This article describes the output properties of non-dispersive infrared carbon dioxide($CO_2$) sensors resulting from the changes in ambient temperatures. After the developed sensor module was installed inside the gas chamber, the temperature was set to 267 K, 277 K, 300 K, and 314 K, and the concentrations of $CO_2$ gas were increased from 0 to 5,000 ppm. Then, the output voltage at each concentration was obtained. Through these experimental results, two observations were made. First, both the $CO_2$ sensor and the reference sensor showed an increase in the output voltages as the temperature rose from 0 ppm, Second, the full scale outputs of the $CO_2$ sensor grew as the temperature increased. The output characteristics were analyzed based on two factors: change in the radiant energy of the infrared light source and change in the absorptivity of $CO_2$ gas according to the ambient temperature. Additionally, temperature compensation methods were discussed.
A nondispersive infrared (NDIR) ethanol gas sensor was prototyped with ASIC implemented thermopile sensor, which included a temperature sensor and two ellipsoidal waveguide structures. The temperature dependency of the two ethanol sensors (with partially blocked and intact structures) has been characterized. The two ethanol gas sensors showed linear output voltages initially when varying the ambient temperature from 253 K to 333 K. The slope of the temperature sensor presented a constant value of 15 mV/K. After temperature compensation, the ethanol gas sensor estimated ethanol concentrations with larger errors of 20 to 25% below 200 ppm. However, the estimation errors were reduced to between -10 and +1 % from 253 K to 333 K above 200 ppm ethanol gas concentration in this research.
The Non-dispersive Infrared (NDIR) gas sensor has high selectivity, measurement reliability, and long lifespan. Thus, even though the NDIR gas sensor is expensive, it is still widely used for carbon dioxide (CO2) detection. In this study, to reduce the cost of the NDIR CO2 gas sensor, we proposed the new optical waveguide structure design based on ready-made gas pipes that can improve the sensitivity by increasing the initial light intensity. The new optical waveguide design is a structure in which a part of the optical waveguide filter is inclined to increase the transmittance of the filter, and a parabolic mirror is installed at the rear end of the filter to focus the infrared rays passing through the filter to the detector. In order to examine the output characteristics of the new optical waveguide structure design, optical simulation was performed for two types of IR-source. As a result, the new optical waveguide structure can improve the sensitivity of the NDIR CO2 gas sensor by making the infrared rays perpendicular to the filter, increasing the filter transmittance.
In this paper, we describe the thermal characteristics of the output voltages of ethanol gas sensor according to the amount of radiation incident on the infrared sensors located at each focal point of two elliptical waveguides. In order to verify the output characteristics of the gas sensor according to the amount of incident light on the infrared sensor, two combinations of sensor modules were fabricated. Hydrophobic thin film is deposited on one of the reflectors of sensor modules and one of the two infrared sensors was equipped with a hollow disk (10 Ø), and the temperature characteristics of the infrared sensor equipped with the hollow disk (10 Ø) and the infrared sensor without the disk were tested. The temperature was varied from 253 K to 333 K at 10 K intervals based on 298 K. The properties of ethanol gas sensor have been identified with respect to varying temperature for a range of ethanol concentration from 0 ppm to 500 ppm. In the case of an infrared sensor equipped with a hollow disk (10 Ø), the output voltage of the sensor decreased by 0.8 mV and 1 mV, respectively, as the temperature increased. Conversely, the output voltage of the diskless infrared sensor showed an average increase of 67 mV and 57 mV as the temperature increased. The ethanol concentrations estimated on the basis of results show an error of more than 10 % for less than 100 ppm concentration. However, if the ethanol concentration exceeds 100 ppm, the gas concentration can be estimated within the range of ${\pm}10%$.
NDIR $CO_2$ gas sensor was built with ASIC implemented thermopile sensor which included temperature sensor and unique elliptical waveguide structures in this paper. The temperature dependency of dual infrared sensor module ($CO_2$ and reference IR sensors) has been characterized and its output voltage characteristics according to the temperature and gas concentration were proposed for the first time. NDIR $CO_2$ gas and reference IR sensors showed linear output voltages according to the variation of ambient temperatures from 243 K to 333 K and their slopes were 14.2 mV/K and 8.8 mV/K, respectively. The output voltages of temperature sensor also presented a linear dependency according to the ambient temperature and could be described with V(T)=-3.191+0.0148T(V). The output voltage ratio between $CO_2$ and reference IR sensors revealed irrelevant to the changes of ambient temperatures and gave a constant value around 1.6255 with standard deviation 0.008 at 0 ppm. The output voltage of $CO_2$ gas sensor at zero ppm $CO_2$ gas consisted of two components; one is caused by the HPB (half pass-band) of IR filter and the other is attributed to the part of $CO_2$ absorption wavelength. The characteristics of output voltages of $CO_2$ gas sensor could be accurately modeled with three parameters which are dependent upon the ambient temperatures and represented small average error less than 1.5% with 5% standard deviation.
NDIR $CO_2$ gas sensor was prototyped with ASIC implemented thermopile sensor which included temperature sensor and White-Cell structure in this paper. The temperature dependency of dual infrared sensors ($CO_2$ and reference IR sensors) has been characterized and their output voltage ratios according to the temperature and gas concentration were presented in this paper for achieving temperature compensation algorithm. The initial output voltages of NDIR $CO_2$ gas and reference IR sensors showed $3^{rd}$ order polynomial and linear output voltages according to the variation of ambient temperatures from 253 K to 333 K, respectively. The output voltages of temperature sensor presented a linear dependency according to the ambient temperature and could be described with V(T) = -3.0069+0.0145T(V). The characteristics of output voltage ratios could be modeled with five parameters which are dependent upon the ambient temperatures and gas concentration. The estimated $CO_2$ concentrations showed relatively high error below 300 ppm (maximum 572 % at 7 ppm $CO_2$ concentration), however, as the concentration increased from 500 ppm to 2,000 ppm, the overall estimated errors of $CO_2$ concentrations were less than ${\pm}10%$ in this research.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.19
no.2
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pp.95-100
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2016
This study proposes the temperature compensation algorithm using thermopile detector for non-dispersive infrared Nitrogen gas sensor. From the output voltage of thermistor that is attached onto the infrared detector, the ambient temperature was extracted. The effects of temperatures on the properties of sensor module characteristics of narrow bandpass filter, optical cavity and infrared lamp, and air mixing gas have been introduced in order to implement the temperature compensation algorithm.
Do, Nam Gon;Lee, Junyeop;Jung, Dong Geon;Kong, Seong Ho;Jung, Daewoong
Journal of Sensor Science and Technology
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v.30
no.6
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pp.446-450
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2021
Non-dispersive infrared (NDIR) gas sensors typically use an optical filter that transmits a discriminating 4.26 ㎛ wavelength band to measure carbon dioxide (CO2), as CO2 absorbs 4.26 ㎛ infrared. The filter performance depends on the transmittance and full width at half maximum (FWHM). This paper presents the fabrication, sensitivity, and selectivity characteristics of a distributed Bragg reflector (DBR)-based Fabry-Perot filter with a simple structure for CO2 detection. Each Ge and SiO2 films were prepared using the RF magnetron sputtering technique. The transmittance characteristics were measured using Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR). The fabricated filter had a peak transmittance of 59.1% at 4.26 ㎛ and a FWHM of 158 nm. In addition, sensitivity and selectivity experiments were conducted by mounting the sapphire substrate and the fabricated filter on an NDIR CO2 sensor measurement system. When measuring the sensitivity, the concentration of CO2 was observed in the range of 0-10000 ppm, and the selectivity was measured for environmental gases of 1000 ppm. The fabricated filter showed lower sensitivity to CO2 but showed higher selectivity with other gases.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.3
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pp.624-629
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2018
The current study was conducted to develop a portable composite gas detector allowing the detection of both $CO_2$ and $CH_4$ gases by means of the Non Dispersive Infra-Red (NDIR) method. The gas detector is configured to radiate infrared waves using infrared lamps, where the wavelength of the infrared light is reduced due to absorption throughout the chamber, and this reduction (absorption) is detected by the absorption detector, before being converted and amplified to a 3.5V~6V electrical signal, providing as accurate a measurement as possible. The conventional singe sensor method measures the relative measurement by absorbing only specified wavelengths of infrared radiation, which in the case of gas detection leads to problems with accuracy due to the lack of a reference sensor when detecting light with a wavelength of only $4.26{\mu}m$. The dual sensor employed in this study provides a comparative measurement between the reference value derived from the wavelength of $3.91{\mu}m$, which is not influenced by other gas sources, and the measurement value derived from the wavelength of $4.26{\mu}m$, in order to reduce the errors and enhance the reliability, thereby allowing low power consumption for portable devices and multi-gas detection for both $CO_2$ and $CH_4$ gases. The portable composite gas detector developed herein provides a measurement rage of 0ppm~5,000ppm for $CO_2$ gas, and 0.5%vol for $CH_4$, which allows the determination of whether the $CO_2$ and $CH_4$ contents in indoor air are less than 1,000ppm or not. The current study established that the composite gas detector can be interlinked with firefighting appliances through portable devices or home automation, and is anticipated to be very effective in fire prevention.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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