CO2 感测中所面临的挑战
我们日常大部分的时间都是在室内度过的——如家里、办公室里,或是逛商店、餐馆里用餐以及在其他的公共场所内。随着新鲜空气逐渐成为一种珍贵的东西,建筑物内进行适当的通风则变得非常重要。长期以来,CO2 含量水平一直被当作衡量室内空气质量的指标,这就是为什么很多现代化的 HVAC 系统都配备了 CO2 传感器。
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要让这些传感器准确无误,就需要考虑并解决很多因素:
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新鲜空气对健康的好处是勿庸置疑的。缺乏新鲜空气会影响我们的健康和注意力。遗憾的是,在今天这个繁忙的世界里,我们很少有人能随心所愿地在户外享受更多的时光。平均而言,我们日常生活90%的时间都是在室内度过的,而其中大部分时间都是宅在家里。虽然我们经常会出门,但很大一部分时间都是在家以外的另一个室内场所中度过,如办公室、餐厅或商店。这清楚地表明了优质的室内空气和适当监测 CO2 水平的重要性,特别是在拥挤的场所。
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虽然高含量的 CO2 和糟糕的空气质量不能划等号,但 CO2 的浓度升高却恰好说明了室内需要进行额外通风。此外,CO2 的增加往往与挥发性有机化合物(VOC)浓度的上升相伴而生,因为两者都是由人排放出来的。众所周知,不良空气——尤其是高挥发性有机化合物——会损害健康,并会增加空气传播病毒的风险,如SARS-CoV-2。还有,缺乏新鲜空气也会对生产效率和专注力产生重大影响——这一说法得到了大量研究结果的支持。
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极端做法一向都是不可取的,对通风也是一样。暖通空调系统若持续以最大容量运作将会造成高能耗,从而导致高昂的电费,尤其是在极度炎热或极度寒冷的时期。因此,当下"按需控制通风"被视为暖通空调系统的黄金标准并不令人感到意外,CO2 浓度经常被用作控制参数,因其与空气质量密切相关。该应用程序有赖于传感器提供有关 CO2 含量的准确信息,当其达到一个指定限值时便可启动系统。尽管世界各地的舒适标准各不相同,但都有一个共识,即 CO2 水平应始终保持在1000ppm以下,而且不能长时间超过1500ppm。当然一个不错的折衷方案就是每30秒测量和调整一次 CO2 水平,这样可以保持空气新鲜也能降低能耗费用。
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常见的 CO2 传感器设计包括一个光源和两个探测器(图1)。当光线通过充满了室内环境气息的测量室时,便被在场的分子所吸收。探测器有个窗口约为4.3µm的滤光器——相当于 CO2 吸收光谱的一个峰值——这意味着它只记录由于 CO2 分子的存在而导致光熄灭的情况。相比之下,参考的探测器测量的是未经过滤的光强度,因而可通过比较两个测量值来确定 CO2 水平。双传感器的设计还有助于抵消因光源退化或小灰尘颗粒引起的光强下降。为了进一步提高传感器的鲁棒性,应为其配备防尘罩,以阻止颗粒物干扰探测器。
图1: NDIR 双探测器方法的视觉化
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尽管双通道方法被视为相当的准确,但其本身不能保证长期稳定地测量。因为随着时间的推移, 基线可能会由于传感器组件的老化而开始偏移。这可以通过自动基线校正(ABC)来解决,因其能不断跟踪传感器的最低读数,并对检测到的任何偏移进行校正。这种方法适用于长时间无人占用的建筑物,如周末关闭的办公室。然而,在24小时都有人员占用的场所,如医院急诊室、物流中心或工厂,这种偏移就不那么容易识别和解决了。因此,使用坚固可靠的传感器至关重要,它能长期准确地测量,而无需经常校准,从而能用于广泛的用途,且不需要考虑建筑物的占用模式。
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室内传感器需要能在任何条件下准确地测量 CO2 水平,也就是说它需要对压力、温度和湿度的逐渐和急剧变化具有良好的耐受力。还需要考虑不同海拔高度的压力差,因为即便是海拔400米,也会导致测得的 CO2 浓度有70ppm的偏差。考虑到一些监管机构——例如美国的几个州政府——只允许±75 ppm的偏差,这几乎是不留任何误差的余地。因此,任何高性能的 CO2 传感器都应含有绝对压力补偿功能(图2)。
图 2: 在不同的海拔高度,具有与不具有绝对压力补偿功能的传感器之间的比较。
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为确保传感器能在各种条件下运作,应该进行扩展测试,从而保证其长期的稳定性及功能。因此, 传感器应经受长时间的跨越数周的测试——涵盖所有可能的天气条件,并重点关注那些众所周知的对设备带来很大压力的环境因素。譬如,可在95%的相对湿度和35℃的条件下测试非冷凝湿热性能,以确保传感器具有耐腐蚀性并能同时保持其性能。另一方面,干热测量应在较高的温度下进行——60-70℃——以确认不会因材料膨胀系数的差异而发生偏移。由于内部温度梯度也可以在整个设备性能中发挥作用,因而必须在最大限度减少自热的基础上来构建传感器原件。
总结
随着我们呆在室内的时间越来越多,监测室内空气质量就变得越来越重要,这个可以通过测量 CO2 水平来轻松完成。因此,许多机构会选择能根据 CO2水平来调节气流的暖通空调系统。但这些系统需要配备可靠的传感器, 以便能输送适量的空气而不会造成过度通风的状况。尽管大多数传感器一开始都很准确,但长远来看,会证明是不稳定的,需要频繁地重新校准。这种方法在某些情况下可能奏效,但在经常被占用的场所并不起作用。因此,选择耐用可靠的传感器有很大的好处,不仅能提供正确的测量值而且不需要频繁的调整。搏力谋传感器的设计考虑到了所有这些因素,以用于室内空气质量的监测,它能在几乎任何环境条件下长期而准确地测量 CO2 含量。
环境传感技术开发部主管 Sebastian Eberle 博士
传感器开发系统工程师 Yoram Mottas