Technology insights

標準複数ガス検知

NDIRガスセンサは、複数のガス検知への応用がますます増えており、単一のセットアップで複数のガスを同時に測定することが可能です。この機能は、特に産業および医療用途で有用です。一般的な試みは以下のとおりです:

• 複数の赤外線光源: NDIRシステムは複数の赤外線光源を利用し、各光源はCO₂, CO や _CH4 などの異なるターゲットガスに関連付けられた特定の波長に調整されています。
• 複数チャネルの赤外線検出器: 現在のシステムでは、多くの場合、最大8つのチャネルを備えた多チャネル検出器を採用しています。 (Insights 24/04を参照) 特定の対象ガスに合わせてそれぞれ異なるバンドパスフィルターを使用することで、複数の波長からの信号を同時に捕捉します。

般的なNDIRマルチガスセンサは、主に全チャンネルの吸収経路長が一定かつ等しいため、性能にいくつかの制約があります（図1）。これは特に、マルチガスセンサのダイナミックレンジ、測定範囲、そして検出限界に当てはまります。

調整可能な吸収経路長

しかしながら、各ガスは固有の吸収係数を持ち、混合ガス中の濃度も異なります。また、用途に応じて異なる排出限界値および曝露限界値が適用され、遵守する必要があります。そのため、各スペクトルチャンネルの吸収経路長を調整することで、NDIRマルチガスセンサーの性能が向上します。

革新的なNDIRマルチガスセンサーアプローチにより、単一の光路で異なる吸収経路長を調整できます（図2）。単一要素検出器を使用し、それぞれを反射点に配置します。各反射点では、スペクトルフィルターが（特定のガスに応じて）狭い波長帯域をその背後に配置された検出器に透過させ、残りの広帯域放射を次の反射点に向かう光路に反射します（図3）。このシステムはモジュール式で、経路長と対象ガスの調整が簡単で、非常にコスト効率に優れています。さらに、ニーズ（測定範囲、検出限界、コストなど）に応じて、焦電型、サーモパイル型、さらには光音響型など、異なるタイプのIR検出器を同時に使用できます。

伝統から革新へ

従来、白熱電球のような高温赤外線(IR)放出源は、コイル状のタングステン線で作られた壊れやすい放射素子とガラス製のハウジングを使用しており、光放射は短波長赤外線(SWIR) または近赤外線(NIR)の範囲に限定されていました。しかし、堅牢な金属シートフィラメントとサファイアウィンドウを使用した新世代の高温熱IR放出源(図 1) は、この範囲を波長6ミクロンまで拡張し、SWIRと中波長赤外線(MWIR) の両方のスペクトルをカバーしています。

新世代の高温赤外線IR放出源

当社独自の特許取得済み金属フィラメント技術 (Insights 24/02参照) は、高い堅牢性と高率性を備えたフラットで自立型のIR放出源フィラメントを実現します。大きな発光面は、標準的なMEMS製造プロセスを用いて、さまざまなサイズや形状に容易にカスタマイズできます。高温動作における重要な特徴は、当社の SOLIDSEAL® 技術による機密ハウジングです。これにより、標準的なガラスパッケージに加えて、はんだ付けされたサファイアウィンドウをIR放出源に装着することで、スペクトル放射をはるかに高い波長まで拡張することが可能になります(図 2)。サファイアの硬度と環境耐性により、特に低気圧。低温度といった過酷な環境下でも、放出源は堅牢です。

プロジェクトに比類ないパーフォマンスをもたらします

赤外線分光法など、発光面の光学画像化が必要な従来の分析アプリケーションでは、金属シートフィラメントにより、安定した再現性のあるフィラメント位置が得られ、時間のかかるランプ位置決めが不要になり、高光出力のホットスポットが提供されるため、信頼性が高く高精度な測定が保証されます。

この新しいクラスのIR放出源の優れた性能により、強化されたイメージングや赤外線追跡、液体の非接触蒸発(図 3)、さらには適切な光学焦点を備えた非接触型ポケットライター(図 1)など、非分析アプリケーションにおける新たな可能性が生まれます。

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ガス濃度を測定する一般的な方法

No非分散型赤外線(NDIR)ガス分析(図1)は、さまざまな産業、環境、医療用途でガス濃度を検出および定量化するために広く使用されている技術です。しかしNDIRガスセンサは特に低ガス濃度を測定する場合、感度と精度の限界に直面しています。これらの限界は主に、赤外線(IR)光源と検出コンポーネントの性能上の制約によるものです。ワイヤフィラメントやSi-MEMSエミッタなどの従来の赤外線源は、光出力と信号の安定性に制限があり、その結果、信号対雑音比が低下し、測定感度が低下します。

高性能 IR エミッタ

INFRASOLID は、標準的な工業用TO-8ハウジングに収められた一連の高性能熱赤外線エミッタである HISpower シリーズを開発し、特に高精度のNDIR ガス分析用に設計されました。比類のない性能を実証するために、 INFRASOLIDのHIS2000R-CWC300 IR エミッタと世界初の８チャンネル焦伝検出器であるInfraTec LRM-278 を利用したNDIR デモンストレータが構築されました(図２)。 IR 源の非常に高い放射出力により、高い検出信号が生成され、追加の信号増幅が不要になります(図３) 。これにより、アナログ検出器信号をデジタル信号に直接変換して、さらなる信号処理を行うことができます。電子機器と信号処理が最小限に抑えられるため、さらなるノイズ源が排除され、製造コストが削減されます。 (2…20) µm の広い波長範囲により、幅広い産業、環境、医療用途での使用が可能になります。

NDIRガス分析の限界を限界まで押し上げる

高性能 IR コンポーネントは、 NDIR ガス分析において重要な役割を果たします。 IR 源とIR 検出器の最適化された組み合わせにより、 NDIR ガス分析の限界を押し広げることができます。このようにして、排出ガス監視や環境センシングなど、最低ガス濃度の測定を必要とするアプリケーションは、新しい法的規制を満たすことができます。

炭化ケイ素(SiC) グローバー

炭化ケイ素(SiC)グローバーは、IR 分光法の測定装 置で最も一般的に使用されている赤外線(IR)光源です。 高い放射率を特徴としており、通常1200K～1600Kの範 囲の高温で動作するため、中赤外範囲および遠赤外範 囲で高い光出力信号が得られます。ただし、これらの セラミックベースの赤外線源は、特に波長は10μｍを 超える遠赤外線およびテラヘルツ(THz)範囲では物理 的な黒体放射体均はありません(図1)。

黒体放射

赤外線エミッタの高い光出力は、ステファン・ポルツ マンの法則で概説されているように、高放射率、広い 発光面積、および高温の組み合わせによって達成され ます。ただし、プランクの放射の法則とウィーンの変 位の法則によれば、動作温度が上昇すると、黒体放射 のピーク強度がよろ短い波長にシフトし、より長い波 長での光出力の増加にはあまり影響を与えないことに 注意することが重要です波長。したがって、遠赤外お よびテラヘルツ(THz)範囲で最適なパフォーマンスを 達成するには、放射率を最大化し、十分な放射面積を 確保することが最も重要です。

黒色コーティングされたAl2O3 セラミック

遠赤外およびテラヘルツ範囲におけるセラミックの放 射率を高めるために、新しい黒色コーティングが開発 されました。Al2O3 のようなセラミックの両面に適用 でき(図2)、黒体の放射率に近い放射率を特徴としま す(図1を参照)。この黒体コーティングでは1200K以上 の動作温度が実現可能であり、標準のSiCグローバー と比較してより高い信号が得られます(図3)。さらに、 放射率が高いため、動作温度を下げることが出来、い くつかの利点が伴います。

FT-IR 分光法の利点

FT-IR 分光計のような測定機器では、IR エミッター の動作温度が低いと多くの利点があります。温度ドリ フトが低く、安定性と寿命が高く、測定が速く、火災 の危険がほとんどまたはまったくなく、生物学的用途 に関連したサンプルの過熱が不要です。もっとたくさ ん。

タングステン電球–ブロードバンド標準

タングステン(ハロゲン) ランプは放射スペクトルが 広いため、近赤外波長範囲の吸収分光法の光源として よく使用されます(図1)。CO2や炭化水素の測定など、 大量のガス検知アプリケーションにも使用されますし かし、壊れやすく細いワイヤフィラメントは、理想的 な光源の要件を満たしているわけでありません。信頼 性の高い高精度の測定をほしょうするには、安定した 再現可能なフィラメント位置が重要です。この安定性 をを実現するためには複雑かつ高精度の電球の製造が 必要です。衝撃や振動によってもランプの強度がちら つき、測定の精度制限される可能性があります。実際 の用途では、白熱灯を正しく配置するには時間がかか る作業が必要なることがよくあります。

フィラメントの改良

フィラメントの測光特性は主にその形状によって決ま ります。好ましい光源は、正方形の発光面を備えた平 らなフィラメントです。放出された光のほとんどは フィラメントの平らな表面から垂直に放射し、集光光 学系と位置合わせして効率を最大化します。 INFRASOLIDの独自のエミッター技術は、近赤外線およ び中赤外線範囲の広範なスペクトルの光を放射するこ とにより、モノリシック高融点金属で作られた自立型 金属シートフィラメントを提供します(図2)。振動や 衝撃の際にあらゆる空間方向に動くことのできるタン グステンワイヤフィラメントと異なり、金属フィラメ ントは、クランプされた紙と同様に、一つの軸に沿っ た非常に限られた動きしか経験しません。これにより、 機械的および光学的安定性が向上し、過酷な環境や手 持ちデバイスでのより正確な測定が可能になります。 また、時間のかかるランプの位置決めも不要になりま す。

カスタマイズ

金属シートフィラメントは、顧客固有の用途に簡単に 適応できるように、さまざまなサイズや形状で製造で きます。金属シートフィラメントの面積が大きいほど、 光出力が高くなります(図1を参照)。近赤外スペクト ル範囲および中赤外スペクトル範囲均広帯域発光LED を利用できるのは非常に限られているため、電球のよ うな熱放射体は今後も吸収分光アプリケーションの標 準光源であり続けるでしょう。

SMDパッケージの赤外線放出器

SMDは Surface Mount Deviceの略でプリント基板の表 面に直接実装可能な電子部品を指します。これらの パッケージは現在でも赤外線(IR)光学コンポーネント の標準となっている従来のスルホールパッケージより も小型で効率になるように設計されています。ただし SMDパッケージはサイズ、コスト、性能および組み 立ての自動化の容易さの点で利点があるため、現在の エレクトロニクス製造では主に選択されています。 INFRASOLIDの独自の特許技術により、さまざまなSMD パッケージで高効率かつ小型の熱赤外線放出器が製造 できます。図1に示すように、高度の小型化により個 別に制御可能な素子を備えた赤外線放出マトリックス のコンパクトな配置が可能になります。SMDパッケー ジの赤外線放出器は広帯域放射スペクトルを備えてお り、さまざまな波長を放射できる。つまり様々な色を 表示できます。

自動化と大量生産アプリケーション

SMDテクノロジーはPCBアッセンブリの効率と自動化 を高め、生産率の向上、エラーの減少、無駄の削減に つながります。SMDコンポーネントはサイズが小さ く、PCBと接触する表面積が大きいため、物理的な衝 撃や振動に対してより堅牢になる傾向があります。サ イズは小さいため、PCB上のコンポーネントの高密度 化が可能になり、電子デバイスの小型化、コンパクト 化につながります。したがって、SMDパッケージの 赤外線放出器は、ガスセンシング、材料分析、リモー トセンシング用のハンドヘルド、ポータブル、ワイヤ レスデバイスなど、まったく新しいアプリケーション への道を開くことになります。

リモートセンシングアプリケーション

SMD赤外線放出アレー、例として3x3素子を使用する と、図2に示すように、リモートセンシングアプリ ケーションでの通信と識別、および光学システムの正 確な位置合わせのために、さまざまな赤外線キャラク タを生成できます。また、困難な視覚条件、過酷な環 境、長距離での検出も可能になりますs,

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