Capteur NDIR (infrarouge non dispersif) : principe, conception, applications et avantages
1. Introduction aux capteurs NDIR
NDIR, ou Infrarouge non dispersif, désigne un type de technologie de capteur de gaz qui détecte des gaz spécifiques en mesurant leur absorption de la lumière infrarouge (IR) à des longueurs d'onde caractéristiques. Il est largement utilisé pour détecter des gaz tels que CO₂, CH₄, CO, réfrigérants, hydrocarbures et autres gaz actifs dans l'IR.
Les capteurs NDIR sont appréciés pour leur précision, stabilité, longue durée de vie et faible entretien exigences, ce qui les rend idéales pour les applications critiques dans qualité de l'air intérieur, sécurité industrielle, surveillance environnementale et systèmes de CVC.
2. Principe de fonctionnement des capteurs NDIR
Les capteurs NDIR fonctionnent sur la base de spectroscopie d'absorption infrarougeLa plupart des gaz absorbent la lumière infrarouge à des longueurs d'onde spécifiques à leur structure moléculaire. En mesurant la quantité de lumière infrarouge absorbée, il est possible de déterminer la concentration d'un gaz cible.
2.1 Composants d'un capteur NDIR
-
Source de lumière infrarouge
- Généralement un émetteur thermique (par exemple, un filament de tungstène) qui émet un large spectre de lumière infrarouge.
-
Chemin optique (chambre d'échantillon)
- Le gaz à mesurer traverse une chambre où la lumière IR le traverse.
-
Filtre optique
- Filtre la lumière IR à une longueur d'onde spécifique absorbée par le gaz cible (par exemple, 4.26 µm pour le CO₂).
-
Détecteur infrarouge
- Mesure l'intensité de la lumière IR qui l'atteint après avoir traversé le gaz.
-
Canal de référence (facultatif)
- Détecte la lumière IR à une longueur d'onde non absorbée par aucun gaz pour servir de ligne de base.
-
Processeur de signal
- Convertit l'absorption lumineuse en un signal numérique représentant la concentration de gaz.
2.2 Loi de Beer-Lambert
Le principe de mesure est décrit mathématiquement par le Loi Beer-Lambert:
Où? :
- A = Absorbance
- je₀ = Intensité de la lumière entrant dans le gaz
- I = Intensité de la lumière sortant du gaz
- ε = Absorptivité molaire (une constante pour chaque gaz et longueur d'onde)
- c = Concentration du gaz
- l = Longueur du trajet de la lumière à travers le gaz
3. Gaz détectables par les capteurs NDIR
Les capteurs NDIR sont efficaces pour détecter les gaz avec bandes d'absorption infrarouge, Tels que:
| Gaz | Longueur d'onde d'absorption IR typique (µm) |
|---|---|
| CO₂ (dioxyde de carbone) | 4.26 |
| CO (monoxyde de carbone) | 4.67 |
| CH₄ (méthane) | 3.31 |
| R-32 | ~ 3.4 |
| R-290 (Propane) | ~ 3.4 |
| Hydrocarbures | 3.3 – 3.5 |
| SF₆ | 10.5 |
Des gaz comme oxygène et azote, qui n'absorbent pas la lumière infrarouge, ne peut pas être détecté par NDIR.
Capteur de CO2 NDIR
Capteur NDIR CH4
Capteur de gaz méthane à faible consommation d'énergie MH-Z1341B NDIR
- Méthane CH4
- 0~100% LEL en option
- En savoir plus
Capteur de gaz infrarouge à faible consommation d'énergie MH-T4041A
- Gaz inflammables d’hydrocarbures
- 0～10% Vol en option (se référer à la fiche 2)
- En savoir plus
Capteur de réfrigérant NDIR
Module de capteur de réfrigérant R510B ZRT454
- R454B (R32 ou R290 peuvent être personnalisés)
- En savoir plus
Module de capteur de réfrigérant R510 ZRT32
- R32 (R454B ou R290 peuvent être personnalisés)
- En savoir plus
Module de capteur de réfrigérant R510 ZRT290
- R290 (R454B ou R32 peuvent être personnalisés)
- En savoir plus
Capteur NDIR SF6
4. Avantages des capteurs NDIR
Haute sélectivité
Absorbe uniquement la lumière IR à des longueurs d'onde spécifiques, minimisant ainsi la sensibilité croisée.
Stabilité à long terme
Aucune réaction chimique ne se produit, garantissant des performances stables pour 5 à 15 ans.
Entretien Réduit
Aucun consommable ni étalonnage fréquent n'est nécessaire pour de nombreux modèles.
Temps de réponse rapide
Les temps de réponse typiques sont <30 secondes pour le CO₂ et les gaz similaires.
Large plage de mesure
Peut détecter à partir de ppm (parties par million) en pourcentages.
Insensible à l'empoisonnement
Contrairement aux capteurs électrochimiques, le NDIR est non affecté par l'intoxication chimique.
5. Limitations des capteurs NDIR
Limité aux gaz actifs dans l'IR
Ne peut pas détecter les gaz comme O₂, H₂ ou gaz nobles.
Affecté par la température et l'humidité
Peut nécessiter compensation de température et d'humidité dans certains cas.
Contamination optique
La poussière ou la condensation dans le chemin optique peuvent affecter la précision de la mesure.
Coût initial plus élevé
Généralement plus chers que les capteurs électrochimiques ou MOS.
6. Types de conceptions de capteurs NDIR
6.1 NDIR à faisceau unique ou à double faisceau
| Type | Description | MSP Corp |
|---|---|---|
| Faisceau unique | Une source IR et un détecteur | Rentable |
| Double faisceau | Ajoute un canal de référence | Plus stable dans le temps |
6.2 Dispersif vs Non-dispersif
Les capteurs IR dispersifs utilisent des prismes ou des réseaux, tandis que le NDIR (non dispersif) utilise des filtres optiques, ce qui rend le NDIR plus simple et plus compact.
7. Applications des capteurs NDIR
7.1 Surveillance de la qualité de l'air intérieur
- Surveillance du CO₂ dans écoles, bureaux et maisons
- Utilisé dans systèmes de CVC pour une ventilation contrôlée à la demande
7.2 Détection des fuites de réfrigérant
- Détecte les réfrigérants inflammables comme R-32, R-290 et R-1234yf
- Conforme à ASHRAE 15 et EN 378 Normes
7.3 Automobile et transport
- Capteurs de CO₂ d'habitacle pour confort et sécurité
- Le Monitoring les gaz d'échappement dans les tests d'émissions
7.4 Sécurité industrielle
- Le Monitoring CO et CH₄ dans les usines, les mines et les espaces confinés
7.5 Serre et agriculture
- Contrôle du CO₂ dans serres pour la croissance des plantes
- Détecte le méthane provenant de la fermentation ou du bétail
7.6 Surveillance environnementale
- CO₂ de l'air ambiant pour études sur le changement climatique
- Détection de CH₄ pour fuites dans les champs de pétrole et de gaz
8. Étalonnage et entretien
8.1 Calibrage
- La plupart des capteurs NDIR sont calibré en usine
- Auto-calibration disponible dans certains modèles
- Optionnel réglage manuel de l'étendue/du gain pour la précision dans les applications critiques
8.2 Conseils d'entretien
- Conserver le chemin optique propre et sec
- Évitez l'exposition à poussière ou gaz corrosifs
- Utilisez filtres ou membranes si mesure dans des environnements sales
9. Progrès récents de la technologie NDIR
Miniaturisation
Les capteurs Micro-NDIR s'intègrent désormais dans appareils compacts comme les nœuds IoT et les instruments portables.
Sources IR basées sur MEMS
Les micro-émetteurs à faible consommation d'énergie et à chauffage rapide réduisent la consommation d'énergie.
Algorithmes de compensation intégrés
Les capteurs modernes incluent des puces intégrées correction de température et de pression.
Intégration sans fil
Les capteurs NDIR se connectent désormais via BLE, LoRa, Zigbee, et d'autres protocoles sans fil.
10. Spécifications de performance clés
| Paramètre | Plage typique |
|---|---|
| Plage de mesure | 0–2000 ppm à 0–100 % vol. |
| Précision | ±(50 ppm + 3% de la lecture) |
| Temps de réponse (T90) | <30 secondes |
| Temps de préchauffage | 30 secondes à 2 minutes |
| Température de fonctionnement | -10°C à 60°C (plages étendues disponibles) |
| Durée de vie | 5 à 15 ans |
| Sortie | Analogique (0–5 V, 4–20 mA), numérique (UART, I²C, Modbus) |
11. Comment choisir le bon capteur NDIR
Lors du choix d'un capteur NDIR, tenez compte des éléments suivants :
- Gaz cible et portée
- Exigences de précision
- Conditions environnementales
- Temps de réponse
- Type de signal de sortie
- Alimentation et taille
- Certification (UL, ATEX, RoHS)
12. Comparaison : NDIR et autres technologies de détection de gaz
| Fonctionnalité | NDIR | Électrochimique | Semi-conducteur (MOS) |
|---|---|---|---|
| Sélectivité des gaz | Haute | Moyenne | Faible |
| Stabilité à long terme | Excellent | Modérée | Mauvais |
| Consommation d'énergie | Bas (designs modernes) | Faible | Modérée à élevée |
| Prix | Moyen-élevé | Faible-moyen | Faible |
| Sensibilité à l'empoisonnement | Non | Oui | Oui |
| Temps de réponse | Modéré-rapide | Rapide | Très vite |
| Entretien | Faible | Moyenne | Haute |
13. FAQ sur les capteurs NDIR
Q1 : Les capteurs NDIR peuvent-ils détecter l'oxygène ?
Non. L'oxygène n'absorbe pas le rayonnement IR et ne peut pas être détecté avec NDIR.
Q2 : Les capteurs NDIR nécessitent-ils un étalonnage régulier ?
Pas habituellement. Beaucoup viennent avec fonctionnalités d'auto-étalonnage, mais l'étalonnage manuel améliore la précision dans les applications critiques.
Q3 : Les capteurs NDIR sont-ils antidéflagrants ?
Certains modèles sont certifiés pour ATEX ou IECEx et conviennent à environnements dangereux.
Q4 : Les capteurs NDIR peuvent-ils être utilisés dans des applications extérieures ?
Oui, mais ils doivent l'être protégé de la pluie, de la poussière et des températures extrêmes.
Q5 : Quelle est la durée de vie des capteurs NDIR ?
La durée de vie typique est 5 à 15 ans, selon l'utilisation et l'environnement.
14. Conclusion
Capteurs NDIR représentent une technologie mature, précise et fiable pour la détection gaz absorbant les infrarouges. Leur méthode de mesure sans contact, stabilité à long terme et peu d'entretien les rendent idéales pour une large gamme d'applications, de surveillance du CO₂ intérieur à détection de fuite de réfrigérant industriel.
Avec les progrès continus dans miniaturisation, sortie numérique et Intégration IoTLes capteurs NDIR continuent d’évoluer, offrant une plus grande précision, une consommation d’énergie plus faible et une plus grande facilité d’utilisation.
