NDIRセンサー（非分散型赤外線）：原理、設計、用途、利点
1. NDIRセンサーの紹介
NDIRまたは 非分散赤外線は、特定の波長における赤外線（IR）の吸収を測定することで特定のガスを検出するガスセンサー技術の一種です。例えば、 CO₂、CH₄、CO、冷媒、炭化水素、その他のIR活性ガス.
NDIRセンサーは、 精度、安定性、長寿命、低メンテナンス 要件を満たすため、 室内空気質、産業安全、環境モニタリング, 空調システム.
2. NDIRセンサーの動作原理
NDIRセンサーは、 赤外吸収分光法ほとんどのガスは、分子構造に固有の特定の波長の赤外線を吸収します。吸収される赤外線の量を測定することで、対象ガスの濃度を測定することができます。
2.1 NDIRセンサーのコンポーネント
-
赤外光源
- 通常、 熱放射体 (例: タングステンフィラメント) 広範囲の赤外線スペクトルを放射します。
-
光学経路（サンプルチャンバー）
- 測定対象のガスは、IR 光が通過するチャンバーを通過します。
-
光学フィルター
- 対象ガスが吸収する特定の波長（例：CO₂の場合は4.26µm）にIR光をフィルタリングします。
-
赤外線検出器
- ガスを通過して到達する赤外線の強度を測定します。
-
参照チャンネル（オプション）
- どのガスにも吸収されない波長の IR 光を検出し、基準として機能します。
-
シグナルプロセッサ
- 光吸収をガス濃度を表すデジタル信号に変換します。
2.2 ビール・ランバートの法則
測定原理は数学的に次のように説明される。 ビール・ランバートの法則:
どこ：
- A = 吸光度
- 私₀ = ガスに入る光の強度
- I = ガスから放出される光の強度
- ε = モル吸光係数（ガスと波長ごとに定数）
- c = ガスの濃度
- l = ガスを通過する光の経路長
3. NDIRセンサーで検出可能なガス
NDIRセンサーは、 赤外線吸収帯、のような：
| ガス | 典型的な赤外線吸収波長（µm） |
|---|---|
| CO₂（二酸化炭素） | 4.26 |
| CO（一酸化炭素） | 4.67 |
| CH₄（メタン） | 3.31 |
| R-32 | 〜3.4 |
| R-290（プロパン） | 〜3.4 |
| 炭化水素 | 3.3 – 3.5 |
| SF₆ | 10.5 |
ガスのような 酸素と窒素赤外線を吸収しない NDIRでは検出できない.
NDIR CO2センサー
NDIR CH4センサー
NDIR冷媒センサー
NDIR SF6センサー
4. NDIRセンサーの利点
高い選択性
特定の波長の赤外線のみを吸収し、交差感度を最小限に抑えます。
長期安定性
化学反応は起こらないため、安定した性能が保証されます。 5〜15年.
低メンテナンス
多くのモデルでは消耗品や頻繁な校正は必要ありません。
高速応答時間
典型的な応答時間は次のとおりです。 CO₂や類似ガス用。
広い測定範囲
検出可能 ppm（百万分の一）からパーセントレベルまで.
中毒に鈍感
電気化学センサーとは異なり、NDIRは 化学中毒の影響を受けない.
5. NDIRセンサーの限界
IR活性ガスに限定
次のようなガスは検出できません O₂、H₂、または希ガス.
温度と湿度の影響を受ける
必要な場合があります 温度と湿度の補正 ある場合には。
光学的汚染
光路内のほこりや結露は測定精度に影響を与える可能性があります。
初期費用が高い
通常、電気化学センサーや MOS センサーよりも高価です。
6. NDIRセンサー設計の種類
6.1 シングルビームNDIRとデュアルビームNDIR
| タイプ | 説明 | 利点 |
|---|---|---|
| シングルビーム | 1つのIR光源と1つの検出器 | Cost Effective |
| デュアルビーム | 参照チャンネルを追加します | 時間の経過とともにより安定 |
6.2 分散型と非分散型
分散型 IR センサーはプリズムまたは格子を使用しますが、NDIR (非分散型) は光学フィルターを使用するため、NDIR はよりシンプルでコンパクトになります。
7. NDIRセンサーの用途
7.1 室内空気質モニタリング
- CO₂モニタリング 学校、オフィス、家庭
- で使われる 空調システム 需要制御換気用
7.2 冷媒漏れ検出
7.3 自動車と輸送
- キャビンCO₂センサー 快適さと安全性
- 監視 排ガス 排出ガス試験において
7.4 産業安全
- 監視 COとCH₄ 工場、鉱山、限られた空間
7.5 温室と農業
- CO₂制御 温室 植物の成長のために
- 発酵や家畜からのメタンを検出
7.6 環境モニタリング
- 大気中のCO₂ 気候変動研究
- CH₄検出用 石油・ガス田の漏洩
8. 校正とメンテナンス
8.1キャリブレーション
- ほとんどのNDIRセンサーは 工場出荷時校正済み
- 自動キャリブレーション 一部のモデルで利用可能
- オプション 手動スパン/ゲイン調整 重要なアプリケーションにおける精度
8.2メンテナンスのヒント
- 光路を維持する 清潔で乾燥
- 接触を避ける 粉塵や腐食性ガス
- フィルターまたは膜 汚れた環境で測定する場合
9. NDIR技術の最近の進歩
小型化
マイクロNDIRセンサーは、 コンパクトデバイス IoTノードやウェアラブル機器など。
MEMSベースのIR光源
低電力で急速加熱するマイクロエミッターにより、エネルギー消費を削減します。
統合補償アルゴリズム
現代のセンサーにはオンチップ 温度と圧力の補正.
ワイヤレス統合
NDIRセンサーは、 BLE、LoRa、ジグビー、およびその他のワイヤレス プロトコル。
10. 主な性能仕様
| 代表的な範囲 | |
|---|---|
| 測定範囲 | 0～2000 ppmから0～100% vol |
| 精度 | ±(50 ppm + 読み取り値の3%) |
| 応答時間（T90） | <30秒 |
| ウォームアップタイム | 30秒から2分 |
| 使用温度 | -10°C ～ 60°C (拡張範囲も利用可能) |
| 永続ライセンス | 5年間から15年間 |
| 出力 | アナログ（0～5V、4～20mA）、デジタル（UART、I²C、Modbus） |
11. 適切なNDIRセンサーの選び方
NDIR センサーを選択するときは、次の点を考慮してください。
- ターゲットガスと範囲
- 精度要件
- 環境条件
- 反応時間
- 出力信号タイプ
- 電源とサイズ
- 認証（UL、ATEX、RoHS）
12. 比較：NDIRと他のガス検知技術
| 機能 | NDIR | 電気化学 | 半導体（MOS） |
|---|---|---|---|
| ガス選択性 | ハイ | M | ロー |
| 長期安定性 | 素晴らしい | 穏健派 | 最低 |
| 消費電力 | ロー（モダンデザイン） | ロー | 中～高 |
| 費用 | 中～高 | 低～中 | ロー |
| 中毒に対する感受性 | いいえ | Yes | Yes |
| 反応時間 | 中速～高速 | 尊大 | とても早い |
| メンテナンス | ロー | M | ハイ |
13. NDIRセンサーに関するよくある質問
Q1: NDIR センサーは酸素を検出できますか?
いいえ。酸素は赤外線を吸収しないので、 検出できません NDIR 付き。
Q2: NDIR センサーは定期的な校正が必要ですか?
通常はそうではありません。多くの場合、 自動キャリブレーション機能ただし、重要なアプリケーションでは手動キャリブレーションによって精度が向上します。
Q3: NDIR センサーは防爆型ですか?
一部のモデルは認定を受けています ATEXまたはIECEx に適しています 危険な環境.
Q4: NDIR センサーは屋外アプリケーションで使用できますか?
はい、でもそうでなければなりません 雨、ほこり、極端な温度から保護されています.
Q5: NDIR センサーの寿命はどのくらいですか?
典型的な寿命は 5〜15年用途や環境によって異なります。
14. 結論
NDIRセンサー 成熟した、正確で信頼できる検出技術である。 赤外線吸収ガス。 彼らの 非接触測定法, 長期的な安定性, 低メンテナンス 幅広い用途に最適です。 屋内CO₂モニタリング 〜へ 産業用冷媒漏れ検出.
継続的な進歩により、 小型化, デジタル出力, IoT統合NDIR センサーは進化を続け、より高い精度、より低い消費電力、より幅広い用途を実現します。
