紅外傳感器技術(shù)及其對(duì)暖通空調(diào)CO2 測(cè)量精度的影響

為了盡量減少處理外部新鮮空氣所產(chǎn)生的能耗，現(xiàn)代通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)對(duì)室內(nèi) 空氣進(jìn)行循環(huán)使用。利用二氧化碳(CO2 )傳感器作為室內(nèi)空氣質(zhì)量指示器 有助于向建筑內(nèi)部人員輸送新鮮的外部空氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化。

隨著節(jié)能法規(guī)日趨嚴(yán)格，對(duì)二氧化碳傳感 器的要求也在不斷提高。加利福尼亞州是 提升室內(nèi)空氣質(zhì)量的先驅(qū)之一，其在《建 筑標(biāo)準(zhǔn)法》中為二氧化碳傳感器制定了 性能標(biāo)準(zhǔn)：

“制造商須證明其CO2 傳感器 在海平面及25°C條件下、濃度范圍600和 1000 ppm時(shí)的測(cè)量精度達(dá)到正負(fù)75 ppm， 初次使用時(shí)由工廠進(jìn)行校準(zhǔn)或標(biāo)定，且制 造商須確認(rèn)每五年至少校準(zhǔn)一次。”

這一規(guī)定凸顯了在選擇傳感器時(shí)仔細(xì)查 看參數(shù)指標(biāo)的重要性——并非所有的傳 感器均能滿足預(yù)期要求。

紅外CO2 傳感器的工作原理

紅 外 傳感 器 — — 也稱為非色散 紅 外 (NDIR) 傳感器——成為主導(dǎo)暖通空調(diào)領(lǐng) 域CO2 傳感器市場(chǎng)的原因非常明顯。這類 傳感器具有高度的靈敏性、選擇性和穩(wěn)定 性，具有較長(zhǎng)的使用壽命，并且對(duì)環(huán)境變 化不敏感。另外該技術(shù)相對(duì)成本較高且不 易小型化的傳統(tǒng)難題已經(jīng)得到解決。

二氧化碳的特征吸收光譜帶位于波長(zhǎng) 4.26 µ m的紅外區(qū)。當(dāng)紅外光輻射穿過(guò)含 有二氧化碳的氣體時(shí)，二氧化碳分子會(huì)吸 收部分輻射。透過(guò)氣體的輻射量取決于其 所含二氧化碳的濃度。由紅外光源、探測(cè) 器和光程組成的紅外傳感器可將這一現(xiàn) 象量化（參見(jiàn)圖1）。

圖1.利用紅外探測(cè)器可探測(cè)到CO2 分子的紅外吸收情況。

A: 紅外源 B: 光程 C: 探測(cè)器

紅外CO2 傳感器及其性能差異

安裝完成后，暖通空調(diào)系統(tǒng)的CO2 傳感器 通常在數(shù)年甚至整個(gè)使用壽命期內(nèi)幾乎 不進(jìn)行維護(hù)，因此選擇具有長(zhǎng)期可靠性和 精確性的傳感器尤其重要。雖然所有紅 外CO2 傳感器的測(cè)量原理均相同，但技術(shù) 解決方案和測(cè)量性能卻差別甚大。經(jīng)驗(yàn) 豐富的暖通空調(diào)專業(yè)人員對(duì)于各種傳感 器類型及其性能的差別了如指掌。

單波束單波長(zhǎng)傳感器
單波束單波長(zhǎng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖2）， 由紅外源、測(cè)量腔室和探測(cè)器組成。

圖2. 單波束單波長(zhǎng)傳感器

此類傳感器的問(wèn)題在于其長(zhǎng)期漂移比較 嚴(yán)重。微型白熾燈泡的強(qiáng)度（二氧化碳傳 感器常見(jiàn)的紅外光源）會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變 化。此外傳感器表面可能會(huì)沉積灰塵和 污垢。當(dāng)二氧化碳濃度發(fā)生變化時(shí)，傳感 器會(huì)對(duì)這些改變做出錯(cuò)誤響應(yīng)，導(dǎo)致長(zhǎng)期 測(cè)量的不可靠性。

為了對(duì)這一固有不穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償，一些 制造商采用了自動(dòng)背景校準(zhǔn)方法。傳感 器在zhi定時(shí)間段內(nèi)（通常為數(shù)天）記錄 最小的二氧化碳讀數(shù)，然后假定最小記 錄讀數(shù)對(duì)應(yīng)于外部新鮮空氣（二氧化碳 濃度40ppm），對(duì)讀數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整。遺 憾的是由于建筑內(nèi)的人員活動(dòng)模式會(huì)影 響室內(nèi)二氧化碳水平，這種假設(shè)并非始 終成立。諸如醫(yī)院、養(yǎng)老院、住宅樓以及 辦公室等設(shè)施可能全天二十四小時(shí)都有 人員活動(dòng)，低二氧化碳水平約為600- 800ppm。反復(fù)的錯(cuò)誤調(diào)整會(huì)產(chǎn)生不正確 的二氧化碳讀數(shù)，最終導(dǎo)致通風(fēng)不足，室 內(nèi)空氣質(zhì)量低劣。另外新建筑的混凝土 碳化作用可能會(huì)將二氧化碳濃度降低到 400ppm以下，因而自動(dòng)背景修正在這種情 況下也沒(méi)有效果。

雙波束單波長(zhǎng)傳感器
雙波束單波長(zhǎng)傳感器（圖3）采用第二個(gè) 紅外源為紅外源漂移提供補(bǔ)償。讓人費(fèi) 解的是制造商聲稱由于第二個(gè)光源很少 使用，因此不會(huì)發(fā)生老化。傳感器結(jié)構(gòu)增 加了不必要的復(fù)雜性，而第二個(gè)紅外源添 加了額外的潛在故障點(diǎn)。另外灰塵和污垢 很少會(huì)在傳感器周?chē)鶆虻爻练e。因此，這種傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)而言并不可靠。

圖3. 雙波束單波長(zhǎng)傳感器結(jié)構(gòu)

單波束雙波長(zhǎng)傳感器

單波束雙波長(zhǎng)傳感器不存在影響單波束 單波長(zhǎng)和雙波束單波長(zhǎng)傳感器性能的漂 移問(wèn)題。這項(xiàng)通常在昂貴的濾光片輪式分 析儀中使用的技術(shù)不但能夠測(cè)量吸收波 長(zhǎng)，還能夠測(cè)量沒(méi)有發(fā)生吸收的參比波 長(zhǎng)。

維薩拉將單波束雙波長(zhǎng)傳感器整合到可 用于工業(yè)變送器的緊湊型結(jié)構(gòu)中。參比波 長(zhǎng)通過(guò)位于探測(cè)器前端的電子可調(diào)式法 布里-珀luogan涉儀(FPI)濾波器進(jìn)行測(cè)量。

圖4. 探測(cè)器前端裝有FPI濾波器的單 波束雙波長(zhǎng)傳感器

微電子機(jī)械加工的FPI過(guò)濾器以電子調(diào)節(jié) 方式在二氧化碳測(cè)量波長(zhǎng)和參比波長(zhǎng)之 間切換。參比測(cè)量可為紅外源強(qiáng)度及光 程上的污垢沉積變化提供補(bǔ)償，從而無(wú) 需采用復(fù)雜的補(bǔ)償算法。

單波束雙波長(zhǎng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本效 益好，長(zhǎng)期工作具有高度穩(wěn)定性，所需的 維護(hù)工作少。

選擇暖通空調(diào)CO2 傳感器時(shí)要考 察的基本性能標(biāo)準(zhǔn)：

精度：傳感器讀數(shù)與真實(shí)值 的接近程度

測(cè)量范圍：儀器能夠測(cè)量的 測(cè)量值上下限。

靈敏性：可探測(cè)到二氧化碳 濃度的最小值，以及可探測(cè) 到濃度變化的最小量值

選擇性：傳感器在混合氣體 物質(zhì)中辨別二氧化碳的能力

響應(yīng)時(shí)間：傳感器響應(yīng)二 氧化碳濃度變化所需的時(shí) 間長(zhǎng)度

穩(wěn)定性：能夠獲得穩(wěn)定且可 再次復(fù)現(xiàn)二氧化碳讀數(shù)的預(yù) 計(jì)時(shí)間范圍

功耗：對(duì)總能耗至關(guān)重要； 但由于儀表的自加熱現(xiàn)象， 也會(huì)影響測(cè)量精度

便于維護(hù)：考察的校準(zhǔn) 間隔時(shí)間、可選用的校準(zhǔn)方 案及其使用便利性

圖5展示了采用參比測(cè)量的傳感器（單波 束雙波長(zhǎng)傳感器）與未采用參比測(cè)量的傳 感器（單波束單波長(zhǎng)傳感器）的長(zhǎng)期穩(wěn)定 性差別。單波束單波長(zhǎng)傳感器都存在的 漂移問(wèn)題原因在于紅外源強(qiáng)度有所減弱， 最終導(dǎo)致二氧化碳水平的顯示值過(guò)高。然 而，傳感器漂移也會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)過(guò)低。

圖5：維薩拉單波束雙波長(zhǎng)傳感器（采用參比測(cè)量的傳感器）與單波束單波長(zhǎng)傳 感器（未采用參比測(cè)量的傳感器）的長(zhǎng)期穩(wěn)定性對(duì)比