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Innovationen in der NDIR-Technologie

Marko Jalonen
Technologiemanager
Published: Apr 23, 2018
Energieübertragung

Innovatives Denken ist die wesentliche Stärke von Vaisala. Während unserer Firmengeschichte haben wir es dazu genutzt, um technologisches Know-how und neue Produkte zu entwickeln, mit denen wir die Anlagen und Geschäfte unserer Kund*innen besser unterstützen können. Diese Haltung zeigt sich in dem schrittweisen Ansatz des Produktteams, die fortschrittliche nichtdispersive Infrarottechnologie (NDIR-Technologie) weiterzuentwickeln, zu optimieren und in neue Anwendungen einzuführen.

Die NDIR-Entwicklung von Vaisala begann bereits 1992, als wir uns intensiv mit oberflächenmikromechanischen Sensoren beschäftigten. Dies führte zu der bahnbrechenden Idee, ein abstimmbares Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) in Miniaturformat zu entwickeln, einer Technologie, die Licht bei verschiedenen Wellenlängen filtert und dies zur Messung von CO2-Konzentrationen anwendet.

Im Laufe der Jahre hat Vaisala seine NDIR-Technologie für den Einsatz in verschiedenen Disziplinen weiterentwickelt, beispielsweise zur Messung des Gasgehalts in kommerziellen Gewächshäusern und Inkubatoren, die für die Zellkultivierung verwendet werden. Das Entwicklungsteam von Vaisala hat als Erstes herausgefunden, wie diese abstimmbare FPI-Technologie auch Gase in Isolieröl in Leistungstransformatoren effektiv überwachen kann.

Reengineering für Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit

Das fortwährende Engagement des Teams für herausragende Ingenieur- und Fertigungsleistungen brachte ein technisch ausgereiftes Produkt hervor, das in einer Vielzahl von Umgebungen erfolgreich eingesetzt werden kann. Feuchte und Hitze sind typischerweise der Feind von Gassensoren. Benutzende erwarten jedoch, dass Sensoren genau, einfach zu verwenden, zuverlässig und normalerweise klein sind, und die Entwicklung der NDIR-Technologie durch Vaisala hat dazu beigetragen, dies zu erreichen. Dank Vereinfachung der Technologie haben wir die Anzahl der erforderlichen Komponenten reduziert und die Geräte robuster gemacht. Beispiel Microglow: Der langlebige IR-Emitter mit geringem Stromverbrauch von Vaisala wurde erstmals 2013 kommerziell eingeführt. Er ersetzte herkömmliche IR-Quellen, die eine relativ kurze Lebensdauer haben und für den Betrieb viel Strom benötigen.

Als Vaisala sich daran machte die FPI-Technologie zu entwickeln, hatte Vaisala noch kein Produkt für CO2-Messungen auf dem Markt. Der neu konzipierte abstimmbare FPI-Filter wurde jedoch zur wichtigsten Komponente von CARBOCAP®, einem hochwertigen optischen Gassensor, und später zum Rückgrat unseres OptimusTM DGA-Monitors OPT100. Der Monitor kommt in der Energiewirtschaft zur genauen und zuverlässigen Beurteilung des Zustands von Leistungstransformatoren zum Einsatz.

Die Verwendung von NDIR beispielsweise zur Messung des Vorhandenseins von Gasen in Transformatoröl beruht auf der grundlegenden Absorptionsphysik:  Verschiedene Gase absorbieren Licht bei verschiedenen Wellenlängen. Das heißt, die Gase haben einzigartige „Fingerabdrücke“ von Wellenlängen, die sie absorbieren. Bei der herkömmlichen NDIR-Technologie wird für jedes Gas, das der Benutzende messen möchte, ein separater Bandpassfilter verwendet. Jeder Filter ist so fixiert, dass nur eine bestimmte Lichtwellenlänge an einen Sensor übertragen wird. Dieser erfasst, wie viel Licht absorbiert wurde und wie viel Gas vorhanden ist. Damit dies funktioniert, müssen die festen Filter sehr stabil und genau sein, aber auch andere Faktoren wie die Querempfindlichkeit von Gasen, die Verunreinigung der Optik und die Sensorabweichungen können die Genauigkeit beeinflussen (Abb. 1).

NDIR

 

Abstimmung für Stabilität und Genauigkeit

Die Vaisala Version des FPI ist abstimmbar, d. h. sie kann angepasst werden, um unterschiedliche Wellenlängen zuzulassen. Der Abstand zwischen zwei durch einen Luftspalt getrennten Spiegeln kann durch Leiten einer Spannung über den Luftspalt abgestimmt werden. Dadurch wird die vom Filter übertragene optimierte Wellenlänge angepasst, sodass eine Reihe von Gasen genau erfasst werden können.

Zusammen mit einem Infrarotsensor kann der abstimmbare FPI-Filter anzeigen, wie viel Licht bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert wird, und daher den Gastyp und seine Konzentration erfassen. So wird die Anzahl von Sensoren reduziert. Da ein FPI-Filter Messungen für mehrere optimierte Wellenlängen durchführen kann, wird die Querempfindlichkeit anderer Gase minimiert.

Der wichtigste Vorteil des abstimmbaren Sensors ist seine Fähigkeit, Referenzmessungen an Stellen im Spektrum durchzuführen, an denen keine Absorption auftritt. Referenzmessungen ermöglichen eine automatische Kalibrierung des Sensorsignals, um beispielsweise Änderungen der Intensität des IR-Emitters über einen Zeitraum zu kompensieren.

Diese Referenzmessungen bedeuten, dass die NDIR-Technologie von Vaisala langfristig stabil ist, selbst in anspruchsvollen Umgebungen. Das Testen von Vaisala Sensoren unter verschiedenen Bedingungen hat zu konsistenten Messwerten des CO2-Gehalts sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Konzentrationen geführt. Beispielsweise zeigten über einen Zeitraum von fünf Jahren 22 Geräte, mit denen eine CO2-Konzentration von 1 000 ppm bei Raumtemperatur gemessen wurde, eine ausgezeichnete Stabilität (Abb. 2). Auch die Beständigkeit der Vaisala Sensoren gegenüber hohen Temperaturen hat sich als überlegen erwiesen (Abb. 3).

NDIR

 

NDIR

Vaisala verfügt heute über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der optimierten Herstellung dieser relativ komplexen Chips. Wir stellen alle Komponenten intern her, sodass wir die Qualität des gesamten Prozesses vollständig kontrollieren können.

Kosteneinsparungen über die gesamte Lebensdauer

Die Verwendung eines einzelnen abstimmbaren Filters und Sensors bringt auch Kostenvorteile. Bei Technologien der Mitbewerber sind mehrere Filter und Sensoren erforderlich, deren Ausfall zu Wartungskosten und zum Verlust von Überwachungsdaten führt. Ein einziger Filter ermöglicht es Vaisala, die Gesamtkosten der Herstellung zu senken und Kund*innen eine höhere Zuverlässigkeit zu bieten, indem zuverlässige Überwachungskomponenten mit einer Lebensdauer bis zu 50 Jahren hergestellt werden.

Wir haben das Problem der Querempfindlichkeit abgeschafft und stellen sicher, dass die Technologie auch unter den heißesten und feuchtesten Bedingungen robust ist. So können sich Kund*innen auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren verlassen. Für Leistungstransformatorbesitzer bedeuten zuverlässige und genaue Überwachungsdaten niedrigere Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer ihrer Transformatoren.

Unser erfinderischer Ansatz bei der Produktentwicklung und -herstellung hat einen weltweit führenden Sensor und eine NDIR-Technologie hervorgebracht, die Kund*innen in verschiedenen Umgebungen und Industrien einsetzen können.

 

Mitwirkende:

Marko Jalonen

Technologiemanager

Marko Jalonen ist Technologiemanager bei Vaisala in Finnland. Sein beruflicher Fokus liegt insbesondere auf Teamführung und optischer Gasmessung. Bei Vaisala übernimmt er mit seiner über 20-jährigen Erfahrung die Aufgabe, mit seinem Team Mikrosensortechnologien weiterzuentwickeln.

Marko hat ein Lizenziat der Technologie in Halbleiterphysik.

Gewächshaus

 

Wie funktioniert die Vaisala CARBOCAP Technologie? Kohlendioxid hat ein charakteristisches Absorptionsband im Infrarotbereich (IR-Bereich) bei einer Wellenlänge von 4,26 μm. Wenn IR-Strahlung ein CO2-haltiges Gas durchstrahlt, wird ein Teil der Strahlung absorbiert. Daher ist der Anteil der Strahlung, der das Gas durchdringt, von der Menge des vorhandenen CO2 abhängig. Dies kann mit einem IR-Sensor erfasst werden.

Comment

Rajamani.P

Jul 25, 2018
Sir,
The FPI technology measure the Co2 present in the oil.Can it give the value of CO carbon mono oxide in the oil.
Further the values of the gas content vary with the loading condition and during idle condition it reduces. How do we differentiate with different readings in a same transformer and it can create suspicion on the equipment.
Please confirm.

Senja Leivo

Jul 25, 2018
Vaisala OPT100 DGA monitor measures and reports CO2 and CO in oil separately. CO2 concentration in oil varies somewhat with load variation (=temperature) as it moves between oil and paper. CO again remains stable unless new gas is formed or if it’s question of free breathing transformer where CO can slowly diffuse in oil towards ambient air.

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