Capteur infrarouge non dispersif

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Un capteur infrarouge non dispersif (ou capteur NDIR) est un simple capteur spectroscopique souvent utilisé comme détecteur de gaz. Il est dit non-dispersif dans le fait qu'aucun élément dispersif (par exemple un prisme ou un réseau de diffraction comme c'est souvent le cas dans d'autres types de spectromètres) n'est utilisé pour séparer (comme le fait un monochromateur) la lumière à large bande en un spectre étroit adapté à la détection d'un gaz. La majorité des capteurs NDIR utilisent une source de lampe à large bande et un filtre optique pour sélectionner une région spectrale à bande étroite, et qui chevauche la région d'absorption du gaz d'intérêt.

Dans ce contexte, une bande passante étroite peut être échelonnée de 50 à 300 nanomètres. Les capteurs NDIR modernes peuvent utiliser des microsystèmes électromécaniques (MEMS en anglais) ou des LED émettant dans l'infrarouge moyen, avec ou sans filtre optique.

Analyseur NDIR avec un double tube : à gauche pour la mesure du monoxyde de carbone CO, et un autre tube voisin, plus long, pour mesurer la teneur en hexane.

Principe[modifier | modifier le code]

Les principaux composants d'un capteur NDIR sont une source infrarouge (IR) (ce peut être une lampe), une chambre d'échantillonnage ou un tube lumineux, un filtre de lumière et un détecteur infrarouge. La lumière infrarouge est dirigée à travers la chambre d'échantillonnage vers le détecteur. En parallèle, il y a une autre chambre avec un gaz de référence enfermé, typiquement du diazote. Le gaz dans la chambre d'échantillonnage provoque l'absorption de longueurs d'onde spécifiques selon la loi de Beer-Lambert, et l'atténuation de ces longueurs d'onde est mesurée par le détecteur pour déterminer la concentration de gaz. Le détecteur a un filtre optique devant lui qui élimine toute la lumière, sauf la longueur d'onde que les molécules de gaz sélectionnées peuvent absorber.

Idéalement, d'autres molécules de gaz n'absorbent pas la lumière à cette longueur d'onde et n'affectent pas la quantité de lumière atteignant le détecteur, cependant une certaine sensibilité croisée est inévitable[1]. Par exemple, de nombreuses mesures dans la zone infrarouge sont sensibles à la présence de vapeur d'eau, de sorte que des gaz comme le CO2, le SO2 et le NO2 déclenchent souvent une sensibilité croisée à de faibles concentrations[réf. nécessaire][2].

Le signal IR de la source est généralement haché ou modulé de sorte que les signaux de bruit thermique peuvent être décalés du signal souhaité[3].

Les capteurs NDIR pour le dioxyde de carbone sont souvent rencontrés dans les unités de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC), pour prévenir l'hypercapnie.

Les configurations avec plusieurs filtres, soit sur des capteurs individuels, soit sur une roue tournante, permettent une mesure simultanée à plusieurs longueurs d'onde choisies.

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), une technologie plus complexe, balaye une large partie du spectre, mesurant simultanément de nombreuses espèces absorbantes.

Recherche[modifier | modifier le code]

L'un des problèmes des capteurs NDIR est leur grande taille et leur coût élevé, les rendant inadaptés aux applications embarquées, intégrées dans d'autres systèmes.

Les sources infrarouges miniatures basées sur des systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont appliquées expérimentalement aux systèmes NDIR depuis 2006 et sont employées depuis 2016.

La faible émission d'énergie thermique des microsystèmes mécaniques (MEMS) permet qu'un circuit de détection précis doit néanmoins se baser sur une amplification à verrouillage de phase[4].

D'autres détecteurs utiles comprennent le capteur de gaz photoacoustique qui utilise un microphone MEMS, pour détecter les interactions entre le gaz et le pinceau de lumière infrarouge[5].

Quelques gaz et leurs longueurs d'onde de détection[modifier | modifier le code]

Spectres d'absorption dans l'infrarouge moyen de certains gaz, et domaines de mesures usuelles par exigences de métiers[5].

Les gaz n'ont pas de longueur d'onde de détection spécifique, mais il y a plutôt des régions du spectre infrarouge où il y a généralement plusieurs milliers de raies d'absorption étroitement espacées. Consultez la base de données HITRAN pour plus d'informations.

Quelques valeurs propres aux gaz courants :

  • O2 - 0,763 μm
  • CO2 - 4,26 μm[6], 2,7 μm, environ 13 μm
  • monoxyde de carbone CO - 4,67 μm, 1,55 μm, 2,33 μm, 4,6 μm, 4,8 μm, 5,9 μm
  • monoxyde d'azote NO - 5,3 μm, le NO2 doit être réduit en NO, puis ils sont mesurés ensemble en NOx; NO absorbe également dans les ultraviolets à 195-230 nm, NO2 est mesuré à 350-450 nm[7]; dans les situations où la teneur en NO2 est connue pour être faible, elle est souvent ignorée et seul le NO est mesuré; aussi à la longueur d'onde de 1,8 μm
  • NO2 - 6.17-6.43 μm, 15,4 à 16,3 μm, 496 nm
  • N2O - 7,73 μm (NO 2 et SO 2 interfèrent)[8], 1,52 μm, 4,3 μm, 4,4 μm, environ 8 μm
  • HNO3 - 5,81 μm
  • NH3 - 2,25 μm, 3,03 μm, 5,7 μm
  • H2S - 1,57 μm, 3,72 μm, 3,83 μm
  • SO2 - 7,35 μm, 19,25 μm
  • HF - 1,27 μm, 1,33 μm
  • HCl - 3,4 μm[9]
  • HBr - 1,34 μm, 3,77 μm
  • HI - 4,39 μm
  • hydrocarbures - 3,3 à 3,5 μm, selon la vibration de la liaison simple Carbone-Hydrogène
  • CH4 - 3,33 μm, 7,91 ± 0,16 μm peut également être utilisé[10], 1,3 μm, 1,65 μm, 2,3 μm, 3,2 à 3,5 μm, environ 7,7 μm
  • C2H2 - 3,07 μm
  • C3H8 - 1,68 μm, 3,3 μm
  • CH3Cl - 3,29 μm
  • H2O - 1,94 μm, 2,9 μm (CO 2 interfère), 5,78 ± 0,18 μm peut également être utilisé pour éliminer les interférences de CO 2 1,3 μm, 1,4 μm, 1,8 μm
  • ozone O3 - 9,0 μm, également à 254 nm (domaine UV)
  • H2O2 - 7,79 μm
  • mélanges d'alcools - 9,5 ± 0,45 μm
  • formaldéhyde HCHO - 3,6 μm
  • acide formique HCOOH - 8,98 μm
  • oxysulfure de carbone COS - 4,87 μm

Applications[modifier | modifier le code]

  • Analyseur de gaz infrarouge
  • Capteur de point infrarouge

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « NDIR Gas Sensor Light Sources » [archive du ], International Light Technologies (consulté le )
  2. Title 40: Protection of Environment, PART 1065—ENGINE-TESTING PROCEDURES, Subpart D—Calibrations and Verifications, §1065.350 H2O interference verification for CO2 NDIR analyzers
  3. Jason Seitz et Chenan Tong, SNAA207 - LMP91051 NDIR CO2 Gas Detection System, Texas Instruments, (lire en ligne)
  4. Vincent et Gardner, « A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels », Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 236,‎ , p. 954–964 (DOI 10.1016/j.snb.2016.04.016, lire en ligne)
  5. a et b Daniel Popa et Florin Udrea, « Towards Integrated Mid-Infrared Gas Sensors », Sensors, vol. 19, no 9,‎ , p. 2076 (PMID 31060244, PMCID 6539445, DOI 10.3390/s19092076)
  6. Technologies, « Optical Filters Open Up New Uses for MWIR, LWIR Systems », photonics.com (consulté le )
  7. « Archived copy » [archive du ] (consulté le )
  8. Montgomery, Samuelsen et Muzio, « Continuous Infrared Analysis of N2O in Combustion Products », Journal of the Air & Waste Management Association, vol. 39, no 5,‎ , p. 721–726 (DOI 10.1080/08940630.1989.10466559, lire en ligne)
  9. (en) Ghenadii Korotcenkov, Handbook of Gas Sensor Materials : Properties, Advantages and Shortcomings for Applications Volume 1 : Conventional Approaches, New York, Springer Science & Business Media, (ISBN 978-1-4614-7165-3, lire en ligne)
  10. « Archived copy » [archive du ] (consulté le )

Liens externes[modifier | modifier le code]