Transmissive & Photoacoustic NDIR sensing technology คืออะไร

เป็น technology ในการวัดปริมาณก๊าซ โดยใช้สมบัติการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของโมเลกุลของก๊าซช่วง infra-red (IR)

หลักการทำงาน

ก่อนจะอธิบายการทำงานของ sensor ต้องขออธิบายธรรมชาติของก๊าซที่สำคัญอย่างหนึ่งก่อน นั่นคือ โมเลกุลของก๊าซ สามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในบางความยาวคลื่นได้ โดยที่โมเลกุลของก๊าซแต่ละชนิดสามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีที่ความยาวคลื่นต่างกัน เช่น carbon dioxide นั้น สามารถดูดกลืนแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นประมาณ 4.2 ไมโครเมตร ได้ดี

ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาว 4.2 ไมโครเมตรนี้อยู่ในช่วงที่เรียกว่า Infra-red (IR) จากสมบัติที่สำคัญนี้ทำให้เราสามารถตรวจวัดปริมาณของก๊าซ carbon dioxide ได้ โดยดูจากประมาณการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่น 4.2 ไมโครเมตรนี้ 

Non Dispersive Infra-red (NDIR)

โดยปกติ ถ้าเราต้องการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความยาวคลื่นเดียว หรืออยู่ในช่วงแคบ ๆ เราอาจต้องใช้อุปกรณ์ช่วยในการแยกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เราต้องการออกจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความยาวคลื่นอื่น ๆ เนื่องจากแหล่งกำเนิดมักมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหลายความยาวคลื่นปนกันมา ยกตัวอย่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รู้จักกันดีคือ คลื่นแสง ซึ่งประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความยาวคลื่นตั้งแต่ 400 นาโนเมตร ไปจนถึง 750 นาโนเมตร ดังนั้น  การจะได้ความยาวคลื่นเดียว ก็ต้องใช้ อุปกรณ์ที่เป็นตัวกระจาย (dispersive element) คลื่นแสง เช่น ปริซึม (prism) หรือ เกรตติ้ง(diffraction grating) หรืออีกวิธีหนึ่งคือการใช้ filter คืออุปกรณ์ที่ยอมให้คลื่นแสงที่เราต้องการผ่านไปได้เท่านั้น วิธีนี้ไม่ใช้ dispersive element จึงเรียกว่า Non Dispersive ในทำนองเดียวกัน ถ้าเราใช้ filter เพื่อให้ได้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวช่วง IR เราก็จะเรียกว่า Non Dispersive Infra-red (NDIR)

Transmissive NDIR

จากการที่โมเลกุลของก๊าซสามารถดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่น 4.2 ไมโครเมตร ได้นี้ เราก็สามารถวัดปริมาณ carbon dioxide ได้ โดยตรวจวัดปริมาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ถูกดูดกลืน วิธีที่เรียกว่า Transmissive NDIR โดยมีแหล่งกำเนิดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วง IR แล้วผ่าน filter เพื่อให้ได้คลื่น 4.2 ไมโครเมตร แล้วผ่าน ห้องวัด(measurement chamber) ที่มีก๊าซ carbon dioxide แล้วให้คลื่น IR ที่เหลือจากการดูดกลืนตกกระทบบน sensor สำหรับตรวจ IR เพื่อวัดปริมาณ IR ที่เหลือจากการดูดกลืนของโมเลกุลของ carbon dioxide

ถ้าปริมาณคลื่น IR ผ่านกระทบกับ IR sensor ได้มาก แสดงว่ามี carbon dioxide อยู่น้อย ถ้ามีปริมาณ IR ผ่านมาได้น้อย แสดงว่ามีปริมาณ carbon dioxide อยู่มากนั่นเอง วิธีนี้ตัว IR sensor นั้นต้องอยู่ตรงข้ามกับแหล่งกำเนิด IR และมี carbon dioxide อยู่ระหว่างนั้น ทำให้ตัวเครื่องมือวัดต้องมีความยาวพอสมควร

Photoacoustic NDIR

อีกวิธีหนึ่งที่ใช้วัดปริมาณก๊าซได้ โดยทำงานด้วยหลักการที่ว่า เมื่อโมเลกุลของก๊าซ carbon dioxide ดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าไปแล้ว จะเกิดการสั่นของโมเลกุล เมื่อมีการสั่นก็จะทำให้เกิดเสียง ดังนั้นจึงใช้ไมโครโฟน(ขนาดเล็กมาก) ตรวจจับปริมาณเสียงนี้ได้ จึงเรียกว่า Photoacoustic NDIR

ถ้ามีโมเลกุลของ carbon dioxide มาก ก็จะสามารถตรวจจับเสียงนี้ได้มาก และเนื่องจากเสียงกระจายทุกทิศทาง ดังนั้นจะวาง microphone ไว้ตรงไหนใน measurement chamber ก็ได้ ทำให้ตัวตรวจวัดแบบนี้มีขนาดเล็กกว่าแบบ Transmissive NDIR เช่น carbon dioxide sensor (SCD4x) ของ Sensirion ที่มีขนาดเล็กกะทัดรัด

ที่มา

• เอกสารของ Sensirion 
• data sheet ของ Sensirion