基于全新測(cè)量原理的二氧化碳傳感器 清潔空氣的好時(shí)機(jī)
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二氧化碳(CO2)是由碳和氧組成的無(wú)色無(wú)味氣體，是所有有機(jī)化合物的基礎(chǔ)物質(zhì)。植物利用光合作用將其與水一起轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氧氣。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202212/442132.htm二氧化碳(CO2)是由碳和氧組成的無(wú)色無(wú)味氣體，是所有有機(jī)化合物的基礎(chǔ)物質(zhì)。植物利用光合作用將其與水一起轉(zhuǎn)化為有機(jī)物并釋放氧氣。
二氧化碳由細(xì)胞呼吸以及動(dòng)物和植物有機(jī)體的腐爛產(chǎn)生。在人類(lèi)文明發(fā)展中，工業(yè)方面的化石物品燃燒也會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，如建筑供暖或汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)油料燃燒。這導(dǎo)致地球大氣層中的二氧化碳濃度上升，從而加劇了溫室效應(yīng)，導(dǎo)致地球氣候變化。
對(duì)人類(lèi)的影響
少量二氧化碳對(duì)人類(lèi)是完全安全的；然而，在較高的濃度下，它可以阻止肺部吸收氧氣，并可能導(dǎo)致各種癥狀，這取決于空氣中的二氧化碳含量?？諝庵卸趸俭w積含量在1%到3%之間時(shí)，人的專(zhuān)注力可能會(huì)受到影響，或出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，而且可能會(huì)出現(xiàn)心率或血壓上升。二氧化碳體積含量達(dá)到5%以上時(shí)，可能會(huì)引起頭暈、頭痛、呼吸急促，并最終失去知覺(jué)。
因此DIN EN 13779標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)二氧化碳濃度定義了室內(nèi)空氣質(zhì)量的四個(gè)類(lèi)別。它將低于800ppm（百萬(wàn)分之一）的二氧化碳水平歸為優(yōu)良，不超過(guò)1000ppm水平為中等良好，1000ppm以上水平則為中等質(zhì)量。當(dāng)二氧化碳濃度超過(guò)1400ppm時(shí)，空氣質(zhì)量認(rèn)定為差。在工作場(chǎng)所，員工在8小時(shí)內(nèi)接觸的二氧化碳濃度不得超過(guò)5000ppm。
二氧化碳和冠狀病毒
在冠狀病毒大流行的情況下，研究人員考察了二氧化碳濃度和氣溶膠之間是否有直接關(guān)聯(lián)，因?yàn)楹行鹿诓《镜臍馊苣z會(huì)成為傳播途徑。根據(jù)目前的了解，二氧化碳濃度和氣溶膠之間不存在直接關(guān)聯(lián)。即便如此，較高的二氧化碳含量表明室內(nèi)空氣不佳，這通常也會(huì)導(dǎo)致氣溶膠濃度升高，因此二氧化碳和氣溶膠之間存在著間接的關(guān)系。因此，有兩個(gè)很好的理由堅(jiān)持采取通風(fēng)措施：改善人體健康和提高工作績(jī)效，以及減少感染冠狀病毒的風(fēng)險(xiǎn)。
此外，由于冠狀病毒的管控措施，例如居家辦公和居家教學(xué)以及商業(yè)和餐館關(guān)閉，使得大多數(shù)人呆在家里的時(shí)間增多。現(xiàn)代建筑物的隔熱性能越來(lái)越好，以滿足如今的能源效率標(biāo)準(zhǔn)，所以室內(nèi)通風(fēng)的情況很少。因此，監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣的二氧化碳含量相比以往任何時(shí)候都更加重要。
避免空氣悶焗
人們使用合適的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)二氧化碳的濃度，例如用于二氧化碳警告燈。在教室里，當(dāng)二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，二氧化碳警告燈可以用來(lái)提供簡(jiǎn)明的視覺(jué)指示，讓教室里的人員打開(kāi)窗戶(hù)。在智能家居系統(tǒng)中，它們提供的數(shù)值用于自動(dòng)觸發(fā)通風(fēng)措施或警告信號(hào)。
這種傳感器數(shù)據(jù)也可用于其他信息，例如，確定一個(gè)房間里目前有多少人。這里使用了一種算法，對(duì)人們呼吸產(chǎn)生的二氧化碳水平的平均增長(zhǎng)和所測(cè)量的二氧化碳濃度的增長(zhǎng)進(jìn)行比較。
在食品工業(yè)和食品物流中，可以通過(guò)控制調(diào)節(jié)二氧化碳濃度來(lái)積極影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)槎趸伎梢约铀倩驕p慢水果和蔬菜的自然老化過(guò)程。二氧化碳含量對(duì)于植物和動(dòng)物也有影響。生產(chǎn)者可以通過(guò)檢測(cè)和調(diào)整這一數(shù)值以帶來(lái)益處。
NDIR測(cè)量技術(shù)
來(lái)自盛思銳的SCD30傳感器是測(cè)量二氧化碳濃度的成熟解決方案。它使用了非分散紅外光譜（NDIR）測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量范圍高達(dá)40,000ppm, 在0-10,000ppm范圍內(nèi)，其精度高達(dá)測(cè)量值的±30ppm +3%。
NDIR測(cè)量是基于一個(gè)紅外輻射源和兩個(gè)相對(duì)放置的光學(xué)濾光片，測(cè)試管內(nèi)有兩個(gè)分別放置在兩端的檢測(cè)器，輻射源發(fā)出的波長(zhǎng)只被二氧化碳分子吸收。空氣通過(guò)一個(gè)開(kāi)口流入管內(nèi)，其中的二氧化碳分子吸收了部分輻射。另一端的檢測(cè)器則測(cè)量由此產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度的變化。第二個(gè)檢測(cè)器提供參考測(cè)量數(shù)值，以盡量減少污垢或灰塵等污染物的影響。
這項(xiàng)原理使得傳感器的體積相對(duì)較大，盛思銳的SCD30傳感器尺寸為35 mm × 23 mm × 7 mm，但由于具有高測(cè)量精度，多年來(lái)仍然是二氧化碳檢測(cè)領(lǐng)域的主要產(chǎn)品。
光聲測(cè)量系統(tǒng)
盛思銳現(xiàn)在推出一款后續(xù)產(chǎn)品SCD4x，它滿足了所有與小型化和降低功耗有關(guān)的要求。該傳感器基于全新的光聲傳感器技術(shù)，不要求輻射源和傳感器之間保持一定距離，使得SCD4x尺寸僅為10 mm × 10 mm × 6.5 mm，而且仍然比先前型款便宜。然而，這項(xiàng)測(cè)量技術(shù)將精度降低到400和2,000ppm之間的±50 ppm +5%（SCD40）或400和5,000ppm之間的±40 ppm +5%（SCD41）。與前一代SCD30傳感器一樣，測(cè)量范圍為0至40,000 ppm。
圖1：由于采用全新測(cè)量技術(shù)，盛思銳公司的SCD4x二氧化碳傳感器相比先前型款體積大幅減小 (圖片來(lái)源：盛思銳)
這些新型傳感器具有小巧的尺寸和卓越的性?xún)r(jià)比，特別適合智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)、暖通空調(diào)、食品和消費(fèi)品領(lǐng)域的應(yīng)用。
光聲測(cè)量技術(shù)是基于與二氧化碳分子的吸收帶相匹配的窄帶光。這意味著它具有精確的波長(zhǎng)范圍，其電磁輻射能量被二氧化碳分子吸收。將光發(fā)射到傳感器的測(cè)量單元中，而二氧化碳分子吸收了部分光。這導(dǎo)致二氧化碳分子發(fā)生振蕩，從而增加了測(cè)量單元的壓力。使用麥克風(fēng)測(cè)量這個(gè)壓力差，可以得出測(cè)量單元中存在的二氧化碳分子含量的結(jié)論，從而推算出空氣中二氧化碳的濃度。
圖2：光聲測(cè)量技術(shù)如何工作。該技術(shù)用作盛思銳公司新型SCD4x二氧化碳傳感器中的PASens技術(shù) (圖片來(lái)源：盛思銳)
通過(guò)這種測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)器信號(hào)在普通測(cè)量范圍內(nèi)的低漂移抵消了測(cè)量精度的降低。隨著二氧化碳濃度的上升，漂移也會(huì)增加。而NDIR技術(shù)，情況則正好相反，特別是在二氧化碳濃度低的地方，檢測(cè)器信號(hào)的漂移更加明顯（圖3）。
圖3：使用NDIR和光聲（PA）測(cè)量技術(shù)，檢測(cè)器信號(hào)和二氧化碳濃度之間形成理想化關(guān)系 (圖片來(lái)源：儒卓力)
結(jié)論
人們要了解空氣中的二氧化碳濃度，從未像現(xiàn)在這樣重要，因?yàn)樗粌H影響到人們的福祉和健康，而且還能幫助遏制冠狀病毒的傳播。食品生產(chǎn)和物流行業(yè)，以及動(dòng)植物養(yǎng)殖行業(yè)可以利用二氧化碳含量水平，積極提高產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的成熟二氧化碳傳感器得益于高測(cè)量精度，新型款則滿足了對(duì)更小型傳感器和更低成本的需求，盡管測(cè)量精度因此而受到輕微影響。
評(píng)論