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如何测量二氧化碳

更新时间:2024-03-05  |  点击率:321

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很多应用领域(从建筑自动化和温室到生命科学和人身安全)都需要进行二氧化碳测量。
本文档涉及以下主题:

• 红外二氧化碳 (CO2) 传感器的操作原理

• 理想气体定律以及如何使用它来针对环境因素补偿 CO2 测量值

• CO2 变送器的位置

• 与 CO2 有关的安全问题

红外传感器的操作原理

二氧化碳和由两个或更多不同原子组成的其他气体以方式吸收红外线 (IR)辐射。可使用 IR 技术检测这类气体。例如,可使用 IR 传感器测量水蒸汽、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的含量。其特征吸收谱带显示在图 1 中。
24.03052.pngIR 传感是应用广泛的一种 CO2 检测技术。IR 传感器与化学传感器相比有很多优势。它们稳定,且对于测量的气体具有高选择性。它们的使用寿命长,因为测量的气体不直接与传感器作用,IR 传感器可以承受高湿度、灰尘、脏污和其他恶劣环境。IR CO2 检测器的核心部件是光源、测量室、干扰滤波器和 IR 检测器。IR 辐射从光源通过测量的气体导向到检测器。位于检测器前面的滤波器防止非测量气体有的波长抵达检测器。检测光强度并将其转换为气体浓度值。维萨拉 CARBOCAP® 二氧化碳传感器使用 IR 红外传感技术来测量 CO2 的体积浓度。它采用电可调法布里珀luo干涉仪 (FPI) 滤波器进行双波长测量。这意味着除了测量 CO2 吸收量外,CARBOCAP® 传感器还执行参考测量,该测量可补偿光源强度的变化以及光路中的污染和污垢积聚。这使传感器随着时间的推移也非常稳定。有关用于CO2 测量的所有维萨拉产品系列

理想气体定律

当估计温度和压力变化对 CO2 测量的影响时,理想气体定律很有用。它可用于补偿 CO2 读数。理想气体是一种假想气体,它们由随机移动的相同点粒子组成,其大小和分子间相互作用力可忽略不计。假定理想气体分子相互之间以及与容器壁均发生弹性碰撞。在现实世界中,气体的行为并不与理想气体的行为wan全相同,但是理想气体的行为常常可用于描述实际气体的近似行为。理想气体定律根据下面的方程式来描述一定量气体的状态与压力、体积和温度之间的关系:

24.03053.pngpV = nRT
其中
p = 压力 [Pa]
V = 气体体积 [m3]
n = 气体量 [mol]
R = 通用气体常数
  (= 8.3145 J/mol K)

T = 温度 [K]


温度和压力对 CO2 测量的影响

大多数气体传感器发出的信号与分子密度(单位气体体积的分子数)成正比,即使读数用 ppm(百万分率,体积/体积)表示。压力和/或温度变化时,气体的分子密度根据理想气体定律发生相应变化。该影响通过传感器的 ppm 读数可以看到。下图直观地说明压力或温度增加如何改变气体状态以及它如何影响 CO2 测量。理想气体定律可用于计算给定温度和压力下气体的分子密度,此时标准环境温度和压力 (SATP) 条件下的气体密度是已知的。将气体量 (n) 替换为 ρV/M,假定气体的摩尔质量 (M) 在两个不同条件下为常数,则方程式可以表示为:方程式 1。密度公式可用于估计当温度和/或压力变化时气体传感器读数如何变化。密度公式可用于补偿测量 CO2 时的温度和压力变动。普通 CO2 仪表不测量压力,因此无法自动补偿压力变动。在工厂校准时,通常将仪表设置为海平面压力条件(1013 hPa)。在海拔不为海平面的高度进行测量时,建议补偿压力影响。这可以通过以下方式实现:输入用于内部补偿的正确压力设置(恒压条件)或将补偿编程到自动化系统或 PC(变化的压力条件)。

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方程式 1. 给定温度和压力下气体浓度的计算

同样的补偿规则适用于温度影响。不过,现在提供了很多可测量和补偿温度变动的CO2 计,因此无需任何外部补偿。表 1 显示根据理想气体定律,当温度和压力变化时 CO2 传感器读数(气体在SATP 下包含 1,000 ppm 的 CO2)如何变化的示例。
潮湿气体样本的干燥

进一步处理理想气体定律使我们可以了解气体混合物的组成在恒定压力、温度和体积时如何变化。例如,这可用于估计湿度变化对 CO2 读数的影响。气体混合物的分子存在于在相同温度下的相同系统体积中(V 对于所有气体均相同)。理想气体定律可以改为:

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二个方程式称为道尔顿分压定律。它zhi定气体混合物的总压等于混合物中所有组分气体的分压之和。当考虑水蒸汽对 CO2 传感器读数的影响时,此信息很有用。如果在压力、温度和体积不变时将水蒸汽加到干燥气体,水将替代混合物中的某些气体分子。同样,如果从高湿环境下提取某个气体样本并在进入 CO2 计的测量室前允许干燥,则水分子的流失会改变气体的组成,从而影响CO2 测量。这被称为稀释效应,可以使用表 2 来估计。已知干燥气体的 CO2 浓度时可以计算高湿环境下的 CO2 浓度。为此,需要知道 1013 hPa 下的露点 (Td) 或干湿条件下的水蒸汽浓度 (ppm)。从横轴选择高湿环境的湿度条件,从纵轴选择干燥气体的条件。

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示例:从露点为 40°C(水含量为73,000 ppm)的环境提取一个气体样本,将其放入 20°C Td(水含量为23,200 ppm)的环境。测量的 CO2 浓度 5.263%(20°C Td 下)转换为 40°CTd 环境下的 5.00% (5.263% × 0.950= 5.00%)。读数变小是 40°C Td 下更高的水含量稀释导致的。

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