Diversos analisadores de gás infravermelho e suas características.

HORIBA comercializa atualmente uma gama de analisadores de gases por infravermelho otimizados para diferentes aplicações. Existem oito métodos diferentes de analisadores que utilizam NDIR, classificados de acordo com seu princípio de funcionamento (dados de 2021). Os analisadores de gases por infravermelho são classificados em duas categorias principais com base no mecanismo da seção de modulação, que faz parte da funcionalidade do NDIR. Cada método é resumido nas tabelas abaixo (Tabelas 3 e 4). Esta seção descreve as características, a estrutura e o princípio de funcionamento dos métodos típicos (métodos 1, 2, 4, 6 e 7).

<Método de Modulação Óptica Intermitente>

Tabela 3: Lista de métodos de análise de gases por infravermelho da HORIBA utilizando NDIR (método de modulação de intermitência óptica)

<Método de Modulação Cruzada>

Tabela 4: Lista de métodos de análise de gases por infravermelho da HORIBA usando NDIR (método de modulação cruzada)

<Método de Modulação Óptica Intermitente>

Método que utiliza um chopper (tipo rotativo) para o mecanismo de modulação (1-10 Hz)

Método 1: Método de feixe duplo (com microfone condensador)

Figura 11: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de feixe duplo (com microfone de condensador)

Características, estrutura e princípio de funcionamento (Figura 11)

Este é o método descrito nos analisadores de gás infravermelho anteriores (Estrutura e princípio de funcionamento do analisador de gás infravermelho).
Possui resposta rápida e alta sensibilidade.

A ordem de sensibilidade dos métodos que utilizam fonte dupla de luz infravermelha é geralmente a seguinte:

Método de modulação cruzada (com feixe duplo) … método 6
Método de feixe duplo (com microfone condensador)... método 1
Método de feixe duplo (com sensor de fluxo) … método 2

Método 2: Método de feixe duplo (com sensor de fluxo)

Figura 12: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de feixe duplo (sensor de fluxo)

Características, estrutura e princípio de funcionamento (Figura 12)

Características

A combinação de um bloco para coleta de luz e um sensor de fluxo permite a redução da influência externa (especialmente vibração), alta sensibilidade e miniaturização do analisador infravermelho.

Estrutura e princípio de funcionamento

Cada radiação infravermelha absorvida por uma célula de amostra e por uma célula de referência é coletada alternadamente no bloco de coleta de luz por um modulador da placa semicircular rotativa, e a radiação infravermelha coletada é transmitida por um filtro óptico para entrar no detector principal do componente a ser medido. A absorção infravermelha ocorre nas câmaras frontal e traseira dentro do detector, correspondendo a cada quantidade de radiação infravermelha incidente, o que aumenta a temperatura de cada câmara.

Ao mesmo tempo, o fluxo do gás confinado, causado pela diferença de temperatura entre as duas câmaras, é gerado e passa pelo sensor de fluxo. Como a taxa de fluxo medida pelo sensor é proporcional à concentração do gás, ela é enviada ao processamento de sinal como um sinal de detecção de concentração de gás.

A direção do gás que passa pelo sensor de fluxo muda em sincronia com o movimento do chopper. As operações específicas dentro do detector para o componente medido são as seguintes.

A radiação infravermelha da célula de comparação entra -> o gás confinado da câmara frontal flui para a câmara traseira -> o chopper gira -> a radiação infravermelha da célula de amostra entra -> o gás confinado da câmara traseira flui para a câmara frontal -> o chopper gira -> a radiação infravermelha da célula de comparação entra -> repete .......

Essa sequência de operações corresponde ao movimento do diafragma de um microfone de condensador. O microfone de condensador mede a diferença de pressão, enquanto o sensor de fluxo mede a vazão. Além disso, o princípio de funcionamento do detector de compensação para o componente interferente é o mesmo do detector principal para o componente medido.

Método 4: Método de feixe único (com sensor piroelétrico)

Figura 13: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de feixe único (com sensor piroelétrico)

Características, estrutura e princípio de funcionamento (Figura 13)

Características

O detector de radiação infravermelha que utiliza um sensor piroelétrico não requer gás confinado como um detector pneumático. Portanto, a miniaturização é a sua maior vantagem, embora a sensibilidade seja inferior à do detector pneumático.

Estrutura e princípio de funcionamento

Este método utiliza sensores piroelétricos no detector para a radiação infravermelha absorvida pelo gás da amostra, com um modulador (chopper) como mecanismo de modulação. Para detectar cada componente medido no gás da amostra como uma variação de temperatura, utiliza-se um conjunto de filtros ópticos e um sensor piroelétrico para cada componente. Os sensores piroelétricos detectam as mudanças na absorção de infravermelho por cada componente medido, e a concentração de cada componente é calculada com base nos sinais detectados e comparados.

<Modulação Cruzada>

Método de comutação de gás utilizando uma válvula solenoide para o mecanismo de modulação (1 Hz)

Método 6: Método de modulação cruzada (com feixe duplo)

Figura 14-1: Estrutura de um analisador de método de modulação cruzada (com feixe duplo)

Características, estrutura e princípio de funcionamento

Características

O método de modulação de fluidos também é chamado de método de modulação cruzada. Esse método tem um desvio muito pequeno e fornece um sinal de saída estável a longo prazo. Além disso, esse método obtém o diafragma do microfone do condensador se movendo para a esquerda e para a direita, dobrando a quantidade do sinal detectado em comparação ao uso de um chopper, melhorando assim a imunidade ao ruído.
Outra característica é que esse método não requer o ajuste de posição que o helicóptero precisa para a manutenção do analisador. No entanto, o gás de referência deve fluir constantemente porque nenhum gás fechado é usado na célula de gás. Um sistema de válvula solenóide também é necessário para transferir alternadamente o gás amostral e o gás de referência para a célula de gás.

Estrutura e princípio de funcionamento (Figuras 14-1 e 14-2)

Ao contrário da modulação convencional com um chopper, este método utiliza uma válvula solenoide para alternar, em intervalos regulares, a introdução de gás de amostra e gás de referência na mesma célula de gás. Assim, a válvula solenoide realiza o mecanismo de modulação. Um exemplo da estrutura de um analisador para este método é mostrado na Figura 14-1.

Enquanto a modulação pelo chopper altera a quantidade de luz infravermelha fornecida às células de amostra e de referência, o método modulação cruzada altera o fluxo de gás para as células de amostra e de referência. Com exceção do mecanismo de modulação, a função de detecção do componente medido e a função de compensação do componente interferente, necessárias para detectar a concentração do componente medido, são as mesmas do analisador de gás infravermelho descrito até agora. Portanto, esta seção se concentra na operação do mecanismo de modulação (Figura 14-2).

Figura 14-2: Princípio de operação de modulação do método de modulação cruzada

A unidade de válvula solenoide permite que o gás da amostra flua para a célula de gás esquerda e o gás de referência flua para a célula de gás direita simultaneamente. Se houver componente gasoso a ser medido no gás da amostra, o diafragma do microfone de condensador se expandirá para o lado esquerdo (em direção à célula da amostra) (Figura 14-2, figura à esquerda).

Em seguida, a unidade da válvula solenoide é acionada e o gás da amostra flui para a célula de gás da direita, enquanto o gás de referência flui simultaneamente para a célula de gás da esquerda.

Se houver componente gasoso mensurável no gás da amostra, o diafragma do microfone de condensador se expandirá para o lado direito (em direção à célula de amostra) (Figura 14-2, figura à direita).

Esta operação é repetida em um ciclo regular para modular o sinal de detecção do microfone de condensador. Ao movimentar o diafragma do microfone de condensador no detector para os lados esquerdo e direito, este método obtém o dobro do sinal detectado em comparação com o uso de um modulador de frequência (chopper), melhorando assim a imunidade a ruídos. Além disso, um mecanismo de fluxo de gás de amostra e de referência através de cada célula de gás para medição resulta em medições estáveis ao longo do tempo, reduzindo a influência da degradação das fontes de luz infravermelha e da contaminação das células de gás nos sinais de detecção.

Método 7: Método de modulação cruzada (feixe único)

Figura 15: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador modulação cruzada (feixe único)

Características, estrutura e princípio de funcionamento (Figura 15)

O método de modulação cruzada (feixe simples) realiza a operação do método modulação cruzada (feixe duplo) em uma célula de gás. A comutação cíclica da unidade da válvula solenóide faz com que uma célula gasosa mude para as funções da célula amostral e da célula de referência, e a concentração do componente medido é medida pelos dois sinais detectados por essas funções da célula.

Neste método, o microfone condensador é conectado a apenas uma câmara, de modo que o diafragma não oscila lateralmente, movendo-se apenas em uma direção. Quando a chave é acionada na célula de referência, o diafragma retorna à sua posição plana. Fora isso, possui as mesmas características do método modulação cruzada (feixe duplo).

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Além da medição de gases, os analisadores NDIR também são usados para análise de água e líquidos, medição contínua e análise elementar de materiais sólidos.