Датчик углекислого газа

Датчик углекислого газа или датчик CO 2 — это прибор для измерения углекислого газа. Наиболее распространенными принципами для датчиков CO 2 являются инфракрасные газовые датчики ( NDIR ) и химические газовые датчики. Измерение углекислого газа важно для мониторинга качества воздуха в помещении , [1] функции легких в виде капнографического устройства и многих промышленных процессов.

Недисперсионный инфракрасный (NDIR) CO2датчики

Измеритель концентрации CO 2 с использованием недисперсионного инфракрасного датчика

Датчики NDIR — это спектроскопические датчики для обнаружения CO2 в газообразной среде по его характерному поглощению. Ключевыми компонентами являются инфракрасный источник, световая трубка, интерференционный (длинноволновой) фильтр и инфракрасный детектор. Газ закачивается или диффундирует в световую трубку, а электроника измеряет поглощение характерной длины волны света. Датчики NDIR чаще всего используются для измерения углекислого газа. [2] Лучшие из них имеют чувствительность 20–50 PPM . [2] Типичные датчики NDIR стоят в диапазоне от 100 до 1000 долларов США.

Датчики NDIR CO 2 также используются для растворенного CO 2 для таких приложений, как газирование напитков, фармацевтическая ферментация и приложения по связыванию CO 2. В этом случае они сопряжены с оптикой ATR (ослабленное полное отражение) и измеряют газ на месте . Новые разработки включают использование источников ИК-излучения микроэлектромеханических систем (MEMS) для снижения стоимости этого датчика и создания более мелких устройств (например, для использования в системах кондиционирования воздуха ). [3]

Другой метод ( закон Генри ) также может быть использован для измерения количества растворенного CO2 в жидкости, если количество посторонних газов незначительно. [ необходимо дополнительное объяснение ]

Фотоакустические датчики

CO 2 можно измерить с помощью фотоакустической спектроскопии . Концентрацию CO 2 можно измерить, подвергая образец воздействию импульсов электромагнитной энергии (например, от распределенного лазера с обратной связью [4] ), которая настроена специально на длину волны поглощения CO 2 . С каждым импульсом энергии молекулы CO 2 внутри образца будут поглощать и генерировать волны давления посредством фотоакустического эффекта . Эти волны давления затем обнаруживаются акустическим детектором и преобразуются в пригодные для использования показания CO 2 с помощью компьютера или микропроцессора. [5]

Химический CO2датчики

Химические датчики CO 2 с чувствительными слоями на основе полимера или гетерополисилоксана имеют принципиальное преимущество в виде очень низкого потребления энергии, а также в том, что их можно уменьшить в размерах, чтобы они вписывались в микроэлектронные системы. С другой стороны, краткосрочные и долгосрочные эффекты дрейфа, а также довольно короткий общий срок службы являются основными препятствиями по сравнению с принципом измерения NDIR. [6] Большинство датчиков CO 2 полностью калибруются перед отправкой с завода. Со временем нулевую точку датчика необходимо калибровать для поддержания долгосрочной стабильности датчика. [7]

Расчетный CO2датчик

Для помещений, таких как офисы или спортзалы, где основным источником CO2 является человеческое дыхание , перемасштабирование некоторых более простых для измерения величин, таких как концентрации летучих органических соединений (ЛОС) и водорода ( H2 ) , обеспечивает достаточно хорошую оценку реальной концентрации CO2 для целей вентиляции и занятости. [ требуется ссылка ] Кроме того, поскольку вентиляция является фактором распространения респираторных вирусов , [8] уровни CO2 являются грубой метрикой для риска COVID-19 ; чем хуже вентиляция, тем лучше для вирусов, и наоборот . [9] Датчики для этих веществ могут быть изготовлены с использованием дешевой (~$20) технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) на основе металл-оксид-полупроводника (MOS). Показания, которые они генерируют, называются оценочным CO2 ( eCO2 ) [ 10] или эквивалентом CO2 (CO2 - экв ). [11] Хотя показания, как правило, достаточно хороши в долгосрочной перспективе, введение нереспираторных источников ЛОС или CO 2 , таких как очистка фруктов или использование духов , подорвет их надежность. Датчики на основе H 2 менее восприимчивы, поскольку они более специфичны для человеческого дыхания, хотя те самые состояния здоровья, которые должен диагностировать водородный дыхательный тест, также будут нарушать их работу. [11]

Приложения

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Кампезиду, СИ; Тикаят Рэй, А.; Дункан, С.; Балханос, МГ; Маврис, ДН (2021-01-07). «Обнаружение присутствия в реальном времени с помощью машин распознавания образов на основе физики на основе ограниченных датчиков CO2 и температуры». Энергия и здания . 242 : 110863. Bibcode : 2021EneBu.24210863K. doi : 10.1016/j.enbuild.2021.110863 . ISSN  0378-7788. S2CID  233831299.
  2. ^ ab Lang, T.; Wiemhöfer, HD; Göpel, W. (1996). «Датчики CO 2 на основе карбоната с высокой производительностью». Датчики и приводы B: Химия . 34 ( 1– 3): 383– 7. doi :10.1016/S0925-4005(96)01846-1.
  3. ^ Винсент, ТА; Гарднер, ДЖ. В. (ноябрь 2016 г.). «Недорогая система NDIR на основе МЭМС для мониторинга содержания углекислого газа в анализе дыхания на уровне ppm». Датчики и приводы B: Химия . 236 : 954–964 . Bibcode : 2016SeAcB.236..954V. doi : 10.1016/j.snb.2016.04.016.
  4. ^ Закария, Риад (март 2010 г.). "3.5 Фотоакустическая спектроскопия (PAS)" (PDF) . Разработка NDIR-приборов для измерения концентрации CO 2 (PhD). Университет Крэнфилда. стр.  35–36 . hdl :1826/6784.
  5. ^ AG, Infineon Technologies. "Датчики CO2 - Infineon Technologies". www.infineon.com . Получено 10.11.2020 .
  6. ^ Чжоу, Р.; Файхингер, С.; Гекелер, К.Е.; Гепель, В. (1994). «Надежные датчики CO2 с полимерами на основе кремния на кварцевых микровесовых преобразователях». Датчики и приводы B: Химия . 19 ( 1–3 ): 415–420 . doi :10.1016/0925-4005(93)01018-Y.
  7. ^ "CO2 Auto-Calibration Guide" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-08-19 . Получено 2014-08-19 .
  8. ^ Морияма, Мию; Хугентоблер, Уолтер Дж.; Ивасаки, Акико (29 сентября 2020 г.). «Сезонность респираторных вирусных инфекций». Ежегодный обзор вирусологии . 7 (1): 83– 101. doi : 10.1146/annurev-virology-012420-022445 . PMID  32196426. S2CID  214601321.
  9. ^ Пэн, Чжэ; Хименес, Хосе Л. (11 мая 2021 г.). «Выдыхаемый CO2 как показатель риска заражения COVID-19 для различных условий и видов деятельности в помещении». Environmental Science & Technology Letters . 8 (5): 392– 397. Bibcode : 2021EnSTL...8..392P. doi : 10.1021/acs.estlett.1c00183. PMC 8043197. PMID  37566374. 
  10. ^ Рюффер, Д.; Хёне, Ф.; Бюлер, Дж. (31 марта 2018 г.). «Новая цифровая платформа датчиков на основе оксида металла (МОХ)». Датчики (Базель, Швейцария) . 18 (4): 1052. Bibcode : 2018Senso..18.1052 .. doi : 10.3390/s18041052 . PMC 5948493. PMID  29614746. 
  11. ^ ab Herberger S, Herold M, Ulmer H (2009). "Технология газовых датчиков MOS для вентиляции с регулируемым расходом" (PDF) . Труды 4-го Международного симпозиума по герметичности зданий и воздуховодов и 30-й конференции AIVC по тенденциям в высокопроизводительных зданиях и роли вентиляции . Берлин.
  12. ^ Ариеф-Анг, И.Б.; Гамильтон, М.; Салим, Ф. (2018-06-01). "RUP: Прогнозирование использования больших помещений с датчиком углекислого газа". Pervasive and Mobile Computing . 46 : 49–72 . doi :10.1016/j.pmcj.2018.03.001. ISSN  1873-1589. S2CID  13670861.
  13. ^ Ариеф-Анг, И. Б.; Салим, Ф. Д.; Гамильтон, М. (2018-04-14). "SD-HOC: сезонный алгоритм разложения для добычи запаздывающих временных рядов". Интеллектуальный анализ данных [ SD-HOC: сезонный алгоритм разложения для добычи запаздывающих временных рядов ]. Коммуникации в области компьютерных и информационных наук. Т. 845. Springer. С.  125–143 . doi :10.1007/978-981-13-0292-3_8. ISBN 978-981-13-0291-6.
  14. ^ "Преимущества адаптивной вентиляции для вашего здания" (PDF) . KMC Controls. 2013. Архивировано из оригинала (PDF) 27.06.2014.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Датчик_углекислого_углекислого_газа&oldid=1246810766"