blog

NDIR-teknologian innovaatiot

Marko Jalonen
Teknologiapäällikkö
Julkaistu: 23. Huhti 2018
Sähköntuotanto ja -siirto

Innovatiivisuus on Vaisalan suurimpia vahvuuksia. Koko historiamme ajan olemme innovatiivisesti kehittäneet teknologista asiantuntemustamme ja uusia tuotteita auttaaksemme asiakkaita. Tämä asenne näkyy selvästi vaiheittaisessa lähestymistavassa, jolla tuotetiimi kehitti ei-dispersiivistä infrapunateknologiaa (NDIR) ja otti sen käyttöön uusissa sovelluksissa.

Vaisalan NDIR-matka alkoi jo vuonna 1992, jolloin tutkimme tiiviisti pintamikromekaanisia antureita. Tämä johti käänteentekevään ajatukseen pienikokoisesta säädettävästä Fabry-Perot-interferometri (FPI) – teknologiasta, joka suodattaa valoa eri aallonpituuksilla – ja sen käyttämisestä CO2-pitoisuuden mittaamiseen.

Ajan myötä Vaisala on kehittänyt NDIR-teknologiaansa käytettäväksi erilaisiin toimintoihin, kuten kaasupitoisuuksien mittaamiseen kasvihuoneissa ja soluviljelyssä käytettävissä inkubaattoreissa. Vaisalan kehitystiimi keksi ensimmäisenä, miten tätä säädettävää FPI-teknologiaa voi käyttää tehokkaasti myös suurjännitemuuntajien eristeöljyn kaasujen mittaamiseen.

Kehittäminen monikäyttöiseksi ja luotettavaksi

Ajan myötä tiimin sitoutuneisuus suunnittelun ja valmistuksen laatuun tuotti hyvin kehitetyn tuotteen, joka menestyy monenlaisissa ympäristöissä. Kosteus ja kuumuus ovat yleensä kaasuanturien vihollisia. Käyttäjät sen sijaan tarvitsevat antureiltaan tarkkuutta, helppokäyttöisyyttä, luotettavuutta ja yleensä pientä kokoa. Vaisalan NDIR-teknologian kehittäminen on auttanut tämän saavuttamisessa. Yksinkertaistamalla teknologiaa olemme vähentäneet tarvittavien komponenttien määrää ja tehneet laitteesta kestävämmän. Esimerkiksi Vaisalan kestävä, virtaa säästävä infrapunalähde Microglow julkaistiin kaupallisesti vuonna 2013. Se korvasi perinteiset infrapunalähteet, joiden käyttöikä oli lyhyt ja jotka vaativat paljon tehoa toimiakseen.

Kun Vaisala alkoi kehittää FPI-teknologiaa, sillä ei ollut vielä tuotetta CO2-mittauslaitteiden markkinoilla. Uudesta säädettävästä FPI-suodattimesta tuli kuitenkin pääkomponentti laadukkaassa optisessa CARBOCAP®-kaasuanturissa ja myöhemmin OptimusTM OPT100 DGA-kaasuanalysaattorissa, jota käytetään energiateollisuudessa suurjännitemuuntajien kunnon tarkkaan ja luotettavaan arviointiin.

NDIR-teknologian käyttö esimerkiksi kaasujen tunnistamiseen muuntajaöljystä perustuu perusabsorptiofysiikkaan, jonka mukaan eri kaasut absorboivat valoa eri aallonpituuksilla. Toisin sanoen kunkin kaasun absorboima aallonpituus toimii kyseiselle kaasulle ominaisena ”sormenjälkenä”. Perinteisessä NDIR-teknologiassa käytetään erillistä kaistanpäästösuodatinta jokaiselle kaasulle, jota käyttäjä haluaa mitata. Kukin suodatin lähettää kiinteästi vain tiettyä valon aallonpituutta tunnistimeen, joka tunnistaa, kuinka paljon valoa on absorboitunut eli kuinka paljon kaasua on. Jotta tämä toimii, kiinteiden suodattimien on oltava hyvin stabiileja ja tarkkoja, mutta tarkkuuteen voivat vaikuttaa muutkin tekijät, kuten kaasujen ristikkäisherkkyys, optiikan kontaminoituminen ja tunnistimen ryömintä.

NDIR

 

Säätäminen stabiiliksi ja tarkaksi

Vaisalan versio FPI-teknologiasta on säädettävä, eli sitä voi säätää sallimaan eri aallonpituuksien läpipääsyn. Kahden ilmavälillä erotetun peilin välistä etäisyyttä voi säätää aiheuttamalla jännite ilmavälin yli. Tämä säätää optimoitua aallonpituutta, jonka suodatin lähettää, jotta laitteella voi tunnistaa tarkasti monenlaisia kaasuja.

Säädettävä FPI-suodatin kykenee yhdessä infrapunatunnistimen kanssa ilmaisemaan, kuinka paljon valoa absorboituu tietyllä aallonpituudella, ja näin voidaan tunnistaa kaasun tyyppi ja pitoisuus. Tämän ansiosta ei tarvita useita tunnistimia. Koska yksi FPI-suodatin pystyy tuottamaan mittauksia useille optimoiduille aallonpituuksille, ristikkäisherkkyys muista kaasuista on vähäinen.

Tärkein säädettävän anturin etu on sen kyky tehdä viitemittauksia spektrin kohdista, joissa ei tapahdu absorptiota. Näiden viitemittausten avulla tunnistimen signaali voidaan kalibroida automaattisesti esimerkiksi ajan myötä tapahtuvien infrapunalähteen intensiteetin muutosten kompensoimiseksi.

Näiden viitemittausten ansiosta Vaisalan NDIR-teknologia on stabiili pitkällä aikavälillä haastavissakin ympäristöissä. Vaisalan anturien testaaminen eri olosuhteissa on tuottanut johdonmukaisia CO2-pitoisuuden lukemia sekä alhaisilla että korkeilla pitoisuuksilla. Esimerkiksi viiden vuoden jaksolla 22 yksikköä mittasi CO2-pitoisuudeksi 1 000 ppm huonelämpötilassa osoittaen erinomaista stabiiliutta (kuva 2). Myös Vaisalan anturien korkeiden lämpötilojen sieto on osoittautunut erittäin hyväksi (kuva 3).

NDIR

 

NDIR


Vaisalalla on nyt yli 25 vuoden kokemus näiden melko monimutkaisten laitteiden tuotannon kehittämisestä, ja nykyään Vaisala valmistaa kaikki komponentit itse, joten meillä on koko prosessin laatu omassa hallinnassamme.

Kustannussäästöjä koko eliniäksi

Yksittäisen säädettävän suodattimen ja tunnistimen käytöstä koituu myös kustannussäästöjä. Kilpailevissa teknologioissa tarvitaan useita suodattimia ja tunnistimia, ja toimintahäiriö missä tahansa niistä aiheuttaa huoltokuluja ja mittaustietojen menettämistä. Yhden suodattimen käytön ansiosta Vaisala pystyy pienentämään valmistuksen kokonaiskustannuksia ja tarjoamaan asiakkaalle parempaa luotettavuutta. Luotettavien komponenttien käyttöikä voi olla jopa 50 vuotta.

Koska ristikkäisherkkyyden ongelma on eliminoitu ja teknologia on riittävän vankkaa toimimaan kuumimmissa ja kosteimmissakin olosuhteissa, asiakkaat voivat luottaa anturien tarkkuuteen ja toimivuuteen. Suurjännitemuuntajien omistajille luotettavat ja tarkat mittaustiedot merkitsevät pienempiä käyttö- ja huoltokustannuksia muuntajien koko käyttöiän ajalle.

Kekseliäs lähestymistapamme tuotekehitykseen ja valmistukseen on tuottanut maailman johtavan anturin ja NDIR-teknologian, jota asiakkaat voivat käyttää monenlaisissa ympäristöissä monilla eri aloilla.

 

Avustaja:

Marko Jalonen

Teknologiapäällikkö

Marko Jalonen toimii Vaisalan teknologiapäällikkönä Suomessa. Hänen ammatillisia kiinnostuksenkohteitaan ovat erityisesti tiimien johtaminen ja optinen kaasumittaus. Hänellä on Vaisalalla yli 20 vuoden kokemus, ja hän vastaa tiimeineen mikroanturiteknologioiden kehittämisestä.

Markolla on tekniikan lisensiaatin tutkinto puolijohdefysiikasta.

Kasvihuone

 

Miten Vaisalan Carbocap-teknologia toimii? Hiilidioksidilla on ominainen absorptiojuova infrapuna-alueella aallonpituudella 4,26 µm. Tämä tarkoittaa, että kun infrapunasäteily kulkee hiilidioksidia sisältävän kaasun läpi, osa säteilystä absorboituu. Siksi kaasun läpi pääsevän säteilyn määrä riippuu siinä olevan hiilidioksidin määrästä ja tämä voidaan mitata infrapunadetektorilla.

Comment

Rajamani.P

25. Heinä 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

25. Heinä 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.

Kirjoita kommentti