Différents analyseurs de gaz infrarouges et fonctionnalités

HORIBA commercialise actuellement une gamme d'analyseurs de gaz infrarouge optimisés pour différentes applications. Il existe huit méthodes d'analyse utilisant NDIR, classées selon leur principe de fonctionnement (en 2021). Les analyseurs de gaz infrarouge sont classés en deux grandes catégories selon le mécanisme de modulation, caractéristique de la technologie NDIR. Chaque méthode est résumée dans les tableaux ci-dessous (tableaux 3 et 4). Cette section décrit les caractéristiques, la structure et le principe de fonctionnement des méthodes typiques (méthodes 1, 2, 4, 6 et 7).

Méthode de modulation par intermittence optique

Tableau 3 : Liste des méthodes d'analyse de gaz infrarouge de HORIBA utilisant NDIR (méthode de modulation d'intermittence optique)

Méthode de modulation croisée

Tableau 4 : Liste des méthodes d'analyse de gaz infrarouge de HORIBA utilisant NDIR (méthode de modulation croisée)

Méthode de modulation par intermittence optique

Méthode utilisant un hacheur (type rotatif) pour le mécanisme de modulation (1-10 Hz)

Méthode 1 : Méthode à double faisceau (avec microphone à condensateur)

Figure 11 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur à double faisceau (avec microphone à condensateur)

Caractéristiques, structure et principe de fonctionnement (Figure 11)

Il s'agit de la méthode décrite dans les analyseurs de gaz infrarouge précédents (Structure et principe de fonctionnement de l'analyseur de gaz infrarouge).
Il présente une réponse rapide et une sensibilité élevée.

L'ordre de sensibilité des méthodes utilisant une double source de lumière infrarouge est généralement le suivant ;

Méthode de modulation croisée (avec double faisceau) … méthode 6
Méthode à double faisceau (avec microphone à condensateur)… méthode 1
Méthode à double faisceau (avec capteur de débit)… méthode 2

Méthode 2 : Méthode à double faisceau (avec capteur de débit)

Figure 12 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur à double faisceau (capteur de débit)

Caractéristiques, structure et principe de fonctionnement (Figure 12)

Caractéristiques

La combinaison d'un bloc pour la collecte de lumière et d'un capteur de débit permet de réduire les influences externes (en particulier les vibrations), d'obtenir une sensibilité élevée et une miniaturisation pour l'analyseur infrarouge.

Structure et principe de fonctionnement

Chaque rayonnement infrarouge absorbé par une cellule échantillon et une cellule de référence est alternativement collecté dans le bloc de collecte de lumière par un hacheur de la plaque en demi-lune rotative, puis transmis par un filtre optique pour pénétrer dans le détecteur principal du composant mesuré. L'absorption infrarouge se produit dans les chambres avant et arrière du détecteur, correspondant à chaque quantité de rayonnement infrarouge absorbée, ce qui augmente la température de chaque chambre.

Simultanément, le flux de gaz contenu, généré par la différence de température entre les deux chambres, traverse le capteur de débit. Le débit mesuré par le capteur étant proportionnel à la concentration de gaz, il est transmis au traitement du signal comme signal de détection de concentration de gaz.

La direction du gaz traversant le capteur de débit change en synchronisation avec le mouvement du hacheur. Les opérations spécifiques au détecteur pour le composant mesuré sont les suivantes.

Le rayonnement infrarouge de la cellule de comparaison entre -> le gaz enfermé de la chambre avant s'écoule dans la chambre arrière -> le hacheur tourne -> le rayonnement infrarouge de la cellule d'échantillon entre -> le gaz enfermé de la chambre arrière s'écoule dans la chambre avant -> le hacheur tourne -> le rayonnement infrarouge de la cellule de comparaison entre -> répéter .......

Cette séquence d'opérations correspond au mouvement de la membrane d'un microphone à condensateur. Le microphone à condensateur mesure la différence de pression, tandis que le capteur de débit mesure le débit. De plus, le principe de fonctionnement du détecteur de compensation du composant interférent est le même que celui du détecteur principal du composant mesuré.

Méthode 4 : Méthode à faisceau unique (avec capteur pyroélectrique)

Figure 13 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur à faisceau unique (avec capteur pyroélectrique)

Caractéristiques, structure et principe de fonctionnement (Figure 13)

Caractéristiques

Le détecteur de rayonnement infrarouge utilisant un capteur pyroélectrique ne nécessite pas de gaz confiné comme un détecteur pneumatique. La miniaturisation constitue donc son principal avantage, mais sa sensibilité est inférieure à celle du détecteur pneumatique.

Structure et principe de fonctionnement

Cette méthode utilise des capteurs pyroélectriques pour le rayonnement infrarouge absorbé par le gaz échantillon, avec un hacheur comme mécanisme de modulation. Pour détecter chaque composant mesuré dans le gaz échantillon sous forme de variation de température, un ensemble de filtres optiques et un capteur pyroélectrique sont utilisés pour chaque composant mesuré. Les capteurs pyroélectriques détectent les variations d'absorption infrarouge de chaque composant mesuré, et la concentration de chaque composant mesuré est calculée à partir des signaux de détection et de comparaison.

Modulation croisée

Méthode de commutation de gaz utilisant une électrovanne pour le mécanisme de modulation (1 Hz)

Méthode 6 : Méthode de modulation croisée (avec double faisceau)

Figure 14-1 : Structure d'un analyseur à double faisceau à modulation croisée

Caractéristiques, structure et principe de fonctionnement

Caractéristiques

La méthode de modulation fluide est également appelée méthode de modulation croisée. Cette méthode a une très petite dérive et fournit un signal de sortie stable sur le long terme. De plus, cette méthode permet au diaphragme du microphone à condensateur du capteur de détection de se déplacer de gauche à droite, doublant ainsi la quantité de signal détecté par rapport à l’utilisation d’un hacheur, améliorant ainsi l’immunité au bruit.
Une autre caractéristique est que cette méthode ne nécessite pas le réglage de la position dont le hacheur a besoin pour la maintenance de l'analyseur. Cependant, le gaz de référence doit circuler en permanence car aucun gaz enfermé n’est utilisé dans la pile à gaz. Un système d’électrovanne est également nécessaire pour faire circuler alternativement le gaz d’échantillonnage et le gaz de référence vers la pile à gaz.

Structure et principe de fonctionnement (Figure 14-1 et 14-2)

Contrairement à la modulation classique par hacheur, cette méthode utilise une électrovanne qui commute à intervalles réguliers pour introduire alternativement le gaz d'échantillon et le gaz de référence dans la même cellule de gaz. L'électrovanne assure ainsi le mécanisme de modulation. Un exemple de structure d'analyseur pour cette méthode est présenté à la figure 14-1.

Tandis que la modulation par le hacheur modifie la quantité de lumière infrarouge fournie aux cellules d'échantillon et de référence, la méthode modulation croisée modifie le flux de gaz vers ces cellules. Hormis le mécanisme de modulation, la fonction de détection du composant mesuré et la fonction de compensation du composant interférent, nécessaires à la détection de la concentration du composant mesuré, sont identiques à celles de l'analyseur de gaz infrarouge décrit précédemment. Cette section se concentre donc sur le fonctionnement du mécanisme de modulation (figure 14-2).

Figure 14-2 : Principe de fonctionnement de la modulation de la méthode de modulation croisée

L'électrovanne permet au gaz d'échantillon de s'écouler simultanément dans la cellule de gaz gauche et au gaz de référence dans la cellule de gaz droite. Si le gaz d'échantillon contient un composant gazeux mesuré, le diaphragme du microphone à condensateur se dilate vers la gauche (en direction de la cellule d'échantillon) (Figure 14-2, figure de gauche).

Ensuite, l'unité d'électrovanne est commutée et le gaz d'échantillon s'écoule dans la cellule de gaz droite et le gaz de référence s'écoule dans la cellule de gaz gauche simultanément.

S'il y a un composant gazeux mesuré dans l'échantillon de gaz, le diaphragme du microphone à condensateur se dilatera vers le côté droit (vers la cellule d'échantillon) (Figure 14-2, figure de droite).

Cette opération est répétée régulièrement pour moduler le signal de détection du microphone à condensateur. En faisant osciller le diaphragme du microphone à condensateur du détecteur vers la gauche et la droite, cette méthode permet d'obtenir un signal détecté deux fois plus important qu'avec un hacheur, améliorant ainsi l'immunité au bruit. De plus, un mécanisme de circulation d'un échantillon et d'un gaz de référence à travers chaque cellule de mesure assure une mesure stable dans le temps en réduisant l'influence de la dégradation des sources de lumière infrarouge et de la contamination des cellules de mesure.

Méthode 7 : Méthode de modulation croisée (faisceau unique)

Figure 15 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur modulation croisée (à faisceau unique)

Caractéristiques, structure et principe de fonctionnement (Figure 15)

La méthode de modulation croisée (faisceau unique) effectue le fonctionnement de modulation croisée méthode (faisceau double) dans une cellule à gaz. La commutation cyclique de l’unité d’électrovanne provoque le basculement d’une cellule à gaz vers les fonctions de cellule d’échantillonnage et de cellule de référence, et la concentration du composant mesuré est mesurée par les deux signaux détectés par ces fonctions de cellule.

Dans cette méthode, le microphone à condensateur est connecté à une seule chambre ; le diaphragme ne oscille donc pas latéralement et se déplace dans un seul sens. Lorsque le commutateur est actionné sur la cellule de référence, le diaphragme redevient plat. Par ailleurs, cette méthode présente les mêmes caractéristiques que la méthode modulation croisée (double faisceau).

Produits

Les analyseurs d'absorption infrarouge non dispersive (NDIR) sont utilisés dans de nombreux domaines, car ils permettent de mesurer en continu diverses concentrations de composants. Ils sont notamment utilisés pour la surveillance des gaz d'échappement, des gaz de procédé et des conditions atmosphériques, ainsi que pour la mesure et le contrôle des gaz de procédé dans la fabrication de semi-conducteurs.

Outre la mesure des gaz, les analyseurs NDIR sont également utilisés pour l'analyse de l'eau et des liquides, la mesure continue et l'analyse élémentaire des matériaux solides.