Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 40 – vyšlo 13. listopadu, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

40/2015

Infračervená absorpční spektroskopie a detekce plynů

Jakub Jirsa

Detektory využívající infračervenou spektroskopii umožňují nasazení tam, kde to dosud nebylo z důvodu rozměrů a ceny možné. Dnes jsme již schopni veškerá zařízení integrovat do miniaturních rozměrů. Hlavní výhoda spektroskopických přístrojů pro měření koncentrace plynů spočívá v tom, že na rozdíl od elektrochemických přístrojů, které se v tuto chvíli hojně využívají, spektroskopické přístroje s časem nedegradují. Proto se mnoho firem rozhodlo zabývat se vývojem detektorů plynů pracujících na principu infračervené absorpční spektroskopieInfračervená spektroskopie – metoda, pomocí které se určuje z absorpčních čar přítomnost určitých molekul v plynech a v kapalinách. Zpravidla se využívají rotační a vibrační přechody víceatomových molekul, které se většinou nacházejí v infračervené oblasti spektra..

Infračervená absorpční spektroskopie využívá interakci elektromagnetického záření s látkou. Prochází-li infračervený paprsek plynem, mohou být molekuly plynu excitovány a energie paprsku absorbována, což má za následek pokles intenzity procházejícího záření na určité vlnové délce. Z tohoto poklesu můžeme při znalosti délky optické dráhy dopočítat koncentraci plynu.

Vlnové délky vibračních stavů CO₂. Zdroj: UIUC.

Infračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech. Infračervená spektroskopie – metoda, pomocí které se určuje z absorpčních čar přítomnost určitých molekul v plynech a v kapalinách. Zpravidla se využívají rotační a vibrační přechody víceatomových molekul, které se většinou nacházejí v infračervené oblasti spektra. Spektrální čáry – ostře ohraničené linie ve spektru, které vznikly emisí fotonu v daném prostředí (světlé, tzv. emisní čáry) nebo absorpcí fotonu (tmavé, tzv. Fraunhoferovy čáry).

Měřicí řetězec infračervených detektorů plynů

Detektory plynů se skládají z infračerveného zdroje, optické cesty a infračerveného senzoru. Snahou výrobců je integrovat všechny tyto komponenty spolu s vyhodnocovacími obvody do malého pouzdra. Takové přístroje je pak možné používat pro rychlé měření aktuálních koncentrací některých plynů v různých přenosných zařízeních, v klimatizacích, rafineriích, kotelnách a podobně.

Průřez detektorem plynů. Zdroj: InfraTec GmbH.

Infračervené zdroje

Jako zdroje infračerveného záření se nejčastěji používají zdroje tepelné nebo polovodičové. Tepelné záření vzniká v důsledku tepelného pohybu částic, z nichž se těleso zdroje skládá. Víme, že s rostoucí teplotou stoupá celkové množství tělesem vyzářené energie a záření se přesouvá do oboru kratších vlnových délek (roste frekvence záření). Každá látka emituje elektromagnetické záření, jehož vlastnosti závisí na daném materiálu a jeho teplotě.

U polovodičových infračervených zdrojů je záření emitováno na základě kvantových jevů. Elektrony přecházejí z vyšší energetické hladiny na nižší, čímž vyzáří energii, která odpovídá energetickému rozdílu hladin, mezi kterými elektron přeskočí.

Infračervené senzory

Pro detekci infračerveného záření se nejčastěji používají senzory termoelektrické nebo pyroelektrické. Termoelektrické senzory fungují na principu Seebeckova jevu. Jsou-li dva vodiče z různých materiálů spojeny do elektrického obvodu a mají-li tyto vodiče rozdílnou teplotu, vznikne termoelektrické napětí, které můžeme měřit.

Pyroelektrický jev generuje náboj vlivem tepelného toku. Působením záření na pyroelektrický materiál (přesněji změnou jeho teploty) dochází k polarizaci a na povrchu pyroelektrika se indukuje náboj, který jsme schopni detekovat. Pyroelektrické senzory mají velký frekvenční rozsah a plochou absorpční charakteristiku. Právě pro tyto vlastnosti se často využívají.

Na obrázku vlevo jsou infračervené zdroje a na obrázku vpravo jsou
vícekanálové senzory. Zdroj: InfraTec GmbH.

Optická cesta

Optická cesta je cesta paprsku mezi zdrojem a senzorem. Nejčastěji se skládá z okének, měrné kyvety a filtru. Okénka mají za úkol oddělit prostor naplněný plynem od aktivní plochy zdroje a detektoru, a mají tak zamezit případnému poškození aktivních materiálů. Filtr vymezuje část spektra v rozsahu vlnových délek, při kterých měření provádíme. Kyveta je prostor, kterým proudí plyn a zároveň jím prochází záření. V kyvetě tedy dochází k absorpci záření molekulami měřeného plynu.

Komerčně dostupné detektory

Alphasense

Se zajímavým řešení infračervené detekce oxidu uhličitého a uhlovodíků přišla firma Alphasense. Výrobci se podařilo integrovat měřicí řetězec spolu s vyhodnocovacími obvody do pouzdra, jehož průměr je 20 mm. Přestože je zařízení velice malé a optická cesta má délku pouze 30,4 mm, na přesné vyhodnocení koncentrací plynů to stačí. Výrobce nabízí několik variant detektorů s měřicím rozsahem od 0 do 100 %.

Nalevo:  Schéma měřicího řetězce detektoru plynů.  Zdroj: Mipex Technology.
Napravo: Infračervené detektory oxidu uhličitého a metanu. Zdroj: Alphasense.

CO2 Meter, Inc

Společnost CO2 Meter nabízí několik druhů detektorů oxidu uhličitého, které jsou schopné detekovat různé koncentrace CO₂ od několika procent do několika desítek procent. Moduly jsou vybavené elektronikou pro digitální komunikaci, díky čemuž je k naměřeným datům snadný přístup. Zajímavé u těchto detektorů je, že využívají kyvet s mnohonásobným odrazem, čímž se několikanásobně prodlouží optická cesta a zpřesní měření.

Detektor oxidu uhličitého společnosti CO2 Meter. Zdroj: CO2 Meter.

Závěr

Detektory plynů bývaly v minulosti velmi objemná a relativně drahá zařízení. Postupující miniaturizace ale zcela změnila situaci. V současnosti se stále častěji využívají miniaturizované detektory nové generace. Kvalitní detektor plynů se vejde na čip o velikosti několika centimetrů nebo je umístěn v malém pouzdře. Využití infračervené spektroskopie umožňuje jednoznačnou detekci plynů podle jejich nezaměnitelného podpisu – absorpčních čar způsobených přeskoky mezi různými rotačními a vibračními stavy. Díky nové konstrukci detektorů lze provádět měření v malých prostorách, umísťovat měřicí techniku přímo v zařízeních produkujících nežádoucí plyny a nebo provádět měření emisí z létajících dronů. Dříve neuskutečnitelná měření se dnes stávají součástí běžné praxe.

Na palubu dronů se stále častěji umisťují různé miniaturní přístroje. Pro měření
zněčištění ovzduší jsou drony ideálními zařízeními. Zdroj: Drone Air.

Odkazy