów w czystych matrycach można uzyskać około 0,5–5 ppm. Do pomiarów na poziomie ppb — toksycznych substancji na granicy zakładu, zanieczyszczeń wodoru o czystości wymaganej dla ogniw paliwowych czy HCl / HF na poziomie ppb w przemyśle półprzewodnikowym — należy użyć TDLAS, CRDS lub chromatografii laboratoryjnej, a nie NDIR. Jeśli otrzymali Państwo ofertę na „NDIR ppb”, warto ponownie sprawdzić w karcie technicznej założenia dotyczące matrycy i długości drogi optycznej.

GFC — korelacja z filtrem gazowym (Gas Filter Correlation) — to odmiana rodziny optycznych analizatorów NDIR, a nie osobna technologia. Różnica polega na tym, że wiązka odniesienia przechodzi przez hermetycznie zamknięte ogniwo wypełnione mierzonym gazem. Gdy obracający się filtr umieszcza przed wiązką ogniwo z gazem docelowym, cała absorpcja tego gazu zachodzi wcześniej, więc detektor rejestruje „wszystko oprócz gazu docelowego”. Gdy ogniwo bez gazu docelowego znajduje się na swoim miejscu, detektor rejestruje „wszystko, łącznie z gazem docelowym”. Porównanie tych 2 stanów eliminuje zakłócenia ze strony matrycy przy charakterystycznym widmie absorpcji danej cząsteczki. GFC jest droższy od zwykłego NDIR i wymaga mechanizmu obrotowego, ale pozwala przekształcić NDIR w przyrząd pomiarowy do CEMS, spełniający wymagania zgodności nawet przy trudnych matrycach.

W USA specyfikacje parametrów pracy Performance Specifications 3 (O₂ / CO₂) i 4 / 4A (CO), określone w 40 CFR Part 60 Appendix B, wyznaczają wymagania dotyczące bieżącej dokładności i dryftu kalibracji, a metody referencyjne Reference Methods 3A i 10 dotyczą pomiarów instrumentalnych. W UE typowe zatwierdzenie typu oraz kalibrację na poziomie instalacji obejmują MCERTS (UK Environment Agency) oraz EN 15267 / EN 14181 QAL1 / QAL2 / AST. Monitorowanie, raportowanie i weryfikacja emisji gazów cieplarnianych podlegają dodatkowo 40 CFR Part 98 (USA) oraz Regulation 2018/2066 (EU ETS). W specyfikacji zamówienia należy jasno określić wymagane certyfikaty, zamiast polegać na oznaczeniach marketingowych dostawcy.

Analizator gazów NDIR przepuszcza światło podczerwone przez próbkę i mierzy, ile gazu docelowego pochłania je przy charakterystycznej długości fali. Pomiar przebiega w 4 etapach. Po pierwsze, szerokopasmowe źródło emituje promieniowanie w średniej podczerwieni. Wiązka jest przerywana lub modulowana, aby układ elektroniczny mógł oddzielić sygnał od ciepła tła. Po drugie, wiązka przechodzi przez ogniwo pomiarowe z próbką, w którym gaz docelowy (CO, CO₂, CH₄, N₂O) pochłania promieniowanie w swoim paśmie — na przykład CO₂ przy 4,26 μm. Po trzecie, filtr pasmowy przed detektorem wyodrębnia to pasmo, a detektor mierzy pozostałe natężenie. Absorpcja względna jest zgodna z prawem Beera-Lamberta, dlatego zależy od stężenia gazu i długości drogi optycznej. Po czwarte, w konstrukcji jednowiązkowej punkt zerowy jest automatycznie ustawiany przy użyciu czystego gazu, a w konstrukcji dwuwiązkowej sygnał próbki jest porównywany z sygnałem z hermetycznie zamkniętej drogi odniesienia, aby skompensować dryft źródła. Oprogramowanie sprzętowe przelicza następnie absorpcję na ppm lub %vol i przesyła wynik przez wyjście 4-20 mA / Modbus.

Jednogazowy analizator NDIR wystarczy do pomiaru 1 lub 2 dobrze określonych gazów aktywnych w podczerwieni. FTIR jest potrzebny, gdy wymagany jest jednoczesny pomiar wielu składników lub wieloskładnikowa metoda referencyjna. NDIR należy wybrać, gdy lista mierzonych gazów jest krótka i stabilna — na przykład CO, CO₂, CH₄, N₂O w znanej matrycy — ponieważ osobny filtr pasmowy dla każdego gazu jest tani, wytrzymały i sprawdzony, a analizator NDIR jednego gazu z łatwością obsługuje pomiary procesowe i CEMS od ppm do %vol. FTIR sprawdzi się, gdy jednocześnie trzeba mierzyć około 4 lub więcej składników, określić ich udział w mieszaninie HCl / HF / NH₃ / N₂O (unijne konkluzje BAT dotyczące spalania odpadów, przemysł półprzewodnikowy) albo gdy pozwolenie emisyjne wskazuje metodę wieloskładnikową, taką jak metoda EPA 320 — w takich zastosowaniach zastosowanie 4 kanałów NDIR jest droższe i mniej praktyczne niż użycie jednego spektrometru. O wyborze decydują liczba składników i metoda, a nie sama dokładność pomiaru. Informacje o zasadzie działania FTIR i porównaniu tej metody z TDLAS i NDIR zawiera przewodnik po metodach FTIR i NDIR. W przypadku wielogazowych urządzeń GESHINE stosuje się konfigurowany układ TDLAS z wielokrotnym przejściem wiązki. Ta strona o NDIR dotyczy analizatorów podczerwieni do pomiaru jednego gazu.

Analizator NDIR o zamkniętej drodze pomiarowej (ekstrakcyjny) pobiera próbkę gazu do szczelnego, wewnętrznego ogniwa o stałej długości drogi optycznej. Analizator NDIR z otwartą drogą pomiarową mierzy natomiast wzdłuż otwartej przestrzeni w procesie lub powietrzu otoczenia, bez pobierania próbki. W konstrukcji ekstrakcyjnej sonda i podgrzewany przewód pobierają spaliny z komina lub gaz procesowy, które po kondycjonowaniu (filtr, chłodnica) trafiają do własnego ogniwa pomiarowego analizatora. Kontrolowane są tam temperatura, ciśnienie i długość drogi optycznej. Dlatego ekstrakcyjne analizatory NDIR dominują w CEMS i pomiarach procesowych, w których liczy się stabilność i powtarzalność wskazań. W analizatorze z otwartą drogą pomiarową wiązka podczerwieni przebiega przez kanał, średnicę komina lub odcinek przy granicy zakładu i dociera do reflektora retrorefleksyjnego albo oddzielnego odbiornika. Pozwala to mierzyć stężenie uśrednione wzdłuż drogi optycznej bez obsługi próbki. To przydatne rozwiązanie do monitorowania obszarowego i przy granicy zakładu, ale pomiar jest narażony na problemy z ustawieniem, pyłem i warunkami atmosferycznymi. Wybór sprowadza się do kontroli lub zasięgu przestrzennego: zamknięta droga pomiarowa służy do dokładnych pomiarów punktowych, a otwarta — do pomiarów uśrednionych w przestrzeni.

Ogniwo gazowe NDIR kalibruje się dwupunktowo, ustawiając punkt zerowy i zakres pomiarowy. Najpierw przez ogniwo przepuszcza się gaz zerowy (czysty N₂ lub oczyszczone powietrze), aby ustawić poziom bazowy przy braku absorpcji. Następnie podaje się certyfikowany gaz zakresowy o stężeniu zbliżonym do górnej granicy zakresu, aby ustalić nachylenie charakterystyki. Oprogramowanie sprzętowe dopasowuje przebieg odpowiedzi zgodnie z prawem Beera-Lamberta. Częstotliwość zależy od zastosowania: wskazania analizatorów procesowych mogą pozostawać stabilne przez kilka tygodni, natomiast w regulowanych systemach CEMS zazwyczaj codziennie automatycznie sprawdza się punkt zerowy i zakres przy użyciu butli referencyjnych, a wyniki zapisuje do audytu. W ramach procedury zapewnienia jakości w dłuższych odstępach wykonuje się ręczną weryfikację wielopunktową. Dryft powodują starzenie się źródła, odpowiedź detektora i zabrudzenie okienek — cykl zerowania i sprawdzania zakresu wychwytuje te zmiany, zanim wpłyną na wskazania. Konstrukcje dwuwiązkowe i GFC zapewniają samoodniesienie między kalibracjami, wydłużając odstępy między nimi, ale nie eliminują potrzeby stosowania identyfikowalnego gazu zakresowego. Częstotliwość kontroli należy dostosować do matrycy i wymagań organu regulacyjnego, a nie do sztywnego harmonogramu.

Nie — przenośny analizator NDIR jest przeznaczony do pomiarów punktowych i krótkich inspekcji, a nie do ciągłego monitorowania w stałym systemie CEMS. W przenośnych analizatorach NDIR priorytetem jest czas pracy na zasilaniu bateryjnym, krótki czas nagrzewania i obsługa jedną ręką. Sprawdzają się podczas regulacji kotłów, wykrywania nieszczelności i uruchamiania instalacji. Między pomiarami automatycznie zerują wskazania, zamiast utrzymywać identyfikowalny poziom odniesienia przez wiele miesięcy. Stacjonarny system CEMS działa bez nadzoru przez całą dobę. Obejmuje kondycjonowanie próbki, codzienne automatyczne sprawdzanie punktu zerowego i zakresu, rejestr danych oraz zatwierdzenie typu (amerykańskie Performance Specifications, EN 15267 / EN 14181) wymagane do raportowania regulacyjnego. Przenośny analizator nie zapewnia żadnej z tych funkcji. Użycie go zamiast CEMS oznacza brak ciągłości pracy, identyfikowalności i certyfikacji, a audytor odrzuci uzyskane dane. Właściwe rozwiązanie to stały system CEMS w punkcie objętym regulacjami oraz analizator przenośny do inspekcji i pomiarów kontrolnych w jego otoczeniu.