Метод расчёта спектрального коэффициента направленного пропускания недисперсионного газоанализатора следового монооксида углерода

Петров В.В., Бахолдин А.В., Сафарян К.А.

Ссылка для цитирования:

Петров В.В., Бахолдин А.В., Сафарян К.А. Метод расчёта спектрального коэффициента направленного пропускания недисперсионного газоанализатора следового монооксида углерода // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 12. С. 80–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-12-80-90

Petrov V.V., Bakholdin A.V., Safaryan K.A. Method for calculating the spectral directional transmittance of a non-dispersive gas analyzer for trace carbon monoxide [in Russian] //Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 12. P. 80–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-12-80-90

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Спектральный коэффициент направленного пропускания недисперсионного инфракрасного газоанализатора следового монооксида углерода, формируемый функцией коэффициента направленного пропускания полосового интерференционного фильтра с учётом пропускания в полосах поглощения. Цель работы. Разработка метода расчёта спектрального коэффициента направленного пропускания недисперсионного инфракрасного газоанализатора следового монооксида углерода, обеспечивающего снижение дополнительной погрешности от чувствительности к углекислому газу более, чем на два порядка по сравнению с традиционным подходом. Метод. Метод включает формирование спектральной характеристики прибора на основе реальной функции коэффициента направленного пропускания инфракрасного фильтра с учётом ненулевого пропускания в полосах поглощения и оптимизацию параметров фильтра по критерию минимизации чувствительности к углекислому газу и водяному пару. Основные результаты. Учёт реального пропускания фильтра в полосах поглощения увеличивает поглощённый поток углекислого газа более, чем в 800 раз по сравнению с гауссовой моделью. Определена оптимальная центральная длина волны фильтра, равная 4,61 мкм. Расчётная избирательность с двумя последовательно установленными фильтрами для углекислого газа составила 2,4, что подтверждено экспериментально на макетном образце газоанализатора. Практическая значимость. Метод может применяться при проектировании высокоточных недисперсионных инфракрасных газоанализаторов для контроля следовых концентраций монооксида углерода в многокомпонентных газовых смесях.

Ключевые слова:

недисперсионный инфракрасный газоанализатор, монооксид углерода, спектральный коэффициент направленного пропускания, полосовой инфракрасный фильтр

Коды OCIS: 300.6260, 300.6540, 120.2440

Список источников:

1. Dhall S. A review on environmental gas sensors: materials and technologies / S. Dhall, B.R. Mehta, A.K. Tyagi, K. Sood // Sensors International. 2021. V. 2. Art. 100116. DOI: 10.1016/j.sintl.2021.100116

2. Manisalidis I. Environmental and health impacts of air pollution: a review / I. Manisalidis, E. Stavropoulou, A. Stavropoulos, E. Bezirtzoglou // Frontiers in Public Health. 2020. V. 8. Art. 14. DOI: 10.3389/fpubh.2020.00014

3. Tran V.V. Indoor air pollution, related human diseases, and recent trends in the control and improvement of indoor air quality / V.V. Tran, D. Park, Y.C. Lee // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020. V. 17. № 8. Art. 2927. DOI: 10.3390/ijerph17082927

4. Hayat H. The state-of-the-art of sensors and environmental monitoring technologies in buildings / H. Hayat [et al.] // Sensors. 2019. V. 19. № 17. Art. 3648. DOI: 10.3390/s19173648

5. Mahajan S. Metal-oxide semiconductors for carbon monoxide (CO) gas sensing: a review / S. Mahajan, S. Jagtap // Applied Materials Today. 2020. V. 18. Art. 100483. DOI: 10.1016/j.apmt.2019.100483

6. 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“» // Официальный интернет-портал правовой информации. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102030005 (дата обращения: 23.02.2026)

Resolution of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation No. 2 of January 28, 2021 “On approval of sanitary rules and norms SanPiN 1.2.3685-21 ‘Hygienic standards and requirements for ensuring the safety and (or) harmlessness of environmental factors for humans’” // Official Internet Portal of Legal Information. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102030005 (accessed: 23.02.2026)

7. ГОСТ Р ИСО 4224-2007. Воздух атмосферный. Определение содержания монооксида углерода. Метод недисперсионной инфракрасной спектрометрии. М.: Стандартинформ, 2008.

GOST R ISO 4224-2007. Ambient air. Determination of carbon monoxide content. Non-dispersive infrared spectrometry method. Moscow: Standartinform, 2008.

8. 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. DOI: 10.61011/OS.2023.10.56895.5312-23

Kochelaev E.A., Petrov V.V. Design of a compact optical carbon monoxide sensor with a threshold sensitivity of 1 mg/m³ (0.85 ppm). Evaluation of measurement selectivity // Optics and Spectroscopy. 2023. V. 131. № 10. P. 1431–1440. DOI: 10.61011/OS.2023.10.56895.5312-23

9. Баранов А.М., Осипова Т.В. Современные тенденции в развитии сенсоров довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров горючих жидкостей // Датчики и системы. 2021. Т. 31. № 4. С. 3–29. DOI: 10.18358/np-31-4-i329

Baranov A.M., Osipova T.V. Recent trends in the development of sensors for pre-explosive concentrations of flammable gases and vapors of flammable liquids (review) // Sensors and Systems. 2021. V. 31. № 4. P. 3–29. DOI: 10.18358/np-31-4-i329

10. Hodgkinson J. Non-dispersive infra-red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2 µm in a compact and optically efficient sensor / J. Hodgkinson, R. Smith, W.O. Ho, J.R. Saffell, R.P. Tatam // Sensors and Actuators B: Chemical. 2013. V. 186. P. 580–588. DOI: 10.1016/j.snb.2013.06.006

11. HITRAN online: спектроскопическая база данных. URL: https://hitran.iao.ru/ (дата обращения: 12.02.2026)

12. NIST Chemistry WebBook: база данных. URL: https://webbook.nist.gov/chemistry/ (дата обращения: 12.02.2026)

13. Hodgkinson J. Optical gas sensing: a review / J. Hodgkinson, R. Tatam // Measurement Science and Technology. 2013. V. 24. № 1. Art. 012004. DOI: 10.1088/0957-0233/24/1/012004

14. Jha R.K. Non-dispersive infrared gas sensing technology: a review / R.K. Jha // IEEE Sensors Journal. 2022. V. 22. № 1. P. 6–15. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3130034

15. Dinh T.-V. A review on non-dispersive infrared gas sensors: improvement of sensor detection limit and interference correction / T.-V. Dinh, I.-Y. Choi, Y.-S. Son, J.-C. Kim // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. V. 231. P. 529–538. DOI: 10.1016/j.snb.2016.03.040

16. Tan X. Non-dispersive infrared multi-gas sensing via nanoantenna integrated narrowband detectors / X. Tan, H. Zhang, J. Li, S. Fan, L. Chen, Y. Cui, Q. Li, Z. Wang // Nature Communications. 2020. V. 11. № 1. Art. 5245. DOI: 10.1038/s41467-020-19085-1

17. Нгуен Ван Ба, Губанова Л.А. Исследование интерференционных фильтров, построенных по схеме интерферометра Фабри–Перо, на основе явления нарушенного полного внутреннего отражения // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 12. С. 31–35.

Nguen Van Ba, Gubanova L.A. Narrow-band optical filters as polarizers for near-IR wavelengths // Journal of Optical Technology. 2016. V. 83(12). P. 734–737. DOI: 10.1364/JOT.83.000734