应用注释

红外传感器技术及其对暖通空调CO2 测量精度的影响

为了尽量减少处理外部新鲜空气所产生的能耗,现代通风系统会对室内 空气进行循环使用。利用二氧化碳(CO2 )传感器作为室内空气质量指示器 有助于向建筑内部人员输送新鲜的外部空气,同时实现能耗优化。

建筑物和室内空气质量

随着节能法规日趋严格,对二氧化碳传感 器的要求也在不断提高。加利福尼亚州是 提升室内空气质量的先驱之一,其在《建 筑标准法》中为二氧化碳传感器制定了 性能标准:

“制造商须证明其CO2 传感器 在海平面及25°C条件下、浓度范围600和 1000 ppm时的测量精度达到正负75 ppm, 初次使用时由工厂进行校准或标定,且制 造商须确认每五年至少校准一次。”

这一规定凸显了在选择传感器时仔细查 看参数指标的重要性——并非所有的传 感器均能满足预期要求。

红外CO2 传感器的工作原理

红 外 传感 器 — — 也称为非色散 红 外 (NDIR) 传感器——成为主导暖通空调领 域CO2 传感器市场的原因非常明显。这类 传感器具有高度的灵敏性、选择性和稳定 性,具有较长的使用寿命,并且对环境变 化不敏感。另外该技术相对成本较高且不 易小型化的传统难题已经得到解决。

二氧化碳的特征吸收光谱带位于波长 4.26 µ m的红外区。当红外光辐射穿过含 有二氧化碳的气体时,二氧化碳分子会吸 收部分辐射。透过气体的辐射量取决于其 所含二氧化碳的浓度。由红外光源、探测 器和光程组成的红外传感器可将这一现 象量化(参见图1)。

 

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图1.利用红外探测器可探测到CO2 分子的红外吸收情况。 

A: 红外源 B: 光程 C: 探测器

红外CO2 传感器及其性能差异

安装完成后,暖通空调系统的CO2 传感器 通常在数年甚至整个使用寿命期内几乎 不进行维护,因此选择具有长期可靠性和 精确性的传感器尤其重要。虽然所有红 外CO2 传感器的测量原理均相同,但技术 解决方案和测量性能却差别甚大。经验 丰富的暖通空调专业人员对于各种传感 器类型及其性能的差别了如指掌。

单波束单波长传感器

单波束单波长传感器结构简单(见图2), 由红外源、测量腔室和探测器组成。

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图2. 单波束单波长传感器

此类传感器的问题在于其长期漂移比较 严重。微型白炽灯泡的强度(二氧化碳传 感器常见的红外光源)会随时间发生变 化。此外传感器表面可能会沉积灰尘和 污垢。当二氧化碳浓度发生变化时,传感 器会对这些改变做出错误响应,导致长期 测量的不可靠性。

为了对这一固有不稳定性进行补偿,一些 制造商采用了自动背景校准方法。传感 器在指定时间段内(通常为数天)记录 最小的二氧化碳读数,然后假定最小记 录读数对应于外部新鲜空气(二氧化碳 浓度40ppm),对读数重新进行调整。遗 憾的是由于建筑内的人员活动模式会影 响室内二氧化碳水平,这种假设并非始 终成立。诸如医院、养老院、住宅楼以及 办公室等设施可能全天二十四小时都有 人员活动,最低二氧化碳水平约为600- 800ppm。反复的错误调整会产生不正确 的二氧化碳读数,最终导致通风不足,室 内空气质量低劣。另外新建筑的混凝土 碳化作用可能会将二氧化碳浓度降低到 400ppm以下,因而自动背景修正在这种情 况下也没有效果。

双波束单波长传感器

双波束单波长传感器(图3)采用第二个 红外源为红外源漂移提供补偿。让人费 解的是制造商声称由于第二个光源很少 使用,因此不会发生老化。传感器结构增 加了不必要的复杂性,而第二个红外源添 加了额外的潜在故障点。另外灰尘和污垢 很少会在传感器周围均匀地沉积。因此, 这种传感器结构相对而言并不可靠。

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图3. 双波束单波长传感器结构

单波束双波长传感器

单波束双波长传感器不存在影响单波束 单波长和双波束单波长传感器性能的漂 移问题。这项通常在昂贵的滤光片轮式分 析仪中使用的技术不但能够测量吸收波 长,还能够测量没有发生吸收的参比波 长。

维萨拉将单波束双波长传感器整合到可 用于工业变送器的紧凑型结构中。参比波 长通过位于探测器前端的电子可调式法 布里-珀罗干涉仪(FPI)滤波器进行测量。

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图4. 探测器前端装有FPI滤波器的单 波束双波长传感器

微电子机械加工的FPI过滤器以电子调节 方式在二氧化碳测量波长和参比波长之 间切换。参比测量可为红外源强度及光 程上的污垢沉积变化提供补偿,从而无 需采用复杂的补偿算法。

单波束双波长传感器结构简单,成本效 益好,长期工作具有高度稳定性,所需的 维护工作少。

选择暖通空调CO2 传感器时要考 察的基本性能标准:

  • 精度:传感器读数与真实值 的接近程度 
  • 测量范围:仪器能够测量的 测量值上下限。 
  • 灵敏性:可探测到二氧化碳 浓度的最小值,以及可探测 到浓度变化的最小量值 
  • 选择性:传感器在混合气体 物质中辨别二氧化碳的能力 
  • 响应时间:传感器响应二 氧化碳浓度变化所需的时 间长度 
  • 稳定性:能够获得稳定且可 再次复现二氧化碳读数的预 计时间范围 
  • 功耗:对总能耗至关重要; 但由于仪表的自加热现象, 也会影响测量精度 
  • 便于维护:考察指定的校准 间隔时间、可选用的校准方 案及其使用便利性

图5展示了采用参比测量的传感器(单波 束双波长传感器)与未采用参比测量的传 感器(单波束单波长传感器)的长期稳定 性差别。单波束单波长传感器都存在的 漂移问题原因在于红外源强度有所减弱, 最终导致二氧化碳水平的显示值过高。然 而,传感器漂移也会导致读数过低。

图5:维萨拉单波束双波长传感器(采用参比测量的传感器)与单波束单波长传 感器(未采用参比测量的传感器)的长期稳定性对比

红外源 —— 性能源自新一代 技术

微型白炽灯泡

绝大多数红外CO2 传感器采用微型白炽灯 泡作为红外源(图6),但其并非传感器的 理想光源。首先,不同设备的初始光强度 差别很大,这会导致产生仪器内部结构 部署问题。其次,它们均存在固有不稳定 性:钨丝会蒸发并附着于玻璃表面,导致 灯泡壁变黑。当灯丝变细时,输出强度会 逐渐下降。未采用参比测量的传感器(单波束单波长和双波束单波长传感器)长 期稳定性受到严重影响(图5)。其他缺点 还有功耗相对较高以及使用寿命有限。

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图6.微型白炽灯泡

微辉光光源

新一代红外技术(微辉光技术)解决了影 响传统红外光源的诸多问题。微辉光技术 的主要优点(图7)是红外源寿命延长、功 耗降低、质量均一以及批量生产性能卓 越。

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图7:微机电系统制造的维萨拉专利 硅基微辉光红外发射源

以微辉光技术代替白炽灯泡能够让传感 器工作寿命增加50%,而功耗仅为传统红 外光源的25%。

白炽灯泡产生的大量热能限制了其在可 测量二氧化碳以及湿度和温度的多参数 变送器上的应用。湿度是一种温度依赖 型参数,在接近热源的情况下无法实现可 靠的测量。微辉光技术独特的低功耗特性实现了在 测量二氧化碳的同一变送器壳体内进行 高质量湿度测量,并缩短了传感器加热时 间。

微辉光强度在其整个寿命期内均极其稳 定(图8)。由于芯片可自动地直接装配在 组件电路板上,其他优点还有响应时间 短、生产性能卓越。

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图8. 微辉光技术卓越的长期稳定性。

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