Modellbasierte Analyse von nichtdispersiven Infrarot-Gassensoren mit thermischen Strahlquellen und Thermopiledetektoren
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Florian W. Dietachmayr
Florian Dietachmayr erhielt 2013 sein Diplom in Elektrotechnik von der Technischen Universität Graz, Österreich. Seit 2013 ist er Universitätsassistent am Institut für Elektrische Messtechnik der Johannes Kepler Universität Linz. Seine Forschungsinteressen liegen in den Bereichen der optischen Gassensorik und der digitalen Signalverarbeitung.
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Andreas W. Winkler
Andreas Winkler schloss sein Studium der Mechatronik an der Johannes Kepler Universität in Linz, Österreich im Jahr 2011 ab. Er arbeitete seither bis zum Juli 2017 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Universitätsassistent am Institut für Elektrische Messtechnik. Seine Interessensgebiete umfassen digitale Signal- und Bildverabeitung und optische Messtechnik.
Professor Zagar leitet das Institut für Elektrische Messtechnik an der Johannes Kepler Universität in Linz, Oberösterreich. Seine Interessen sind im Fachgebiet Messtechnik weit gestreut und decken das Thema vom Sensordesign bis hin zur Signalverarbeitung ab. Besondere Schwerpunkte lagen bisher im Bereich der optischen Messtechnik, der Bildverarbeitung und der Magnettomographie.
Zusammenfassung
Nichtdispersive Infrarotsensoren werden in vielen industriellen und wissenschaftlichen Bereichen zur Messung von Gaskonzentrationen und -bestandteilen eingesetzt. Die Entwicklung neuer Sensoren ist mangels eines umfassenden mathematischen Simulationsmodells aufwändig, da zumeist Prototypen angefertigt werden müssen, um die Auswirkungen verschiedener Änderungen auf das Sensorverhalten festzustellen. Im Rahmen dieses Beitrags werden zunächst mathematische Modelle für in kommerziellen Sensoren häufig eingebaute Komponenten von nichtdispersiven Infrarotsensoren (thermische Infrarotquellen und Thermopiledetektoren) hergeleitet und verifiziert. Es zeigt sich, dass das Sensorverhalten auf Basis von grundlegenden physikalischen Zusammenhängen ausreichend genau modelliert werden kann, wodurch die gefundenen Modelle einfach an verschiedene Varianten von thermischen Quellen und thermoelektrischen Detektoren adaptierbar sind. Abschließend werden auf Basis von Simulationen verschiedene Gehäusegeometrien auf deren Einfluss auf die Sensorempfindlichkeit hin untersucht.
Abstract
Non-dispersive infrared sensors are widely used in industrial and scientific processes. Currently, there is no complete mathematical model of non-dispersive infrared sensors available which makes the development process of new sensor alterations a tedious task. The lack of a rigorous mathematical model requires the production of prototypes to quantify the impact of different sensor alterations on the sensor’s performance. This paper presents mathematical models for in commercially available non-dispersive infrared sensors commonly used components: thermal infrared sources and thermopile detectors. The models are based on fundamental physical relations and are therefore easily adaptable to different thermal emitter and thermoelectric detector types. Furthermore, different measurement chamber geometries are simulated and their impact on sensor performance are analyzed.
Funding statement: Diese Arbeit wurde teilweise durch das österreichische Comet-K2 Programm des Linz Center of Mechatronics (LCM) unter der FFG-Projektnummer 837899 unterstützt und wurde durch Gelder der österreichischen Bundesregierung und des Landes Oberösterreich finanziert.
About the authors
Florian Dietachmayr erhielt 2013 sein Diplom in Elektrotechnik von der Technischen Universität Graz, Österreich. Seit 2013 ist er Universitätsassistent am Institut für Elektrische Messtechnik der Johannes Kepler Universität Linz. Seine Forschungsinteressen liegen in den Bereichen der optischen Gassensorik und der digitalen Signalverarbeitung.
Andreas Winkler schloss sein Studium der Mechatronik an der Johannes Kepler Universität in Linz, Österreich im Jahr 2011 ab. Er arbeitete seither bis zum Juli 2017 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Universitätsassistent am Institut für Elektrische Messtechnik. Seine Interessensgebiete umfassen digitale Signal- und Bildverabeitung und optische Messtechnik.
Professor Zagar leitet das Institut für Elektrische Messtechnik an der Johannes Kepler Universität in Linz, Oberösterreich. Seine Interessen sind im Fachgebiet Messtechnik weit gestreut und decken das Thema vom Sensordesign bis hin zur Signalverarbeitung ab. Besondere Schwerpunkte lagen bisher im Bereich der optischen Messtechnik, der Bildverarbeitung und der Magnettomographie.
Literatur
1. Jane Hodgkinson and Ralph P. Tatam, Optical gas sensing: a review, Measurement Science and Technology 24 (2013), 012004.10.1088/0957-0233/24/1/012004Search in Google Scholar
2. Robert Frodl and Thomas Tille, A High-Precision NDIR
3. P. Laj, J. Klausen, M. Bilde, C. Plaß-Duelmer, G. Pappalardo, C. Clerbaux, U. Baltensperger, J. Hjorth, D. Simpson, S. Reimann, P.-F. Coheur, A. Richter, M. de Mazière, Y. Rudich, G. McFiggans, K. Torseth, A. Wiedensohler, S. Morin, M. Schulz, J. D. Allan, J.-L. Attié, I. Barnes, W. Birmili, J. P. Cammas, J. Dommen, H.-P. Dorn, D. Fowler, S. Fuzzi, M. Glasius, C. Granier, M. Hermann, I. S. A. Isaksen, S. Kinne, I. Koren, F. Madonna, M. Maione, A. Massling, O. Moehler, L. Mona, P. S. Monks, D. Müller, T. Müller, J. Orphal, V.-H. Peuch, F. Stratmann, D. Tanré, G. Tyndall, A. Abo Riziq, M. van Roozendael, P. Villani, B. Wehner, H. Wex and A. A. Zardini, Measuring atmospheric composition change, Atmospheric Environment 43 (2009), 5351–5414.10.1016/j.atmosenv.2009.08.020Search in Google Scholar
4. J. Zosel, W. Oelßner, M. Decker, G. Gerlach and U. Guth, The measurement of dissolved and gaseous carbon dioxide concentration, Measurement Science and Technology 22 (2011), 072001.10.1088/0957-0233/22/7/072001Search in Google Scholar
5. Norbert Neumann, Matthias Heinze, Hans-Jürgen Stegbauer, Karla Hiller and Steffen Kurth, Mikromechanisches durchstimmbares Fabry–Perot-Filter für die IR-Gasanalytik (Micromechanical Tunable Fabry–Perot Filter for IR Gas Analysis), tm - Technisches Messen 72 (2005), 10–15.10.1524/teme.72.1.10.56693Search in Google Scholar
6. D. A. Andrews and T. A. King, Gas analysis using an infrared source with temporally varying temperature, Measurement Science and Technology 12 (2001), 1263–1269.10.1088/0957-0233/12/8/338Search in Google Scholar
7. Alexander Graf, Software-tailored Non-dispersive Infrared Sensors, Dresdner Beiträge zur Sensorik 36, TUDpress, Dresden, 2009.Search in Google Scholar
8. Reinhard Mikuta, Mindaugas Silinskas, Riad Bourouis, Sven Kloos and Edmund P. Burte, Characterization of non-dispersive infrared gas detection system for multi gas applications, tm - Technisches Messen 83 (2016).10.1515/teme-2015-0010Search in Google Scholar
9. Michael Theuer, Steffen Hennig, Wolfgang Ferstl, Werner Konz and Armin Lambrecht, ATR-Photometer zur Bestimmung der Isocyanatkonzentration in Prozessanwendungen, tm - Technisches Messen 82 (2015).10.1515/teme-2014-0036Search in Google Scholar
10. Florian W. Dietachmayr and Bernhard G. Zagar, Mathematische Modellierung von Infrarot-Gassensoren, in: 5. Tagung Innovation Messtechnik - Innovative Metrology, Messtechnik und Sensorik, pp. 47–52, Shaker Verlag GmbH, 2017.Search in Google Scholar
11. Peter F. Bernath, Spectra of atoms and molecules, 2 ed., Oxford University Press, Oxford und New York, 2005.Search in Google Scholar
12. Wolfgang Demtröder, Laserspektroskopie 1: Grundlagen, 6 ed., Springer Berlin, Berlin, 2014.Search in Google Scholar
13. Thomas G. Mayerhöfer, Harald Mutschke and Jürgen Popp, Employing Theories Far beyond Their Limits-The Case of the (Boguer-) Beer-Lambert Law, Chemphyschem: a European journal of chemical physics and physical chemistry 17 (2016), 1948–1955.10.1002/cphc.201600114Search in Google Scholar PubMed
14. Stanley D. Smith, Harvey R. Hardaway, J. G. Crowder, Jerry R. Meyer and Claire F. Gmachl, Recent developments in the applications of mid-infrared lasers, LEDs and other solid state sources to gas detection, in: Symposium on Integrated Optoelectronic Devices, SPIE Proceedings, pp. 157–172, SPIE, 2002.10.1117/12.467944Search in Google Scholar
15. S. D. Smith, A. Vass, F. Karpushko, H. Hardaway and J. G. Crowder, The prospects of LEDs, diode detectors and negative luminescence in infrared sensing of gases and spectroscopy, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 359 (2001), 621–634.10.1098/rsta.2000.0746Search in Google Scholar
16. J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson and A. Y. Cho, Quantum Cascade Laser, Science (New York, N.Y.) 264 (1994), 553–556.10.1126/science.264.5158.553Search in Google Scholar PubMed
17. Min Wei, Qing-Hao Ye, Rui-Feng Kan, Bing Chen, Chen-Guang Yang, Zhen-Yu Xu, Xiang Chen, Jun Ruan, Xue-Li Fan, Wei Wang, Mai Hu and Jian-Guo Liu, Spectroscopy system based on a single quantum cascade laser for simultaneous detection of
18. Frank L. Pedrotti, Optik für Ingenieure: Grundlagen; mit 28 Tabellen, 4 bearb. ed., Springer, Berlin und Heidelberg und New York, 2008.Search in Google Scholar
19. HSL Series: IR-Lamps: Datasheet, 2008.Search in Google Scholar
20. P. D. Desai, T. K. Chu, H. M. James and C. Y. Ho, Electrical Resistivity of Selected Elements, Journal of Physical and Chemical Reference Data 13 (1984), 1069.10.1063/1.555723Search in Google Scholar
21. Robert D. Larrabee, Spectral Emissivity of Tungsten, Journal of the Optical Society of America 49 (1959), 619.10.1364/JOSA.49.000619Search in Google Scholar
22. G. K. White and S. J. Collocott, Heat Capacity of Reference Materials: Cu and W, Journal of Physical and Chemical Reference Data 13 (1984), 1251–1257.10.1063/1.555728Search in Google Scholar
23. Andreas W. Winkler and Bernhard G. Zagar, Building a gonioreflectometer - a geometrical evaluation, in: 2015 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), pp. 1900–1905.10.1109/I2MTC.2015.7151571Search in Google Scholar
24. Manfred von Ardenne, Effekte der Physik und ihre Anwendungen, 3 überarb. ed., Deutsch, Frankfurt am Main, 2005.Search in Google Scholar
25. Dual Integrated Sensor Type HIS E222 F1 F2 Gx: Datasheet, 2012.Search in Google Scholar
26. Lennart Ljung, Prediction Error Estimation Methods, Circuits, Systems, and Signal Processing 21 (2002), 11–21.10.1007/BF01211648Search in Google Scholar
27. Peter C. Young, The refined instrumental variable method, Journal Européen des Systèmes Automatisés 42 (2008), 149–179.10.3166/jesa.42.149-179Search in Google Scholar
28. Ludwig Bergmann and Clemens Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik: Band III: Optik, 8 Aufl., De Gruyter, Berlin, 1987.Search in Google Scholar
29. L. S. Rothman, I. E. Gordon, Y. Babikov, A. Barbe, D. Chris Benner, P. F. Bernath, M. Birk, L. Bizzocchi, V. Boudon, L. R. Brown, A. Campargue, K. Chance, E. A. Cohen, L. H. Coudert, V. M. Devi, B. J. Drouin, A. Fayt, J.-M. Flaud, R. R. Gamache, J. J. Harrison, J.-M. Hartmann, C. Hill, J. T. Hodges, D. Jacquemart, A. Jolly, J. Lamouroux, R. J. Le Roy, G. Li, D. A. Long, O. M. Lyulin, C. J. Mackie, S. T. Massie, S. Mikhailenko, H. S. P. Müller, O. V. Naumenko, A. V. Nikitin, J. Orphal, V. Perevalov, A. Perrin, E. R. Polovtseva, C. Richard, M. A. H. Smith, E. Starikova, K. Sung, S. Tashkun, J. Tennyson, G. C. Toon, Vl. G. Tyuterev and G. Wagner, The HITRAN2012 molecular spectroscopic database, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 130 (2013), 4–50.10.1016/j.jqsrt.2013.07.002Search in Google Scholar
30. Jane Hodgkinson, Richard Smith, Wah On Ho, John R. Saffell and Ralph P. Tatam, Non-dispersive infra-red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2 μm in a compact and optically efficient sensor, Sensors and Actuators B: Chemical 186 (2013), 580–588.10.1016/j.snb.2013.06.006Search in Google Scholar
© 2018 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
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