如何測(cè)量二氧化碳

很多應(yīng)用領(lǐng)域（從建筑自動(dòng)化和溫室到生命科學(xué)和人身安全）都需要進(jìn)行二氧化碳測(cè)量。
本文檔涉及以下主題：

• 紅外二氧化碳 (CO2) 傳感器的操作原理

• 理想氣體定律以及如何使用它來針對(duì)環(huán)境因素補(bǔ)償 CO2 測(cè)量值

• CO2 變送器的位置

• 與 CO2 有關(guān)的安全問題

紅外傳感器的操作原理

二氧化碳和由兩個(gè)或更多不同原子組成的其他氣體以方式吸收紅外線 (IR)輻射。可使用 IR 技術(shù)檢測(cè)這類氣體。例如，可使用 IR 傳感器測(cè)量水蒸汽、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的含量。其特征吸收譜帶顯示在圖 1 中。
IR 傳感是應(yīng)用廣泛的一種 CO2 檢測(cè)技術(shù)。IR 傳感器與化學(xué)傳感器相比有很多優(yōu)勢(shì)。它們穩(wěn)定，且對(duì)于測(cè)量的氣體具有高選擇性。它們的使用壽命長(zhǎng)，因?yàn)闇y(cè)量的氣體不直接與傳感器作用，IR 傳感器可以承受高濕度、灰塵、臟污和其他惡劣環(huán)境。IR CO2 檢測(cè)器的核心部件是光源、測(cè)量室、干擾濾波器和 IR 檢測(cè)器。IR 輻射從光源通過測(cè)量的氣體導(dǎo)向到檢測(cè)器。位于檢測(cè)器前面的濾波器防止非測(cè)量氣體有的波長(zhǎng)抵達(dá)檢測(cè)器。檢測(cè)光強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換為氣體濃度值。維薩拉 CARBOCAP® 二氧化碳傳感器使用 IR 紅外傳感技術(shù)來測(cè)量 CO2 的體積濃度。它采用電可調(diào)法布里珀luo干涉儀 (FPI) 濾波器進(jìn)行雙波長(zhǎng)測(cè)量。這意味著除了測(cè)量 CO2 吸收量外，CARBOCAP® 傳感器還執(zhí)行參考測(cè)量，該測(cè)量可補(bǔ)償光源強(qiáng)度的變化以及光路中的污染和污垢積聚。這使傳感器隨著時(shí)間的推移也非常穩(wěn)定。有關(guān)用于CO2 測(cè)量的所有維薩拉產(chǎn)品系列

理想氣體定律

當(dāng)估計(jì)溫度和壓力變化對(duì) CO2 測(cè)量的影響時(shí)，理想氣體定律很有用。它可用于補(bǔ)償 CO2 讀數(shù)。理想氣體是一種假想氣體，它們由隨機(jī)移動(dòng)的相同點(diǎn)粒子組成，其大小和分子間相互作用力可忽略不計(jì)。假定理想氣體分子相互之間以及與容器壁均發(fā)生彈性碰撞。在現(xiàn)實(shí)世界中，氣體的行為并不與理想氣體的行為wan全相同，但是理想氣體的行為常?？捎糜诿枋鰧?shí)際氣體的近似行為。理想氣體定律根據(jù)下面的方程式來描述一定量氣體的狀態(tài)與壓力、體積和溫度之間的關(guān)系：

pV = nRT
其中
p = 壓力 [Pa]
V = 氣體體積 [m3]
n = 氣體量 [mol]
R = 通用氣體常數(shù)
  (= 8.3145 J/mol K)

T = 溫度 [K]

溫度和壓力對(duì) CO2 測(cè)量的影響

大多數(shù)氣體傳感器發(fā)出的信號(hào)與分子密度（單位氣體體積的分子數(shù)）成正比，即使讀數(shù)用 ppm（百萬分率，體積/體積）表示。壓力和/或溫度變化時(shí)，氣體的分子密度根據(jù)理想氣體定律發(fā)生相應(yīng)變化。該影響通過傳感器的 ppm 讀數(shù)可以看到。下圖直觀地說明壓力或溫度增加如何改變氣體狀態(tài)以及它如何影響 CO2 測(cè)量。理想氣體定律可用于計(jì)算給定溫度和壓力下氣體的分子密度，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度和壓力 (SATP) 條件下的氣體密度是已知的。將氣體量 (n) 替換為 ρV/M，假定氣體的摩爾質(zhì)量 (M) 在兩個(gè)不同條件下為常數(shù)，則方程式可以表示為：方程式 1。密度公式可用于估計(jì)當(dāng)溫度和/或壓力變化時(shí)氣體傳感器讀數(shù)如何變化。密度公式可用于補(bǔ)償測(cè)量 CO2 時(shí)的溫度和壓力變動(dòng)。普通 CO2 儀表不測(cè)量壓力，因此無法自動(dòng)補(bǔ)償壓力變動(dòng)。在工廠校準(zhǔn)時(shí)，通常將儀表設(shè)置為海平面壓力條件(1013 hPa)。在海拔不為海平面的高度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，建議補(bǔ)償壓力影響。這可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：輸入用于內(nèi)部補(bǔ)償?shù)恼_壓力設(shè)置（恒壓條件）或?qū)⒀a(bǔ)償編程到自動(dòng)化系統(tǒng)或 PC（變化的壓力條件）。

方程式 1. 給定溫度和壓力下氣體濃度的計(jì)算

同樣的補(bǔ)償規(guī)則適用于溫度影響。不過，現(xiàn)在提供了很多可測(cè)量和補(bǔ)償溫度變動(dòng)的CO2 計(jì)，因此無需任何外部補(bǔ)償。表 1 顯示根據(jù)理想氣體定律，當(dāng)溫度和壓力變化時(shí) CO2 傳感器讀數(shù)（氣體在SATP 下包含 1,000 ppm 的 CO2）如何變化的示例。
潮濕氣體樣本的干燥
進(jìn)一步處理理想氣體定律使我們可以了解氣體混合物的組成在恒定壓力、溫度和體積時(shí)如何變化。例如，這可用于估計(jì)濕度變化對(duì) CO2 讀數(shù)的影響。氣體混合物的分子存在于在相同溫度下的相同系統(tǒng)體積中（V 對(duì)于所有氣體均相同）。理想氣體定律可以改為：

二個(gè)方程式稱為道爾頓分壓定律。它zhi定氣體混合物的總壓等于混合物中所有組分氣體的分壓之和。當(dāng)考慮水蒸汽對(duì) CO2 傳感器讀數(shù)的影響時(shí)，此信息很有用。如果在壓力、溫度和體積不變時(shí)將水蒸汽加到干燥氣體，水將替代混合物中的某些氣體分子。同樣，如果從高濕環(huán)境下提取某個(gè)氣體樣本并在進(jìn)入 CO2 計(jì)的測(cè)量室前允許干燥，則水分子的流失會(huì)改變氣體的組成，從而影響CO2 測(cè)量。這被稱為稀釋效應(yīng)，可以使用表 2 來估計(jì)。已知干燥氣體的 CO2 濃度時(shí)可以計(jì)算高濕環(huán)境下的 CO2 濃度。為此，需要知道 1013 hPa 下的露點(diǎn) (Td) 或干濕條件下的水蒸汽濃度 (ppm)。從橫軸選擇高濕環(huán)境的濕度條件，從縱軸選擇干燥氣體的條件。

示例：從露點(diǎn)為 40°C（水含量為73,000 ppm）的環(huán)境提取一個(gè)氣體樣本，將其放入 20°C Td（水含量為23,200 ppm）的環(huán)境。測(cè)量的 CO2 濃度 5.263%（20°C Td 下）轉(zhuǎn)換為 40°CTd 環(huán)境下的 5.00% (5.263% × 0.950= 5.00%)。讀數(shù)變小是 40°C Td 下更高的水含量稀釋導(dǎo)致的。