|
DOI: 10.14489/td.2026.06.pp.072-078
Петров В. П., Бахолдин А. В.
ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ NDIR-ДАТЧИКА УГАРНОГО ГАЗА С ПОМОЩЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА
(с. 72-78)
Аннотация. Рассматривается проблема ограниченной стабильности измерений недисперсионных инфракрасных (NDIR) датчиков угарного газа, обусловленная дрейфом нулевого сигнала и перекрестной чувствительностью к мешающим компонентам газовой смеси. Показано, что традиционные схемы формирования опорного сигнала, основанные на использовании дополнительного оптического канала, не обеспечивают требуемой стабильности измерений вследствие неравномерной деградации оптоэлектронных компонентов, загрязнения оптических поверхностей и температурных эффектов. Предложен альтернативный подход к формированию опорного сигнала NDIR-датчика угарного газа, основанный на применении гетерогенного катализатора, обеспечивающего нейтрализацию монооксида углерода за счет реакции окисления. Рассмотрен принцип работы предлагаемых газодинамической и оптической схем, а также проведен сравнительный анализ с традиционными конструкциями NDIR-датчиков. Установлено, что использование каталитического фильтра позволяет сформировать опорный сигнал, не чувствительный к угарному газу, и снизить влияние перекрестной чувствительности к парам воды. Полученные результаты могут применяться при разработке высокоточных NDIR-датчиков для задач детектирования следовых концентраций угарного газа.
Ключевые слова: NDIR-датчик, угарный газ, монооксид углерода, каталитический фильтр, гетерогенный катализ, окисление СО.
Petrov V. V., Bakholdin A. V.
IMPROVING THE STABILITY OF NDIR CARBON MONOXIDE SENSOR MEASUREMENTS BY USING A CATALYTIC FILTER
(pp. 72-78)
Abstract. This article examines the limited measurement stability of non-dispersive infrared (NDIR) carbon monoxide sensors due to zero-signal drift and cross-sensitivity to interfering components of the gas mixture. It is shown that traditional reference signal generation schemes based on an additional optical channel do not provide the required measurement stability due to uneven degradation of optoelectronic components, contamination of optical surfaces, and temperature effects. An alternative approach to generating a reference signal for an NDIR carbon monoxide sensor is proposed. This approach utilizes a heterogeneous catalyst that neutralizes carbon monoxide through an oxidation reaction. The operating principle of the proposed gas-dynamic and optical design is discussed, and a comparative analysis with traditional NDIR sensor designs is conducted. It is established that the use of a catalytic filter allows for the generation of a reference signal that is insensitive to carbon monoxide and reduces the impact of cross-sensitivity to water vapor. The obtained results can be used in the development of high-precision NDIR sensors for use in detecting trace concentrations of carbon monoxide.
Keywords: NDIR sensor, carbon monoxide, carbon monoxide, catalytic filter, hetero-geneous catalysis, CO oxidation.
В. В. Петров, А. В. Бахолдин (ФГАООУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», Санкт-Петербург, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
V. V. Petrov, A. V. Bakholdin (ITMO National Research University, St. Petersburg, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 января 2021 г. № 2 «Об утверждении санитарных правил и норм СанПиН 1.2.3685‒21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и(или) безвредности для человека факторов среды обитания». М., 2021. 988 с.
2. РМГ 29–2013. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. Введ. 2015-07‒01. М.: Стандартинформ, 2014. 83 с.
3. Степанов М. В. Влияние температуры на метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков с закрытым оптическим каналом // Контроль. Диагностика. 2025. № 6. С. 40 – 45.
4. ГОСТ 13320–81. Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия. Введ. 1982-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1989. 3 с.
5. Hodgkinson J., Tatam R. P. Optical Gas Sensing: a Review // Measurement Science and Technology. 2013. Vol. 24, No. 1. P. 12004.
6. Hodgkinson J., Tatam R. P. Non-Dispersive Infra-Red (NDIR) Measurement of Carbon Dioxide at 4.2 μm in a Compact and Optically Efficient Sensor // Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. Vol. 186. P. 580 – 588.
7. Wong J. Y., Schell M. Zero Drift NDIR Gas Sensors // Sensor Review. 2011. Vol. 31, No. 1. P. 70 ‒ 77. DOI: 10.1108/02602281111099116
8. Dinh T.-V., Son Y.-S., Kim J.- Ch., Choi I.-Y. A Review on Non-Dispersive Infrared Gas Sensors: Improvement of Sensor Detection Limit and Interference Correction // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. Vol. 231. P. 529 – 538.
9. Tan X., Zhang H., Li J., et al. Non-Dispersive Infrared Multi-Gas Sensing Via Nanoantenna Integrated Narrowband Detectors // Nature Communications. 2020. Vol. 11, No. 1. DOI: 10.1038/s41467-020-19085-1
10. Jha R. K. Non-Dispersive Infrared Gas Sensing Technology: a Review // IEEE Sensors Journal. 2018. Vol. 18, No. 12. P. 4736 – 4748.
11. Bogue R. Detecting Gases with Light: a Review of Optical Gas Sensor Technologies // Sensor Review. 2015. Vol. 35, No. 2. P. 133 – 140.
12. Ишанин Г. Г. Приемники излучения. Л.: Энергия, 1980. 336 с.
13. Кочелаев Е. А. Петров В. В. Разработка малогабаритного оптического датчика монооксида углерода с пороговой чувствительностью 1 мг/м3 (0,85 ppm). Оценка избирательности измерений // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131, № 10. С. 1431 – 1440.
14. Zhang Y., Jiang P., Cao W., et al. High-Sensitivity Ethylene Gas Sensor Based on NDIR and Dual-Channel Lock-in Amplifier // Optik. 2020. Vol. 223. P. 165630. DOI: 10.1016/j.ijleo.2020.165630
15. Zhou Y., Zhang C., Wang H. Perspective on CO Oxidation over Pd-Based Catalysts // Catalysis Science & Technology. 2015. Vol. 10. P. 695 – 711.
16. Chen, J. Su Y., Meng Q. Palladium Encapsulated by an Oxygen-Saturated TiO2 Overlayer for Low-Temperature SO2-Tolerant Catalysis during CO Oxidation // Angewandte Chemie International Edition. 2023. Vol. 62, No. 49. DOI: 10.1002/anie.202310191
17. Wang C., Li X., Yuan S. Oxidative Coupling of Carbon Monoxide to Dimethyl Oxalate: Catalysts Design, Reaction Mechanism and Process Intensification // Catalysis Reviews: Science and Engineering. 2024. Vol. 66, No. 5. P. 1855 ‒ 1890. DOI: 10.1080/01614940.2024.2320165
18. Liang X., Wang X., Zhang L., Song S. ZnCo2O4 Supported Low-Loading Pd as an Enhanced Catalyst for Low Temperature Oxidation of Carbon Monoxide // Chinese Journal of Structural Chemistry. 2023. Vol. 42, No. 7. DOI: 10.1016/j.cjsc.2023.100101
1. Chief State Sanitary Physician of the Russian Federation. (2021). Resolution No. 2 of January 28, 2021 "On approval of sanitary rules and norms SanPiN 1.2.3685-21 'Hygienic standards and requirements for ensuring safety and (or) harmlessness of environmental factors for humans' (pp. 1–988). [in Russian language].
2. RMG 29-2013: State system for ensuring uniformity of measurements. Metrology. Basic terms and definitions. (2014). Standartinform. [in Russian language].
3. Stepanov, M. V. (2025). Influence of temperature on the metrological characteristics of fiber-optic sensors with a closed optical channel. Kontrol'. Diagnostika, (6), 40–45. [in Russian language].
4. GOST 13320-81: Automatic industrial gas analyzers. General specifications. (1989). Standards Publishing House. [in Russian language].
5. Hodgkinson, J., & Tatam, R. P. (2013). Optical gas sensing: A review. Measurement Science and Technology, 24(1), Article 012004.
6. Hodgkinson, J., & Tatam, R. P. (2013). Non-dispersive infra-red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2 μm in a compact and optically efficient sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 186, 580–588.
7. Wong, J. Y., & Schell, M. (2011). Zero drift NDIR gas sensors. Sensor Review, 31(1), 70–77. https://doi.org/10.1108/02602281111099116
8. Dinh, T.-V., Son, Y.-S., Kim, J.-C., & Choi, I.-Y. (2016). A review on non-dispersive infrared gas sensors: Improvement of sensor detection limit and interference correction. Sensors and Actuators B: Chemical, 231, 529–538.
9. Tan, X., Zhang, H., Li, J., et al. (2020). Non-dispersive infrared multi-gas sensing via nanoantenna integrated narrowband detectors. Nature Communications, 11(1). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19085-1
10. Jha, R. K. (2018). Non-dispersive infrared gas sensing technology: A review. IEEE Sensors Journal, 18(12), 4736–4748.
11. Bogue, R. (2015). Detecting gases with light: A review of optical gas sensor technologies. Sensor Review, 35(2), 133–140.
12. Ishanin, G. G. (1980). Radiation receivers. Energiya. [in Russian language].
13. Kochelaev, E. A., & Petrov, V. V. (2023). Development of a compact optical carbon monoxide sensor with a threshold sensitivity of 1 mg/m³ (0.85 ppm). Assessment of measurement selectivity. Optika i spektroskopiya, 131(10), 1431–1440. [in Russian language].
14. Zhang, Y., Jiang, P., Cao, W., et al. (2020). High-sensitivity ethylene gas sensor based on NDIR and dual-channel lock-in amplifier. Optik, 223, Article 165630. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165630
15. Zhou, Y., Zhang, C., & Wang, H. (2015). Perspective on CO oxidation over Pd-based catalysts. Catalysis Science & Technology, 10, 695–711.
16. Chen, J., Su, Y., & Meng, Q. (2023). Palladium encapsulated by an oxygen-saturated TiO₂ overlayer for low-temperature SO₂-tolerant catalysis during CO oxidation. Angewandte Chemie International Edition, 62(49). https://doi.org/10.1002/anie.202310191
17. Wang, C., Li, X., & Yuan, S. (2024). Oxidative coupling of carbon monoxide to dimethyl oxalate: Catalysts design, reaction mechanism and process intensification. Catalysis Reviews: Science and Engineering, 66(5), 1855–1890. https://doi.org/10.1080/01614940.2024.2320165
18. Liang, X., Wang, X., Zhang, L., & Song, S. (2023). ZnCo₂O₄ supported low-loading Pd as an enhanced catalyst for low temperature oxidation of carbon monoxide. Chinese Journal of Structural Chemistry, 42(7). https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2023.100101
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 700 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/td.2026.06.pp.072-078
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 700 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/td.2026.06.pp.072-078
and fill out the form
.
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»