Technology insights

La détection multigaz standard

Les capteurs de gaz NDIR sont constamment optimisés pour s’adapter à la détection multigaz  en permettant la mesure simultanée de plusieurs gaz dans une seule configuration. Cette capacité est particulièrement utile dans les applications industrielles et médicales. Les approches courantes sont les suivantes:

• Sources IR multiples: Les systèmes NDIR utilisent plusieurs sources de lumière infrarouge, chacune réglée sur des longueurs d'onde spécifiques associées à différents gaz cibles, par exemple le CO₂, le CO et le CH₄.
• Détecteurs IR multicanaux: Les systèmes modernes utilisent souvent des détecteurs multicanaux pouvant compter jusqu'à huit canaux (voir Insights 24/04) en utilisant différents filtres passe-bande adaptés à chaque gaz cible spécifique afin de capturer simultanément les signaux provenant de plusieurs longueurs d'onde.

Ces capteurs multigaz NDIR courants présentent plusieurs limitations en termes de performances, principalement en raison de la longueur d'absorption fixe et identique pour tous les canaux (Fig. 1). Cela s'applique en particulier aux gammes de mesure, au rapport signal sur bruit,  et aux seuils de détection du capteur multigaz.

Longueur du trajet d'absorption réglable

Cependant, chaque gaz a un coefficient d'absorption spécifique, est présent à des concentrations différentes dans un mélange gazeux et, selon l'application, différentes limites d'émission et d'exposition s'appliquent et doivent être respectées. Par conséquent, une longueur de trajet d'absorption réglable pour chaque canal spectral augmente les performances des capteurs multigaz NDIR.

Une nouvelle approche utilisant un capteur multigaz NDIR permet d'obtenir différentes longueurs de trajet d'absorption réglables dans un seul trajet optique (Fig. 2). Des détecteurs à élément unique sont utilisés, chacun étant positionné à un point de réflexion. À chaque point de réflexion, un filtre spectral transmet une bande de longueur d'onde étroite (correspondant à un gaz spécifique) au détecteur situé derrière lui, tout en réfléchissant le rayonnement à large bande restant dans le chemin optique vers le point de réflexion suivant (Fig. 3). Le système est modulaire, ce qui optimise le coût grâce à un simple réglage des longueurs de trajet et des gaz cibles. En outre, il permet l'utilisation simultanée de différents types de détecteurs IR, par exemple des détecteurs pyroélectriques, des thermopiles et même des détecteurs photoacoustiques, en fonction des besoins (plage de mesure, limite de détection, coûts, etc.).

De la tradition à l'innovation

Traditionnellement, les émetteurs infrarouges (IR) à haute température, comme les lampes à incandescence, utilisent un élément rayonnant fragile constitué d'un fil de tungstène enroulé et d'un boîtier en verre, ce qui limite l'émission optique à la gamme des infrarouges de courte longueur d'onde (SWIR) ou des infrarouges proches (NIR). Cependant, une nouvelle génération d'émetteurs thermiques IR à haute température (Fig. 1) utilisant des filaments robustes en métal et des fenêtres en saphir étend cette gamme jusqu'à une longueur d'onde de 6 microns, couvrant à la fois les spectres SWIR et l’infrarouge moyen (MWIR).

Une nouvelle génération d'émetteurs IR à haute température

Notre technologie unique et brevetée de filament à feuille métallique (voir Insights 24/02) permet d'obtenir un filament émetteur IR plat et autonome d'une grande robustesse et d'une grande efficacité. La grande surface d'émission de lumière peut être facilement adaptée à différentes tailles et géométries en utilisant des processus de fabrication MEMS standard. Une caractéristique clé pour le fonctionnement à haute température est le boîtier hermétique fourni par notre technologie SOLIDSEAL®. Outre les boîtiers en verre standard disponibles, cette technologie permet d'équiper les émetteurs IR d'une fenêtre en saphir soudée afin d'étendre l'émittance spectrale à des longueurs d'onde nettement plus élevées (figure 2). La dureté du saphir et sa résistance aux facteurs environnementaux rendent l'émetteur robuste, en particulier dans des conditions difficiles où la pression et la température ambiantes sont faibles.

Des performances inégalées pour vos projets

Dans les applications analytiques traditionnelles, telles que la spectroscopie infrarouge, où l'imagerie optique de la surface émettrice de lumière est nécessaire, le filament à feuille métallique offre une position stable et reproductible du filament, élimine la nécessité d'un positionnement fastidieux de la lampe et fournit un point chaud d'une puissance de sortie optique élevée pour garantir des mesures fiables et très précises. Les performances exceptionnelles de cette nouvelle classe d'émetteurs IR ouvrent de nouvelles possibilités dans des applications non analytiques, telles que l'amélioration de l'imagerie et du guidage infrarouge, la vaporisation sans contact de liquides (Fig. 3) ou même un briquet de poche sans contact avec mise au point optique (Fig. 1). .

Découvrez dès aujourd'hui l'avenir de la technologie infrarouge !

A common way to measure gas concentrations

Non-dispersive infrared (NDIR) gas analysis (Fig. 1) is a widely used technique for detecting and quantifying gas concentrations in various industrial, environmental, and medical applications. However, NDIR gas sensors have faced limitations in sensitivity and accuracy, particularly when measuring low gas concentrations. These limitations are primarily due to the performance constraints of the infrared (IR) source and detector components. Conventional infrared sources, such as wire filament and Si-MEMS emitters, have limited optical output power and signal stability, resulting in lower signal-to-noise ratios and reduced measurement sensitivity. 

High-performance IR emitters

INFRASOLID has developed the HISpower series, a range of high-performance thermal infrared emitters in a standard industrial TO-8 housing specifically designed for highly accurate NDIR gas analysis. To demonstrate the unmatched performance an NDIR demonstrator has been built (Fig. 2), that utilizes INFRASOLID’s HIS2000R-CWC300 IR emitter and the world's first eight-channel pyroelectric detector, the InfraTec LRM-278. The IR source’s exceptionally high radiation power generates high detector signals and, therefore, eliminates the need for additional signal amplification (Fig. 3). This allows the analog detector signals to be converted directly into a digital signal for further signal processing. Electronics and signal processing are reduced to a minimum, thus eliminating further sources of noise and reducing manufacturing costs. The wide wavelength range from (2…20) µm enables its use in a broad range of industrial, environmental, and medical applications. 

Pushing the limits of NDIR gas analysis

High-performance IR components play a crucial role in NDIR gas analysis. With an optimized combination of IR source and IR detector the boundaries of NDIR gas analysis can be pushed. In this way, applications that require the measurement of lowest gas concentrations, such as emission monitoring and leakage detection, can meet new legal regulations. 

La barre à incandescence (Globar) en carbure de silicium

Une « globar» en carbure de silicium (SiC) est la source de lumière infrarouge (IR) la plus couramment utilisée dans les appareils de mesure pour la spectroscopie IR. Elle se caractérise par une émissivité élevée et fonctionne à des températures élevées allant généralement de 1 200 K à 1 600 K, ce qui se traduit par une puissance optique élevé dans les domaines de l'IR moyen et de l'IR lointain. Toutefois, ces sources IR à base de céramique ne sont pas des émetteurs idéaux comme le corps noir, en particulier dans les domaines de l'IR lointain et du térahertz (THz) dont  les longueurs d'ondes sont supérieures à 10 µm (Fig. 1).

Rayonnement du corps noir

Le rendement optique élevé d'un émetteur infrarouge est obtenu par la combinaison d'une émissivité élevée, d'une grande surface d'émission et d'une température élevée, comme l'indique la loi de Stefan-Boltzmann. Toutefois, il est important de noter que, selon la loi de Planck sur le rayonnement et la loi de déplacement de Wien, une augmentation de la température de fonctionnement entraîne un déplacement de l'intensité maximale du rayonnement du corps noir vers des longueurs d'onde plus courtes, avec un faible impact sur l'augmentation du rendement optique à des longueurs d'onde plus grandes. Par conséquent, pour obtenir des performances optimales dans la gamme des IR lointains et des térahertz (THz), il est extrêmement important de maximiser l'émissivité et de garantir une zone de rayonnement substancielle.

Céramique Al2O3 avec revêtement noir

Afin d'augmenter l'émissivité des céramiques dans les domaines de l'IR lointain et du THz, un nouveau revêtement noir a été mis au point. Il peut être appliqué sur les deux faces d'une céramique comme l'Al2O3 (Fig. 2) et présente une émissivité proche de celle d'un corps noir (voir Fig. 1). Des températures de fonctionnement de 1200 K et plus sont possibles avec ce revêtement noir et conduiront à des signaux plus élevés par rapport à un globar SiC standard (Fig. 3). En outre, l'émissivité plus élevée permet de réduire la température de fonctionnement, ce qui présente plusieurs avantages.

Avantages de la spectroscopie FT-IR

Dans les instruments de mesure tels que les spectromètres FT-IR, une température de fonctionnement plus basse de l'émetteur IR présente de nombreux avantages : dérive de température plus faible, stabilité et durée de vie plus élevées, mesures plus rapides, peu ou pas de risque d'incendie, pas de chauffage de l'échantillon pour les applications biologiques et bien d'autres encore.

Les ampoules au tungstène - la norme à large bande

La lampe au tungstène (halogène) est couramment utilisée comme source lumineuse pour la spectroscopie d'absorption dans le proche infrarouge en raison de son large spectre de rayonnement (Fig. 1). Elle est également utilisée dans les applications de détection de gaz à fort volume, telles que la mesure du CO2 et des hydrocarbures. Cependant, le filament fragile et fin ne répond pas à toutes les exigences d'une source lumineuse idéale. Pour garantir des mesures fiables et très précises, il est essentiel que la position du filament soit stable et reproductible. La réalisation de cette stabilité implique une fabrication complexe et de haute précision des ampoules. Les chocs et les vibrations peuvent également provoquer un scintillement de l'intensité de la lampe et limiter la précision des mesures. Dans les applications pratiques, le positionnement correct de la lampe à incandescence nécessite souvent des efforts considérables.

Amélioration du filament

Les propriétés photométriques du filament sont largement déterminées par sa géométrie. La source de lumière préférée est un filament plat avec une surface d'émission de lumière carrée. La majeure partie de la lumière émise rayonne perpendiculairement à la surface plate du filament, s'alignant sur l'optique de collimation pour une efficacité maximale. La technologie unique de l'émetteur d'INFRASOLID permet d'obtenir des filaments à feuilles métalliques autonomes, constitués d'un métal monolithique à point de fusion élevé, en émettant un large spectre de lumière dans le proche infrarouge et l'infrarouge moyen (Fig. 2). Contrairement au filament de tungstène qui peut se déplacer dans toutes les directions de l'espace en cas de vibrations et de chocs, le filament à feuille métallique ne subit qu'un mouvement très limité le long d'un axe, comme une feuille de papier serrée mécaniquement. Il en résulte une plus grande stabilité mécanique et optique qui permet des mesures plus précises dans des environnements difficiles et avec des appareils portatifs. Il n'est pas non plus nécessaire de positionner la lampe ce qui permet de gagner du temps au montage.

Personnalisation

Les filaments en feuille métallique peuvent être fabriqués en différentes tailles et géométries pour s'adapter facilement aux applications spécifiques des clients. La plus grande surface du filament à feuille métallique permet d'obtenir un rendement optique plus élevé (voir la figure 1). Étant donné que la disponibilité des DEL à émission large dans la gamme spectrale de l'infrarouge proche et moyen est très limitée, les émetteurs thermiques comme l'ampoule électrique continueront à être la source de lumière standard pour les applications de spectroscopie d'absorption.

Émetteurs infrarouges en boîtier SMD

SMD est l'abréviation de Surface Mount Device (dispositif de montage en surface) et désigne les composants électroniques qui sont montés directement sur la surface des cartes de circuits imprimés (PCB). Ces boîtiers sont conçus pour être plus petits et plus efficaces que les boîtiers traditionnels à trous traversants, qui restent la norme pour les composants optiques infrarouges (IR). Cependant, les boîtiers CMS sont le choix dominant dans la fabrication électronique moderne en raison de leurs avantages en termes de taille, de coût, de performance et de facilité d'automatisation de l’assemblage. La technologie unique et brevetée des émetteurs infrarouges d'INFRASOLID permet la fabrication d'émetteurs thermiques IR très efficaces et miniaturisés dans différents boîtiers SMD. Comme le montre la figure 1, le haut degré de miniaturisation permet une disposition compacte des matrices d'émetteurs IR avec des éléments contrôlables individuellement. Les émetteurs IR en boîtier SMD présentent un spectre de rayonnement à large bande et peuvent être équipés de différentes fenêtres de filtrage permettant d'émettre différentes longueurs d'onde, c'est-à-dire d'afficher différentes couleurs.

Automatisation et applications à haut volume

La technologie SMD accroît l'efficacité et l'automatisation de l'assemblage des circuits imprimés, ce qui se traduit par des rendements de production plus élevés, moins d'erreurs, moins de déchets et une réduction des coûts. Les composants SMD sont généralement plus résistants aux chocs physiques et aux vibrations en raison de leur petite taille et de leur plus grande surface de contact avec le circuit imprimé. La petite taille permet une plus grande densité de composants sur une carte de circuit imprimé, ce qui se traduit par des appareils électroniques plus petits et plus compacts. Les émetteurs infrarouges en boîtier CMS ouvriront donc la voie à des applications entièrement nouvelles, comme les appareils portatifs et sans fil pour la détection des gaz, l'analyse des matériaux et la télédétection.

Applications de télédétection

Un réseau d'émetteurs IR CMS, composé par exemple de 3x3 éléments, peut générer différents caractères IR, comme le montre la figure 2, pour la communication et l'identification dans les applications de télédétection, ainsi que pour l'alignement précis des systèmes optiques. Il permet également une détection dans des conditions visuelles difficiles, dans des environnements hostiles et sur de longues distances. Jetez les dés de l'infrarouge et demandez nos émetteurs SMD IR pour vos futures applications !