Détection de gaz NDIR
Les thermopiles (en combinaison avec une source de lumière infrarouge) peuvent être utilisées pour mesurer la concentration de certains gaz. Le principe de mesure est appelé détection de gaz infrarouge non dispersif (NDIR), qui est basé sur l’absorption du rayonnement infrarouge à certaines longueurs d’onde spécifiques par le gaz environnant conformément à la loi de Beer-Lambert. Les gaz les plus couramment mesurés par NDIR sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et les hydrocarbures (HC). Des gaz comme le monoxyde de carbone (CO) et l’oxyde d’azote (NO) peuvent également être détectés.
Les applications les plus courantes pour la détection et l’analyse de gaz NDIR incluent, mais sans s’y limiter :
- Surveillance de la qualité de l’air
- Capnographie
- Détection de fuite de gaz
- Analyse des gaz d’échappement de CO, CO2 et HC
- Test d’alcoolémie
Pour mesurer la concentration de gaz avec précision, vous avez besoin de deux thermopiles et d’une source de lumière infrarouge. Un capteur sert de référence pour surveiller la variation de la sortie de la source IR due au vieillissement de la source, aux variations de puissance, etc. L’autre capteur est équipé d’un filtre optique à bande étroite spécifique au gaz. La source de lumière infrarouge émet un large spectre de lumière infrarouge à toutes les longueurs d’onde qui se déplace de cette source vers le capteur. En cours de route, certaines longueurs d’onde sont absorbées par les molécules du gaz d’intérêt. Au niveau des thermopiles, la différence d’intensité lumineuse entre l’absence d’absorption et l’absorption spécifique du gaz est mesurée pour déterminer la concentration réelle du gaz.
L’image ci-dessous illustre le principe à l’aide de l’exemple d’un capteur CO2 NDIR :
Sur le côté gauche de l’image, nous avons une source de lumière infrarouge qui émet un rayonnement à toutes les longueurs d’onde. Un réflecteur peut être utilisé pour diriger autant de lumière que possible en direction des détecteurs qui se trouvent sur le côté droit. Entre les deux, il y a un tube avec des parois réfléchissantes IR qui est utilisé comme chemin de mesure. Pour la détection du CO2, il existe deux longueurs d’onde d’intérêt qui sont 3,91 µm et 4,26 µm. Le rayonnement IR avec 3,91 µm n’est pas absorbé par le CO2 ou d’autres gaz courants dans l’atmosphère et est transmis sans perte au détecteur. Par conséquent, il convient bien comme référence sans absorption. Le rayonnement IR avec une longueur d’onde de 4,26 µm n’est absorbé que par les molécules de CO2 et par aucun autre gaz dans l’atmosphère. Cela signifie que le degré de réduction du rayonnement sur ce canal dépend uniquement des molécules de CO2 dans l’air ou, en d’autres termes, de la concentration en CO2.
Le détecteur se compose de deux canaux indépendants avec des filtres passes-bandes et une thermopile derrière. Le canal de référence est équipé d’un filtre qui a une longueur d’onde centrale (CWL) de 3,91 µm et le canal de détection de CO2 a un filtre avec une CWL de 4,26 µm. Avec ces filtres à bande très étroite, il y aura peu de rayonnement transmis aux thermopiles. À son tour, le signal généré par les thermopiles sera plutôt faible. Pour obtenir un signal plus élevé, il existe deux options. L’une consiste à prendre une thermopile avec une plus grande surface absorbante/active car le signal est proportionnel à la taille de l’absorbeur. L’autre option consiste à générer plus de lumière avec la source de rayonnement IR. Pour générer plus de rayonnement IR, plus de puissance électrique est nécessaire et cela aura également un impact négatif sur la durée de vie de la source IR. Par conséquent, dans la plupart des cas, une puce thermopile plus grande est le choix préféré si plus de signal est nécessaire.
Il est également possible de détecter différents gaz en même temps. Dans ce cas, vous avez juste besoin de plus de deux canaux indépendants. Un canal de référence et un canal pour chaque gaz à détecter sont nécessaires. Ceci est possible car chaque canal est équipé d’un filtre différent pour une certaine longueur d’onde. Ainsi, tous les canaux sont indépendants les uns des autres.
Heimann Sensor fournit un large ensemble de filtre standard adaptés à la détection selon le principe NDIR. Si vous souhaitez détecter différents gaz, cela est également possible avec des filtres non standard. Nous pouvons aussi commander les filtres souhaités auprès de fabricant choisis et les utiliser pour construire un capteur personnalisé.
Les filtres standard proposés par Heimann sans frais supplémentaires sont répertoriés dans le tableau ci-dessous :
| Gas | CWL in nm | HPBW in nm | Filter |
|---|---|---|---|
| CH4 | 3300 | 160 | F3.3/160 |
| HC | 3375 | 190 | F3.375/190 |
| CO2 | 4260 | 180 | F4.26/180 |
| CO2 | 4300 | 110 | F4.3/110 |
| CO2 | 4430 | 60 | F4.43/60 |
| CO | 4640 | 180 | F4.64/180 |
| CO | 4640 | 90 | F4.64/90 |
| N2O | 4530 | 85 | F4.53/85 |
| NO | 5300 | 180 | F5.3/180 |
| – (ref.) | 3910 | 90 | F3.91/90 |
Ensuite, vous pourrez trouver sur ce lien les différentes thermopiles mono-éléments disponibles en fonction de leurs applications et packagings : https://www.heimannsensor.com/thermopile-infrared-sensors. Les thermopiles sont constituées de nombreux thermocouples qui sont généralement connectés en série. Ils génèrent une petite tension électrique lorsqu’ils sont exposés à un rayonnement infrarouge ou à la chaleur. Nous produisons des puces de différentes tailles. Les petites puces telles que les 0,6×0,6 mm² et 0,76×0,76 mm² sont idéales pour les mesures de température à distance en raison de leur rapport performance-coût optimisé. Les puces plus grosses comme 1,2×1,2 mm² ou même 2,1×2,1 mm² sont parfaitement adaptées à la détection de gaz NDIR.
N’hésitez pas à nous contacter pour trouver la bonne thermopile mono-élément dans notre large gamme de capteur. Pour cela, contactez aseverin@optoprim.com ou appelez le 01 41 90 61 86
