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LARK-1C2H2红外乙炔传感器

 

  在介绍新款的红外传感器之前,请允许我先做个广告。2018年的1月末,诺联芯的LARK-1红外气体传感器在美国西部的展览会Photonics West上展出了。

  

 

  Photonics West是美国西部最大的光学科技展览会,主办方是大名鼎鼎的SPIE (Society of Photo–Optics Instrumentation Engineers,国际光学工程学会 )。能够在世界顶级的展览会上展出红外气体传感器,一直是诺联芯的梦想,这次的展出,标志着我们的红外气体传感器已经登上了国际舞台。这次能够顺利展出LARK-1系列红外传感器的demo kit,还要承蒙Semeatech公司和EOC公司的大力支持。在此对Fei Shen先生表示衷心的感谢。

  

 

  广告之后,开始介绍诺联芯的新品传感器LARK-1 C2H2。乙炔(C2H2)的检测一直都是比较难的。先讲一下电化学(EC)、催化燃烧(CAT)、金属氧化物(MOS)、紫外光离子化(PID)来探测乙炔的难度。

  1. 如果用电化学传感器来测乙炔,那么H2, CO, C2H4都是比较强的交叉干扰气体,交叉干扰系数甚至能够达到100%以上。

  2. 如果用催化燃烧传感器来测乙炔,那么不仅交叉干扰的问题依然存在,而且,用来测甲烷的催化剂和催化珠温度都不适合,进而影响灵敏度和使用寿命。当然,也有专门探测乙炔的催化珠,但也只能够测量几千ppm 到几万ppm的浓度,低浓度测量时分辨率达不到,无法胜任的。高浓度时,温度过高又会导致催化珠中的Al2O3烧结,产生永久性的损坏。

  3. MOS传感器测不了乙炔,因为SnO2遇到乙炔中间体,而乙炔中间体是带正电的,无法给吸附氧提供电子,催化活化过程被抑制,SnO2半导体电阻就不会变化了,所以MOS传感器测不了乙炔。

  4. 如果用光离子化探测器(PID)来测乙炔,则需要用11.7eV的紫外灯,因为乙炔的电离能是11.4eV。这种紫外灯寿命很短,很可能连1个月都不到,而且该紫外灯很难制作,成品率极低。所以这就是为什么市场上很难看到11.7eV的PID传感器的原因。

  诺联芯就是在总结了其他传感器测乙炔有诸多缺点之后立项研发的。使用LARK-1 C2H2测乙炔的好处包括:

  1. 对H2, CO没有交叉干扰,甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、氯甲烷(CH3Cl)和氯乙烯(C2H3Cl)的交叉干扰也非常小。普通HC化合物的的红外吸收波长在3.3um - 3.5um区间,而C2H2的吸收波长在3.0um附近。这就从原理上保证了红外C2H2有非常小的交叉干扰。

  2. 分辨率很好,小于10ppm。

  3. 响应时间很快,小于5秒。

  基本特性

  

 

  从上图我们可以得知,通入高纯N2和100ppm C2H2的时候,LARK-1 C2H2的响应速度T90和回零速度RT90小于5秒。分辨率小于10ppm。传感器有零漂,但不大。

  

 

  上图是LARK-1 C2H2通入高纯N2和1000ppm C2H2时候的响应和回零曲线。

  

 

  上图是LARK-1 C2H2通入高纯N2和5000ppm C2H2时候的响应和回零曲线。

  重现性

  

 

  从上图我们可以看到通入6次高纯N2和500ppm时候的零点读数和500ppm读数,标准差Stdev=4.5ppm。

  线性

  

 

  上图是LARK-1 C2H2分别通入高纯N2、250ppm、500pp、750ppm、1000ppm C2H2时候的读数,最大的误差是-38ppm。如果做好零点的负漂补偿,所有读数加上30ppm,那么最大的误差就只有-8ppm了。

  

 

  这张图是上图中数据取出来所做的线性,线性判决系数R^2=0.999883。

  

 

  上图是LARK-1 C2H2分别通入高纯N2、1500ppm、3000pp、4500ppm、6000ppm、7500ppm、9000ppm和10000ppm C2H2时候的读数,最大的误差是+49ppm,这个误差基本上已经在配气装置——质量流量控制器误差的极限了。

  从这张图,我们还能得到一个重要信息,只要零点准,测量点就会非常准,并且零点和测量点的读数是平移的关系。

  

 

  从0 – 10000ppm C2H2的测量中,得到线性判决系数R^2=0.999969。

  长时间通气实验

  

 

  在1个多小时的1000ppm C2H2平衡中,我们得到的最大极差是6ppm。

  高低温特性

  

 

  上图中是一个温度循环中LARK-1 C2H2的读数情况。温度循环的顺序是20℃

  →0℃→-20℃→0℃→20℃→40℃→50℃→40℃→20℃。所测量的浓度为两个——0ppm和1000ppm。高温时候的误差会相对大一些,主要是因为零点的负漂。

  湿度特性

  

 

  注:20℃时,80%RH所对应的绝对湿度是13.84g/m^3。

  上图是在20℃时候,用钢瓶气和气袋配不同湿度的高纯N2和1000ppm C2H2所测得的数据。从上图我们得到如下结论:

  - 湿度对LARK-1 C2H2的影响非常小,基本上可以控制在50ppm之内;

  - 在测零点的时候,气袋本身会有少量VOC的挥发,零点会增加30ppm的读数;

  - 氯乙烯材质的气袋会吸收少量的C2H2,导致测量的时候读数偏低;

  - 测量结束时,用钢瓶N2再次吹扫LARK-1 C2H2,零点仍然可以回到测试之初的读数。

  

 

  注:50℃时,80%RH的湿度对应的绝对湿度是66.4g/m^3。

  上图是在50℃时候,用钢瓶气和气袋配不同湿度的高纯氮和1000ppm C2H2所测得的数据,结论和20℃时候相同。唯一不同的是高温的时候LARK-2 C2H2有-170ppm左右的温漂,需要做零点的补偿。

  

 

  交叉干扰

  

 

  从上图我们看出,LARK-1 C2H4对4种交叉干扰的气体响应值都很小,交叉干扰分别为:

  - 500ppm C2H4:交叉干扰几乎不可见。

  - 50000ppm CH4:交叉干扰的读数应该是:-124-(-13)=111。交叉灵敏度系数为111/50000 = -0.0022。

  - 200ppm CH3Cl:交叉干扰几乎不可见。

  - 9000ppm – 27000ppm C2H3Cl:交叉干扰不明显,就按照27000ppm C2H3Cl时候读数的均值来计算交叉干扰读数:-29-(-13)=-16。交叉灵敏度系数为-16/27000 = -0.0006。

  对该产品感兴趣的朋友,请跟我联系。如果有特殊量程和温度范围要求的话,我们也可以帮用户定制。请相信我们是最专业的气体传感技术公司。

  祝各位看官朋友们工作愉快!

 

  技术支持:郭安波

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