如何測量二氧化碳

很多應用領域（從(cong) 建築自動化和溫室到生命科學和人身安全）都需要進行二氧化碳測量。
本文檔涉及以下主題：

• 紅外二氧化碳 (CO2) 傳(chuan) 感器的操作原理

• 理想氣體(ti) 定律以及如何使用它來針對環境因素補償(chang) CO2 測量值

• CO2 變送器的位置

• 與(yu) CO2 有關(guan) 的安全問題

紅外傳(chuan) 感器的操作原理

二氧化碳和由兩(liang) 個(ge) 或更多不同原子組成的其他氣體(ti) 以方式吸收紅外線 (IR)輻射。可使用 IR 技術檢測這類氣體(ti) 。例如，可使用 IR 傳(chuan) 感器測量水蒸汽、甲烷、二氧化碳和一氧化碳的含量。其特征吸收譜帶顯示在圖 1 中。
IR 傳(chuan) 感是應用廣泛的一種 CO2 檢測技術。IR 傳(chuan) 感器與(yu) 化學傳(chuan) 感器相比有很多優(you) 勢。它們(men) 穩定，且對於(yu) 測量的氣體(ti) 具有高選擇性。它們(men) 的使用壽命長，因為(wei) 測量的氣體(ti) 不直接與(yu) 傳(chuan) 感器作用，IR 傳(chuan) 感器可以承受高濕度、灰塵、髒汙和其他惡劣環境。IR CO2 檢測器的核心部件是光源、測量室、幹擾濾波器和 IR 檢測器。IR 輻射從(cong) 光源通過測量的氣體(ti) 導向到檢測器。位於(yu) 檢測器前麵的濾波器防止非測量氣體(ti) 有的波長抵達檢測器。檢測光強度並將其轉換為(wei) 氣體(ti) 濃度值。維薩拉 CARBOCAP® 二氧化碳傳(chuan) 感器使用 IR 紅外傳(chuan) 感技術來測量 CO2 的體(ti) 積濃度。它采用電可調法布裏珀luo幹涉儀(yi) (FPI) 濾波器進行雙波長測量。這意味著除了測量 CO2 吸收量外，CARBOCAP® 傳(chuan) 感器還執行參考測量，該測量可補償(chang) 光源強度的變化以及光路中的汙染和汙垢積聚。這使傳(chuan) 感器隨著時間的推移也非常穩定。有關(guan) 用於(yu) CO2 測量的所有維薩拉產(chan) 品係列

理想氣體(ti) 定律

當估計溫度和壓力變化對 CO2 測量的影響時，理想氣體(ti) 定律很有用。它可用於(yu) 補償(chang) CO2 讀數。理想氣體(ti) 是一種假想氣體(ti) ，它們(men) 由隨機移動的相同點粒子組成，其大小和分子間相互作用力可忽略不計。假定理想氣體(ti) 分子相互之間以及與(yu) 容器壁均發生彈性碰撞。在現實世界中，氣體(ti) 的行為(wei) 並不與(yu) 理想氣體(ti) 的行為(wei) wan全相同，但是理想氣體(ti) 的行為(wei) 常常可用於(yu) 描述實際氣體(ti) 的近似行為(wei) 。理想氣體(ti) 定律根據下麵的方程式來描述一定量氣體(ti) 的狀態與(yu) 壓力、體(ti) 積和溫度之間的關(guan) 係：

pV = nRT
其中
p = 壓力 [Pa]
V = 氣體(ti) 體(ti) 積 [m3]
n = 氣體(ti) 量 [mol]
R = 通用氣體(ti) 常數
  (= 8.3145 J/mol K)

T = 溫度 [K]

溫度和壓力對 CO2 測量的影響

大多數氣體(ti) 傳(chuan) 感器發出的信號與(yu) 分子密度（單位氣體(ti) 體(ti) 積的分子數）成正比，即使讀數用 ppm（百萬(wan) 分率，體(ti) 積/體(ti) 積）表示。壓力和/或溫度變化時，氣體(ti) 的分子密度根據理想氣體(ti) 定律發生相應變化。該影響通過傳(chuan) 感器的 ppm 讀數可以看到。下圖直觀地說明壓力或溫度增加如何改變氣體(ti) 狀態以及它如何影響 CO2 測量。理想氣體(ti) 定律可用於(yu) 計算給定溫度和壓力下氣體(ti) 的分子密度，此時標準環境溫度和壓力 (SATP) 條件下的氣體(ti) 密度是已知的。將氣體(ti) 量 (n) 替換為(wei) ρV/M，假定氣體(ti) 的摩爾質量 (M) 在兩(liang) 個(ge) 不同條件下為(wei) 常數，則方程式可以表示為(wei) ：方程式 1。密度公式可用於(yu) 估計當溫度和/或壓力變化時氣體(ti) 傳(chuan) 感器讀數如何變化。密度公式可用於(yu) 補償(chang) 測量 CO2 時的溫度和壓力變動。普通 CO2 儀(yi) 表不測量壓力，因此無法自動補償(chang) 壓力變動。在工廠校準時，通常將儀(yi) 表設置為(wei) 海平麵壓力條件(1013 hPa)。在海拔不為(wei) 海平麵的高度進行測量時，建議補償(chang) 壓力影響。這可以通過以下方式實現：輸入用於(yu) 內(nei) 部補償(chang) 的正確壓力設置（恒壓條件）或將補償(chang) 編程到自動化係統或 PC（變化的壓力條件）。

方程式 1. 給定溫度和壓力下氣體(ti) 濃度的計算

同樣的補償(chang) 規則適用於(yu) 溫度影響。不過，現在提供了很多可測量和補償(chang) 溫度變動的CO2 計，因此無需任何外部補償(chang) 。表 1 顯示根據理想氣體(ti) 定律，當溫度和壓力變化時 CO2 傳(chuan) 感器讀數（氣體(ti) 在SATP 下包含 1,000 ppm 的 CO2）如何變化的示例。
潮濕氣體(ti) 樣本的幹燥
進一步處理理想氣體(ti) 定律使我們(men) 可以了解氣體(ti) 混合物的組成在恒定壓力、溫度和體(ti) 積時如何變化。例如，這可用於(yu) 估計濕度變化對 CO2 讀數的影響。氣體(ti) 混合物的分子存在於(yu) 在相同溫度下的相同係統體(ti) 積中（V 對於(yu) 所有氣體(ti) 均相同）。理想氣體(ti) 定律可以改為(wei) ：

二個(ge) 方程式稱為(wei) 道爾頓分壓定律。它zhi定氣體(ti) 混合物的總壓等於(yu) 混合物中所有組分氣體(ti) 的分壓之和。當考慮水蒸汽對 CO2 傳(chuan) 感器讀數的影響時，此信息很有用。如果在壓力、溫度和體(ti) 積不變時將水蒸汽加到幹燥氣體(ti) ，水將替代混合物中的某些氣體(ti) 分子。同樣，如果從(cong) 高濕環境下提取某個(ge) 氣體(ti) 樣本並在進入 CO2 計的測量室前允許幹燥，則水分子的流失會(hui) 改變氣體(ti) 的組成，從(cong) 而影響CO2 測量。這被稱為(wei) 稀釋效應，可以使用表 2 來估計。已知幹燥氣體(ti) 的 CO2 濃度時可以計算高濕環境下的 CO2 濃度。為(wei) 此，需要知道 1013 hPa 下的露點 (Td) 或幹濕條件下的水蒸汽濃度 (ppm)。從(cong) 橫軸選擇高濕環境的濕度條件，從(cong) 縱軸選擇幹燥氣體(ti) 的條件。

示例：從(cong) 露點為(wei) 40°C（水含量為(wei) 73,000 ppm）的環境提取一個(ge) 氣體(ti) 樣本，將其放入 20°C Td（水含量為(wei) 23,200 ppm）的環境。測量的 CO2 濃度 5.263%（20°C Td 下）轉換為(wei) 40°CTd 環境下的 5.00% (5.263% × 0.950= 5.00%)。讀數變小是 40°C Td 下更高的水含量稀釋導致的。