vestnikmephiВестник НИЯУ МИФИVestnik natsional'nogo issledovatel'skogo yadernogo universiteta "MIFI"2304-487XNational Research Nuclear University "MEPhI"10.26583/vestnik.2025.1.2CDROBTvestnikmephi-388Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКАTECHNICAL PHYSICSРАЗРАБОТКА НЕДИСПЕРГИРУЮЩЕГО ИНФРАКРАСНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВDEVELOPMENT OF A NON-DISPERSIVE INFRARED GAS ANALYZER FOR MEASURING THE DYNAMICS OF GREENHOUSE GASES CONCENTRATIONShttps://orcid.org/0009-0007-5360-320XКарповИ. А.KarpovI. A.Ivan123121@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6827-1761ФуфуринИ. Л.FufurinI. L.

Кандидат физ.-мат. наук, доцент

igfil@mail.ruВинтайкинИ. Б.VintaykinI. B.vintaikin_ivan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8189-7598АнфимовД. Р.AnfimovD. R.diman_anfimov@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0008-4834-8467КостероваА. П.KosterovaA. P.kosterovaa2002@mail.ruКарауловаЮ. Д.KaraulovaJ. D.karaulova.corp@yandex.ruДёмкинП. П.DemkinP. P.Demkin.Pavel1996@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8022-990XМорозовА. Н.MorozovA. N.

Доктор физ.-мат. наук, Профессор

amor59@mail.ruМГТУ им. Н.Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationЦентр прикладной физики МГТУ им. Н.Э. БауманаРоссияbCenter for Applied Physics Bauman MSTURussian Federation2025250220251411623Copyright © Карпов И.А., Фуфурин И.Л., Винтайкин И.Б., Анфимов Д.Р., Костерова А.П., Караулова Ю.Д., Дёмкин П.П., Морозов А.Н., 20252025Карпов И.А., Фуфурин И.Л., Винтайкин И.Б., Анфимов Д.Р., Костерова А.П., Караулова Ю.Д., Дёмкин П.П., Морозов А.Н.Karpov I.A., Fufurin I.L., Vintaykin I.B., Anfimov D.R., Kosterova A.P., Karaulova J.D., Demkin P.P., Morozov A.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnikmephi.elpub.ru/jour/article/view/388

Контроль концентраций парниковых газов и измерение динамики концентраций является одной из фундаментальных и ключевых задач в области экологического мониторинга. Такие газы как водяной пар, диоксид углерода, метан и др. попадают в атмосферу вследствие как естественных природных процессов, так и антропогенной деятельности. Накопление этих газов в атмосфере усиливает парниковый эффект, который в свою очередь негативно влияет как на здоровье людей и аграрную деятельность, так и на всю окружающую среду в целом. Именно поэтому важной задачей является разработка устройств, способных определять концентрации парниковых газов в атмосфере. Оптические методы измерений, в том числе методы недиспергирующей инфракрасной спектроскопии (Nondispersive infrared, NDIR), позволяют бесконтактно и в автоматическом режиме измерять концентрации составляющих газовых смесей. Представленный в данной работе NDIR‑газоанализатор регистрирует излучение на длине волны 4.26 мкм для определения концентрации диоксида углерода (также предусмотрена возможность регистрации паров воды). Полученный сигнал нормируется с помощью опорного канала, который настроен на длину волны 3.95 мкм. Для обработки экспериментальных данных была разработана математическая модель, позволяющая определять концентрации диоксида углерода в воздухе. Данная модель основывается на методах программы MATLAB и языка программирования Python. Разработанный прибор является газоанализатором открытого типа. Это позволяет использовать его в различных условиях, благодаря сниженному энергопотреблению. Представленное устройство применимо для использования на карбоновых полигонах для контроля качества работы низкоорбитальных спутников, проводящих мониторинг парниковых газов в атмосфере.

Monitoring of the greenhouse gases concentrations and their dynamics is a fundamental and crucial task in environmental monitoring. Gases such as water vapor, carbon dioxide, methane, and others enter the atmosphere through both natural processes and anthropogenic activities. The accumulation of these gases enhances the greenhouse effect, negatively impacting human health, agriculture, and the environment as a whole.  Therefore, the development of devices capable of determining atmospheric greenhouse gas concentrations is vital. Optical measurement methods, including nondispersive infrared (NDIR) spectroscopy, offer non-contact and automated measurement of gaseous mixture components. The NDIR gas analyzer presented in this work registers radiation at a wavelength of 4.26 µm to determine carbon dioxide concentration (with provision for water vapor detection). The resulting signal is normalized using a reference channel tuned to 3.95 µm. The mathematical model, developed using MATLAB and Python programming languages, processes the experimental data to determine atmospheric carbon dioxide concentrations. The developed device is an open-path gas analyzer, enabling its use in diverse environments due to its reduced power consumption.  This instrument is applicable for carbon polygon monitoring and for quality control of low-Earth orbit satellites performing atmospheric greenhouse gases monitoring.

недиспергирующая инфракрасная спектроскопияпарниковые газыгазоанализаторкарбоновые полигоныnon-dispersive infrared spectroscopygreenhouse gasesgas analyzercarbon polygonsРабота выполнена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», утвержденных постановлением Правительства Российской Федерации от 13 мая 2021 г. No 729.The work was carried out within the framework of the implementation of the strategic academic leadership program “Priority-2030”, approved by Decree of the Government of the Russian Federation of May 13, 2021 No. 729.ReferencesMikhaylov A., Moiseev N., Aleshin K., Burkhardt T. Global climate change and greenhouse effect. // Entrepreneurship and Sustainability Issues, 2020. V. 7. № 4. P. 2897-2913. http://doi.org/10.9770/jesi.2020.7.4(21)Mikhaylov A., Moiseev N., Aleshin K., Burkhardt T. Global climate change and greenhouse effect. Entrepreneurship and Sustainability Issues, 2020, vol. 7, no. 4, pp. 2897-2913. doi: http://doi.org/10.9770/jesi.2020.7.4(21)Забураева Х.Ш., Керимов И.А., Романова О.С., Широкова В.А. Аналитический обзор: причины и последствия глобальных изменений климата. // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН, 2021. № 4. С. 103-111. http://doi.org/10.33580/2541-9684-2021-87-4-103-111Zaburaeva Kh.Sh., Kerimov I.A., Romanova O.S., Shirokova V.A. Analiticheskij obzor: prichiny i posledstviya global'nyh izmenenij klimata [Analytical review: causes and consequences of global climate change]. Trudy Instituta geologii Dagestanskogo nauchnogo centra RAN, 2021, no. 4, pp. 103-111. (In Russian). doi: http://doi.org/10.33580/2541-9684-2021-87-4-103-111Керимов И.А., Эльжаев А.С., Додуев А.А. Геофизические исследования на карбоновом полигоне Чеченской Республики. // Геология и Геофизика Юга России, 2023. Т. 13. № 3. С. 49-62. https://doi.org/10.46698/VNC.2023.42.75.004Kerimov I.A., El'zhaev A.S., Doduev A.A. Geofizicheskie issledovaniya na karbonovom poligone CHechenskoj Respubliki [Geophysical research at the carbon polygon of the Chechen Republic]. Geologiya i Geofizika Yuga Rossii, 2023, vol. 13, no. 3, pp. 49-62. (In Russian). doi: https://doi.org/10.46698/VNC.2023.42.75.004Виролайнен Я.А. Методические аспекты определения содержания углекислого газа в атмосфере с помощью ИК-Фурье-спектроскопии. // Журнал прикладной спектроскопии, 2018. Т. 85. № 3. С. 453-460.Virolajnen Ya.A. Metodicheskie aspekty opredeleniya soderzhaniya uglekislogo gaza v atmosfere s pomoshch'yu IK-Fur'e-spektroskopii [Methodological aspects of determining the carbon dioxide content in the atmosphere using Fourier transform infrared spectroscopy]. Zhurnal prikladnoj spektroskopii, 2018, vol. 85, no. 3, pp. 453-460. (In Russian).Асташкин А.А., Карелин А.В., Комиссарова И.Н., Кузьмин Ю.А., Шувалов В.А., Яковлев А.А. Обзор орбитальных группировок космических аппаратов оперативного метеонаблюдения // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ, 2021. Т. 181. № 2. С. 24-55.Astashkin A.A., Karelin A.V., Komissarova I.N., Kuz'min Yu.A., Shuvalov V.A., Yakovlev A.A. Obzor orbital'nyh gruppirovok kosmicheskih apparatov operativnogo meteonablyudeniya [Review of orbital constellations of operational weather observation spacecraft].Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM, 2021, vol. 181, no. 2, pp. 24-55. (In Russian).Mayorova V., Morozov, A., Golyak, I., Golyak, I., Lazarev, N., Melnikova, V., Rachkin D., Svirin V., Tenenbaum S., Vintaykin I., Anfimov D., Fufurin I. Determination of greenhouse gas concentrations from the 16U cubesat spacecraft using fourier transform infrared spectroscopy // Sensors, 2023. V. 23. № 15. P.6794. https://doi.org/10.3390/s23156794Mayorova V., Morozov, A., Golyak, I., Golyak, I., Lazarev, N., Melnikova, V., Rachkin D., Svirin V., Tenenbaum S., Vintaykin I., Anfimov D., Fufurin I. Determination of greenhouse gas concentrations from the 16U cubesat spacecraft using fourier transform infrared spectroscopy. Sensors, 2023, vol. 23, no. 15, 6794 p. doi: https://doi.org/10.3390/s23156794Петров Д.В., Матросов И.И., Сединкин Д.О., Зарипов А.Р. Определение концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе с помощью спектроскопии кр. // Двенадцатое Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мониторингу, 2017. С. 225-226.Petrov D.V., Matrosov I.I., Sedinkin D.O., Zaripov A.R. Opredelenie koncentracii uglekislogo gaza v atmosfernom vozduhe s pomoshch'yu spektroskopii kr [Determination of carbon dioxide concentration in atmospheric air using Raman spectroscopy]. Dvenadcatoe Sibirskoe soveshchanie i shkola molodyh uchenyh po klimato-ekologicheskomu monitoringu, 2017, pp. 225-226. (In Russian).Ким Д.В., Зеневич С.Г., Газизов И.Ш., Спиридонов М.В., Родин, А.В. Разработка портативного газоанализатора для проведения измерений потоков CO2, CH4 и H2O методом турбулентных пульсаций. // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы, 2022. С. B186-B189. http://doi.org/10.56820/OAOPA.2022.25.48.001Kim D.V., Zenevich S.G., Gazizov I.SH., Spiridonov M.V., Rodin, A.V. Razrabotka portativnogo gazoanalizatora dlya provedeniya izmerenij potokov CO2, CH4 i H2O metodom turbulentnyh pul'sacij [Development of a portable gas analyzer for measuring CO2, CH4 and H2O flows using the turbulent pulsation method]. Optika atmosfery i okeana. Fizika atmosfery, 2022, pp. B186-B189. (In Russian). doi: http://doi.org/10.56820/OAOPA.2022.25.48.001Мальцев А.А. Молекулярная спектроскопия. // Изд-во Московского университета, 1980. С. 272.Mal'cev A.A. Molekulyarnaya spektroskopiya [Molecular spectroscopy]. Izd-vo Moskovskogo universiteta, 1980, 272 p. (In Russian).Dinh T.V., Lee J.Y., Ahn J.W., Kim J.C. Development of a wide-range non-dispersive infrared analyzer for the continuous measurement of CO2 in indoor environments. // Atmosphere, 2020. V. 11. № 10. P. 1024. https://doi.org/10.3390/atmos11101024Dinh T.V., Lee J.Y., Ahn J.W., Kim J.C. Development of a wide-range non-dispersive infrared analyzer for the continuous measurement of CO2 in indoor environments. Atmosphere, 2020, vol. 11, no. 10, 1024 p. doi: https://doi.org/10.3390/atmos11101024Vincent T.A., Gardner J.W. A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels // Sensors and Actuators B: Chemical, 2016. V. 236. С. 954-964. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.04.016Vincent T.A., Gardner J.W. A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, vol. 236, pp. 954-964. doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.04.016Xu M., Xu Y., Tao J., Li Y., Kang Q., Shu D., Li T., Liu Y. A design of an ultra-compact infrared gas sensor for respiratory quotient (qCO2) detection // Sensors and Actuators A: Physical, 2021. V. 331. P. 112953. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112953Xu M., Xu Y., Tao J., Li Y., Kang Q., Shu D., Li T., Liu Y. A design of an ultra-compact infrared gas sensor for respiratory quotient (qCO2) detection. Sensors and Actuators A: Physical, 2021, vol. 331, 112953 p. doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.112953Li Q., He Y., Zhao K., Ji J., Li. H., Bewley J. Development and Testing of NDIR-Based Rapid Greenhouse Gas Detection Device for Dairy Farms. // Sustainability, 2024. V. 16. № 5. P. 2131. https://doi.org/10.3390/su16052131Li Q., He Y., Zhao K., Ji J., Li. H., Bewley J. Development and Testing of NDIR-Based Rapid Greenhouse Gas Detection Device for Dairy Farms. Sustainability, 2024, vol. 16, no. 5, 2131 p. doi: https://doi.org/10.3390/su16052131Fu L., You S., Li G., Fan Z. Enhancing methane sensing with NDIR technology: Current trends and future prospects. // Reviews in Analytical Chemistry, 2023. V. 42. № 1. P. 20230062. https://doi.org/10.1515/revac-2023-0062Fu L., You S., Li G., Fan Z. Enhancing methane sensing with NDIR technology: Current trends and future prospects. Reviews in Analytical Chemistry, 2023, vol. 42, no. 1, 20230062 p. doi: https://doi.org/10.1515/revac-2023-0062Ab Latif F.N.B., Yaacob M. Detection of Methane Gas Using Absorption Spectroscopy Technique in Non-Dispersive Infrared (NDIR) Region. // Evolution in Electrical and Electronic Engineering, 2022. V. 3. № 2. P. 25-34. https://doi.org/10.30880/eeee.2022.03.02.004Ab Latif F.N.B., Yaacob M. Detection of Methane Gas Using Absorption Spectroscopy Technique in Non-Dispersive Infrared (NDIR) Region. Evolution in Electrical and Electronic Engineering, 2022, vol. 3, no. 2, pp. 25-34. doi: https://doi.org/10.30880/eeee.2022.03.02.004Karacan C.Ö., Ruiz F.A., Cotè M., Phipps S. Coal mine methane: a review of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. // International journal of coal geology, 2011. V. 86. № 2-3. P. 121-156. https://doi.org/10.1016/j.coal.2011.02.009Karacan C.Ö., Ruiz F.A., Cotè M., Phipps S. Coal mine methane: a review` of capture and utilization practices with benefits to mining safety and to greenhouse gas reduction. International journal of coal geology, 2011, vol. 86, no. 2-3, pp. 121-156. doi: https://doi.org/10.1016/j.coal.2011.02.009Бурба Г.Г., Курбатова Ю.А., Куричева О.А., Авилов В.К., Мамкин В.В. Метод турбулентных пульсаций. // Краткое практическое руководство. Москва: ИПЭЭ им. АН Северцова РАН, 2016, С. 11-27.Burba G.G., Kurbatova YU.A., Kuricheva O.A., Avilov V.K., Mamkin V.V. Metod turbulentnyh pul'sacij. Kratkoe prakticheskoe rukovodstvo [Turbulent pulsation method. A short practical guide]. Moskva: IPEE im. AN Severcova RAN, 2016, pp. 11-27. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.