Modellbasierte Analyse von nichtdispersiven Infrarot-Gassensoren mit thermischen Strahlquellen und Thermopiledetektoren

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.

[2]  The prospects of LEDs, diode detectors and negative luminescence in infrared sensing of gases and spectroscopy , 2001, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences.

[3]  Jens Zosel,et al.  The measurement of dissolved and gaseous carbon dioxide concentration , 2011 .

[4]  Stefan Reimann,et al.  Measuring atmospheric composition change , 2009 .

[5]  T. K. Chu,et al.  Electrical Resistivity of Selected Elements , 1984 .

[6]  Peter C. Young,et al.  The refined instrumental variable method , 2008 .

[7]  L. Ljung.  Prediction error estimation methods , 2002 .

[8]  R. Tatam,et al.  Optical gas sensing: a review , 2012 .

[9]  Jianguo Liu,et al.  Spectroscopy system based on a single quantum cascade laser for simultaneous detection of CO and CO2 , 2016 .

[10]  Robert D. Larrabee,et al.  Spectral Emissivity of Tungsten , 1959 .

[11]  T. Tille,et al.  A High-Precision NDIR $\hbox{CO}_{2}$ Gas Sensor for Automotive Applications , 2006, IEEE Sensors Journal.

[12]  G. White,et al.  Heat Capacity of Reference Materials: Cu and W , 1984 .

[13]  Jürgen Popp,et al.  Employing Theories Far beyond Their Limits-The Case of the (Boguer-) Beer-Lambert Law. , 2016, Chemphyschem : a European journal of chemical physics and physical chemistry.

[14]  T. King,et al.  Gas analysis using an infrared source with temporally varying temperature , 2001 .

[15]  Ralph P. Tatam,et al.  Non-dispersive infra-red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2μm in a compact and optically efficient sensor , 2013 .