HORIBA 현재 다양한 응용 분야에 최적화된 다양한 적외선 가스 분석기를 판매하고 있습니다. NDIR을 사용하는 분석기에는 8가지 방법이 있으며, 작동 원리에 따라 분류됩니다(2021년 기준). 적외선 가스 분석기는 NDIR의 특징인 변조 섹션의 메커니즘을 기준으로 두 가지 주요 범주로 분류됩니다. 각 방법은 아래 표(표 3 및 4)에 요약되어 있습니다. 이 섹션에서는 일반적인 방법(방법 1, 2, 4, 6 및 7)의 기능, 구조 및 작동 원리를 설명합니다.
표 3: NDIR(비분산 적외선 방식)을 사용하는 HORIBA의 적외선 가스 분석 방법 목록
표 4: NDIR(비분산 적외선 방식)을 사용하는 HORIBA의 적외선 가스 분석기 방법 목록
그림 11: 듀얼 빔(콘덴서 마이크 포함) 분석기의 구조 및 작동 원리
이것은 이전의 적외선 가스 분석기 (적외선 가스 분석기의 구조 및 작동 원리)에서 설명한 방법입니다.
빠른 응답과 높은 감도가 특징입니다.
일반적으로 이중 적외선 광원을 사용하는 방법의 민감도 순서는 다음과 같습니다.
그림 12: 이중 빔(유량 센서) 분석기의 구조 및 작동 원리
특징
집광 블록과 유량 센서를 결합함으로써 적외선 분석기의 외부 영향(특히 진동)을 줄이고, 감도를 높이며, 소형화를 실현했습니다.
구조 및 작동 원리
샘플 셀과 기준 셀에 흡수된 각 적외선 복사는 회전하는 반달판의 초퍼에 의한 광 수집을 위해 블록에서 교대로 수집되고, 수집된 적외선 복사는 광학 필터에 의해 투과되어 측정된 구성 요소의 주 검출기에 입력됩니다. 적외선 흡수는 입력된 적외선 복사의 각 양에 해당하는 검출기 내부의 전면 및 후면 챔버에서 발생하며, 이는 각 챔버의 온도를 증가시킵니다.
동시에 두 챔버 사이의 온도 차이로 인해 밀폐된 가스의 흐름이 생성되어 유량 센서를 통과합니다. 유량 센서에서 측정된 유량은 가스 농도에 비례하므로 가스 농도 감지 신호로 신호 처리로 전송됩니다.
유량 센서를 통과하는 가스의 방향은 초퍼의 움직임과 동기화되어 전환됩니다. 측정된 구성 요소에 대한 검출기 내의 특정 작업은 다음과 같습니다.
비교 셀에서 적외선이 들어옴 -> 앞쪽 챔버의 밀폐된 가스가 뒤쪽 챔버로 흐름 -> 초퍼가 회전 -> 샘플 셀에서 적외선이 들어옴 -> 뒤쪽 챔버의 밀폐된 가스가 앞쪽 챔버로 흐름 -> 초퍼가 회전 -> 비교 셀에서 적외선이 들어옴 -> 반복.......
이러한 일련의 작업은 콘덴서 마이크로폰의 다이어프램의 움직임에 해당합니다. 콘덴서 마이크로폰은 압력 차이를 측정하는 반면, 유량 센서는 유량을 측정합니다. 또한 간섭 구성 요소에 대한 보상 검출기의 작동 원리는 측정 구성 요소에 대한 주 검출기와 동일합니다.
그림 13: 단일 빔(열전기 센서 포함) 분석기의 구조 및 동작 원리
특징
열전기 센서를 사용하는 적외선 복사 검출기는 공압 검출기와 같이 밀폐된 가스를 필요로 하지 않습니다. 따라서 소형화가 가장 큰 장점이지만 감도는 공압 검출기보다 낮습니다.
구조 및 작동 원리
이 방법은 변조 메커니즘으로 초퍼를 사용하여 샘플 가스에 의해 흡수된 적외선 복사에 대한 검출기의 열전 센서를 사용합니다. 샘플 가스의 각 측정 성분을 온도 변화로 감지하기 위해, 각 측정 성분에 대해 광학 필터 세트와 열전 센서가 사용됩니다. 열전 센서는 각 측정 성분의 적외선 흡수 변화를 감지하고, 각 측정 성분의 농도는 감지 및 비교 신호를 기반으로 계산됩니다.
그림 14-1: 교차 변조 방식(듀얼 빔 포함) 분석기의 구조
특징
유체 변조 방법은 교차 변조 방법이라고도 합니다. 이 방법은 드리프트가 매우 작으며 장기적으로 안정적인 출력 신호를 제공합니다. 또한, 이 방법은 감지 센서의 콘덴서 마이크의 다이어프램을 좌우로 움직여 초퍼를 사용하는 것보다 감지된 신호의 양을 두 배로 증가시켜 노이즈 내성을 향상시킵니다.
또 다른 특징은 이 방법은 분석기의 유지 보수를 위해 초퍼에 필요한 위치 조정이 필요하지 않다는 것입니다. 그러나 가스 셀에는 밀폐된 가스가 사용되지 않기 때문에 기준 가스가 지속적으로 흘러야 합니다. 솔레노이드 밸브 시스템은 샘플 가스와 기준 가스를 가스 전지로 교대로 흐르게 하는 데도 필요합니다.
구조 및 작동 원리(그림 14-1 및 14-2)
이 방법은 초퍼를 사용하는 기존 변조와 달리 솔레노이드 밸브 장치를 사용하여 일정한 간격으로 전환하여 샘플 가스와 참조 가스를 동일한 가스 셀에 번갈아 주입하므로 솔레노이드 밸브 장치가 변조 메커니즘을 수행합니다. 이 방법에 대한 분석기 구조의 예는 그림 14-1에 나와 있습니다.
초퍼에 의한 변조는 샘플 및 참조 셀에 공급되는 적외선 광원의 양을 변경하는 반면, 교차 변조 방법은 샘플 및 참조 셀로 흐르는 가스를 변경합니다. 변조 메커니즘을 제외하고 측정 성분의 농도를 검출하는 데 필요한 측정 성분의 검출 기능과 간섭 성분에 대한 보상 기능은 지금까지 설명한 적외선 가스 분석기의 기능과 동일하므로 이 섹션에서는 변조 메커니즘의 작동에 초점을 맞춥니다(그림 14-2).
그림 14-2: 교차 변조 방식의 변조 동작 원리
솔레노이드 밸브 유닛은 샘플 가스가 왼쪽 가스 셀로 흐르고 참조 가스가 오른쪽 가스 셀로 동시에 흐르도록 합니다. 샘플 가스에 측정 가스 성분이 있는 경우, 콘덴서 마이크로폰의 다이어프램은 왼쪽(샘플 셀 방향)으로 확장됩니다 (그림 14-2, 왼쪽 그림).
다음으로, 솔레노이드 밸브 유닛이 전환되고 샘플 가스는 오른쪽 가스 셀로 흐르고 기준 가스는 왼쪽 가스 셀로 동시에 흐릅니다.
샘플 가스에 측정 가스 성분이 있으면 콘덴서 마이크로폰의 다이어프램이 오른쪽(샘플 셀 방향)으로 확장됩니다 (그림 14-2, 오른쪽 그림).
이 작업은 콘덴서 마이크로폰의 검출 신호를 변조하기 위해 일정한 주기로 반복된다. 검출기 내의 콘덴서 마이크로폰의 다이어프램을 좌우로 스윙함으로써, 이 방법은 초퍼를 사용하는 것보다 두 배의 검출 신호를 얻어 잡음 내성을 향상시킨다. 또한, 측정을 위해 각 가스 셀을 통해 샘플 및 참조 가스를 흘려보내는 메커니즘은 적외선 광원의 열화 및 검출 신호용 가스 셀의 오염의 영향을 줄여 시간이 지나도 안정적인 측정 결과를 만들어낸다.
그림 15: 교차 변조 (단일 빔) 분석기의 구조 및 작동 원리
교차 변조 방식(단일 빔)은 하나의 가스 전지에서 교차 변조 방식(이중 빔)의 작동을 수행합니다. 솔레노이드 밸브 유닛의 주기적 전환은 하나의 가스 셀이 샘플 셀 및 참조 셀 기능으로 전환하도록 하고 측정된 구성 요소의 농도는 이러한 셀 기능에 의해 감지된 두 개의 신호로 측정됩니다.
이 방식에서는 콘덴서 마이크로폰이 단 하나의 챔버에만 연결되어 있기 때문에 다이어프램이 좌우로 흔들리지 않고 한 방향으로만 움직입니다. 스위치를 기준 셀로 돌리면 다이어프램은 평평한 상태로 돌아갑니다. 그렇지 않으면 교차 변조 방식(듀얼 빔)과 동일한 특성을 갖습니다.
비분산적외선흡수(NDIR) 분석기는 측정된 성분의 다양한 농도를 지속적으로 측정할 수 있기 때문에 다양한 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 배기가스, 공정가스, 대기 조건을 모니터링하고 반도체 제조 공정의 가스를 측정하고 제어하는 데 사용됩니다.
NDIR 분석기는 가스 측정 외에도 물과 액체 분석, 연속 측정, 고체 물질의 원소 분석에도 사용됩니다.
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