Perché il rilevamento di CO₂ deve utilizzare la lunghezza d'onda di 4,26 μm? La logica alla base della lunghezza d'onda del rilevamento di gas a infrarossi

Chiunque lavori con i sensori di gas sa che il rilevamento a infrarossi è uno dei metodi più precisi e resistenti alle interferenze attualmente disponibili.

Ma chiedete loro questo: perché 4,26 μm per la CO₂, 3,3 μm per il metano, 4,67 μm per il CO? Da dove provengono queste lunghezze d'onda e si può sceglierne una diversa? La maggior parte non sa rispondere. Diranno: "È solo una prassi industriale".

Non è questione di pratica. È questione di fisica. E comprenderla è l'unico modo per leggere correttamente la scheda tecnica di un filtro per il rilevamento di gas a infrarossi ed evitare costosi errori in fase di selezione.

Ogni gas ha la sua "impronta digitale a infrarossi".

Le molecole di gas mostrano un comportamento fisico fondamentale nella banda dell'infrarosso: quando la frequenza della luce incidente corrisponde alla frequenza vibrazionale o rotazionale intrinseca della molecola, quest'ultima assorbe fortemente quella specifica frequenza. Questo fenomeno è chiamato assorbimento risonante.

Le diverse strutture molecolari presentano diverse frequenze vibrazionali intrinseche e, di conseguenza, diverse posizioni dei picchi di assorbimento nello spettro infrarosso. La CO₂ ha una forte vibrazione di flessione, con il suo picco di assorbimento centrato a 4,26 μm. Il metano (CH₄) ha il suo assorbimento di vibrazione di stiramento C–H vicino a 3,3 μm. Il CO assorbe a 4,67 μm. Queste sono caratteristiche intrinseche determinate dalla struttura molecolare e non cambiano indipendentemente dal sensore o dal filtro scelto.

Il principio fondamentale del rilevamento di gas tramite infrarossi è semplice: si fa passare una luce infrarossa di una specifica lunghezza d'onda attraverso il gas bersaglio, si misura l'attenuazione dell'intensità luminosa al picco di assorbimento e si calcola la concentrazione del gas. Questo metodo è chiamato rilevamento a infrarossi non dispersivi (NDIR). Offre elevata sensibilità, forte immunità alle interferenze incrociate, non richiede la sostituzione di materiali di consumo ed è un'eccellente stabilità a lungo termine, motivo per cui è diventato la tecnologia di rilevamento di gas più diffusa nel monitoraggio industriale e ambientale.

Quale problema risolve concretamente il filtro?

La sorgente luminosa in un sistema NDIR è tipicamente un emettitore a infrarossi a banda larga: non emette solo la lunghezza d'onda target, ma piuttosto un ampio spettro che copre l'intera banda del medio infrarosso. Senza la selezione della lunghezza d'onda all'estremità del ricevitore, il sensore capta una miscela di tutte le lunghezze d'onda e non è possibile estrarre informazioni significative sull'assorbimento del gas target.

Il ruolo di un filtro per la rilevazione di gas a infrarossi è quello di effettuare una selezione precisa della lunghezza d'onda proprio davanti al rivelatore, consentendo il passaggio solo della stretta banda centrata sul picco di assorbimento del gas target, e bloccando tutto il resto. Solo in questo modo le variazioni del segnale del rivelatore possono essere attribuite in modo univoco alle variazioni della concentrazione del gas target.

Un dettaglio viene spesso trascurato: il canale di riferimento.

Un sistema NDIR ben progettato utilizza in genere due canali. Un canale di rilevamento è allineato con il picco di assorbimento del gas bersaglio. Un secondo canale di riferimento è posizionato a una lunghezza d'onda in cui il gas bersaglio non assorbe. Calcolando il rapporto tra i due segnali, gli errori sistematici, come l'invecchiamento della sorgente, la contaminazione della finestra e la deriva termica, vengono efficacemente annullati. Ciascun canale richiede un filtro a banda stretta di precisione e la lunghezza d'onda centrale, la larghezza di banda e la coerenza della trasmittanza tra di essi determinano direttamente l'accuratezza finale della misurazione.

Tre insidie ​​nella selezione dei filtri che contano davvero

1. Tolleranza della lunghezza d'onda centrale

Il picco di assorbimento della CO₂ a 4,26 μm non è molto ampio. Se la lunghezza d'onda centrale del filtro si sposta, la luce trasmessa copre solo il bordo del picco anziché il suo massimo. Il segnale di assorbimento risultante è più debole e la sensibilità di rilevamento diminuisce. Nelle applicazioni a bassa concentrazione, come il monitoraggio della qualità dell'aria interna dove i livelli target sono compresi tra 400 e 5000 ppm, questo può rendere il sensore praticamente inutilizzabile ai valori più bassi.

I filtri per il rilevamento di gas di MULTI IR sono realizzati con una tolleranza della lunghezza d'onda centrale entro ±20 nm (per le bande del medio infrarosso) e una trasmittanza di picco superiore all'85%. Queste specifiche sono validate tramite test applicativi reali, non scelte arbitrariamente.

2. Selezione della larghezza di banda

Una larghezza di banda più stretta offre una migliore selettività in lunghezza d'onda e un maggiore rifiuto delle interferenze tra bande adiacenti. Tuttavia, se la larghezza di banda è troppo stretta, la trasmissione ottica diminuisce, riducendo il rapporto segnale/rumore nei sistemi con potenza di sorgente limitata. Per il rilevamento di un singolo gas (come la sola CO₂), una semilarghezza di banda di circa 150-200 nm è solitamente sufficiente. Per il rilevamento di più componenti o in scenari in cui i picchi di assorbimento adiacenti sono vicini, è necessaria una larghezza di banda più stretta per separare nettamente i canali.

3. Corrispondenza tra profondità di blocco e raggio di blocco

Questo aspetto è stato accennato in precedenza, ma esiste uno scenario specifico nel rilevamento dei gas che merita particolare attenzione: il vapore acqueo.

Il vapore acqueo assorbe l'intero spettro del medio infrarosso, inclusa la regione intorno al picco di CO₂ a 4,26 μm. Se il filtro non blocca sufficientemente le bande di assorbimento del vapore acqueo, le variazioni dell'umidità ambientale si ripercuoteranno sul segnale di CO₂ e causeranno letture errate. In ambienti ad alta umidità, questo aspetto deve essere verificato in fase di selezione, non rilevato durante la fase di debug del sistema.

Una domanda frequente: perché non utilizzare semplicemente un filtro a banda larga?

Qualcuno potrebbe pensare: se l'obiettivo è far passare la banda di frequenza desiderata, non sarebbe più semplice usare un filtro passa-alto o passa-basso?

Nelle applicazioni a bassa precisione, forse. Ma nel rilevamento di gas NDIR, di solito no. Il motivo è semplice: la trasmissione a banda larga permette a una maggiore quantità di radiazione di fondo di raggiungere il rivelatore, innalzando il livello di base del segnale e riducendo l'effettivo rapporto segnale/rumore. Per mantenere una sensibilità sufficiente a basse concentrazioni, un filtro a banda stretta è inevitabile.

Ecco perché i sensori di gas NDIR sono sempre progettati come sistemi ottici altamente integrati: sorgente luminosa, cella a gas, filtro e rivelatore. Ogni parametro di ciascun componente contribuisce alla precisione di rilevamento finale e ogni scelta influenza gli altri.

A prima vista, il rilevamento di gas sembra un problema di elettronica. In realtà, alla base c'è l'ottica e la fisica.

Le specifiche riportate su una scheda tecnica sono supportate da spettroscopia molecolare, ottica a film sottile e integrazione di sistema. Comprendere questi principi fondamentali impedisce di essere tratti in inganno da un singolo valore di trasmittanza di picco apparentemente attraente.

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MULTI-IR
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