紅外傳感器技術及其對暖通空調CO2 測量精度的影響

為(wei) 了盡量減少處理外部新鮮空氣所產(chan) 生的能耗，現代通風係統會(hui) 對室內(nei) 空氣進行循環使用。利用二氧化碳(CO2 )傳(chuan) 感器作為(wei) 室內(nei) 空氣質量指示器 有助於(yu) 向建築內(nei) 部人員輸送新鮮的外部空氣，同時實現能耗優(you) 化。

隨著節能法規日趨嚴(yan) 格，對二氧化碳傳(chuan) 感 器的要求也在不斷提高。加利福尼亞(ya) 州是 提升室內(nei) 空氣質量的先驅之一，其在《建 築標準法》中為(wei) 二氧化碳傳(chuan) 感器製定了 性能標準：

“製造商須證明其CO2 傳(chuan) 感器 在海平麵及25°C條件下、濃度範圍600和 1000 ppm時的測量精度達到正負75 ppm， 初次使用時由工廠進行校準或標定，且製 造商須確認每五年至少校準一次。"

這一規定凸顯了在選擇傳(chuan) 感器時仔細查 看參數指標的重要性——並非所有的傳(chuan) 感器均能滿足預期要求。

紅外CO2 傳(chuan) 感器的工作原理

紅 外 傳(chuan) 感 器 — — 也稱為(wei) 非色散 紅 外 (NDIR) 傳(chuan) 感器——成為(wei) 主導暖通空調領 域CO2 傳(chuan) 感器市場的原因非常明顯。這類 傳(chuan) 感器具有高度的靈敏性、選擇性和穩定 性，具有較長的使用壽命，並且對環境變 化不敏感。另外該技術相對成本較高且不 易小型化的傳(chuan) 統難題已經得到解決(jue) 。

二氧化碳的特征吸收光譜帶位於(yu) 波長 4.26 µ m的紅外區。當紅外光輻射穿過含 有二氧化碳的氣體(ti) 時，二氧化碳分子會(hui) 吸 收部分輻射。透過氣體(ti) 的輻射量取決(jue) 於(yu) 其 所含二氧化碳的濃度。由紅外光源、探測 器和光程組成的紅外傳(chuan) 感器可將這一現 象量化（參見圖1）。

圖1.利用紅外探測器可探測到CO2 分子的紅外吸收情況。

A: 紅外源 B: 光程 C: 探測器

紅外CO2 傳(chuan) 感器及其性能差異

安裝完成後，暖通空調係統的CO2 傳(chuan) 感器 通常在數年甚至整個(ge) 使用壽命期內(nei) 幾乎 不進行維護，因此選擇具有長期可靠性和 精確性的傳(chuan) 感器尤其重要。雖然所有紅 外CO2 傳(chuan) 感器的測量原理均相同，但技術 解決(jue) 方案和測量性能卻差別甚大。經驗 豐(feng) 富的暖通空調專(zhuan) 業(ye) 人員對於(yu) 各種傳(chuan) 感 器類型及其性能的差別了如指掌。

單波束單波長傳(chuan) 感器
單波束單波長傳(chuan) 感器結構簡單（見圖2）， 由紅外源、測量腔室和探測器組成。

圖2. 單波束單波長傳(chuan) 感器

此類傳(chuan) 感器的問題在於(yu) 其長期漂移比較 嚴(yan) 重。微型白熾燈泡的強度（二氧化碳傳(chuan) 感器常見的紅外光源）會(hui) 隨時間發生變 化。此外傳(chuan) 感器表麵可能會(hui) 沉積灰塵和 汙垢。當二氧化碳濃度發生變化時，傳(chuan) 感 器會(hui) 對這些改變做出錯誤響應，導致長期 測量的不可靠性。

為(wei) 了對這一固有不穩定性進行補償(chang) ，一些 製造商采用了自動背景校準方法。傳(chuan) 感 器在zhi定時間段內(nei) （通常為(wei) 數天）記錄 最小的二氧化碳讀數，然後假定最小記 錄讀數對應於(yu) 外部新鮮空氣（二氧化碳 濃度40ppm），對讀數重新進行調整。遺 憾的是由於(yu) 建築內(nei) 的人員活動模式會(hui) 影 響室內(nei) 二氧化碳水平，這種假設並非始 終成立。諸如醫院、養(yang) 老院、住宅樓以及 辦公室等設施可能全天二十四小時都有 人員活動，低二氧化碳水平約為(wei) 600- 800ppm。反複的錯誤調整會(hui) 產(chan) 生不正確 的二氧化碳讀數，最終導致通風不足，室 內(nei) 空氣質量低劣。另外新建築的混凝土 碳化作用可能會(hui) 將二氧化碳濃度降低到 400ppm以下，因而自動背景修正在這種情 況下也沒有效果。

雙波束單波長傳(chuan) 感器
雙波束單波長傳(chuan) 感器（圖3）采用第二個(ge) 紅外源為(wei) 紅外源漂移提供補償(chang) 。讓人費 解的是製造商聲稱由於(yu) 第二個(ge) 光源很少 使用，因此不會(hui) 發生老化。傳(chuan) 感器結構增 加了不必要的複雜性，而第二個(ge) 紅外源添 加了額外的潛在故障點。另外灰塵和汙垢 很少會(hui) 在傳(chuan) 感器周圍均勻地沉積。因此，這種傳(chuan) 感器結構相對而言並不可靠。

圖3. 雙波束單波長傳(chuan) 感器結構

單波束雙波長傳(chuan) 感器

單波束雙波長傳(chuan) 感器不存在影響單波束 單波長和雙波束單波長傳(chuan) 感器性能的漂 移問題。這項通常在昂貴的濾光片輪式分 析儀(yi) 中使用的技術不但能夠測量吸收波 長，還能夠測量沒有發生吸收的參比波 長。

維薩拉將單波束雙波長傳(chuan) 感器整合到可 用於(yu) 工業(ye) 變送器的緊湊型結構中。參比波 長通過位於(yu) 探測器前端的電子可調式法 布裏-珀luogan涉儀(yi) (FPI)濾波器進行測量。

圖4. 探測器前端裝有FPI濾波器的單 波束雙波長傳(chuan) 感器

微電子機械加工的FPI過濾器以電子調節 方式在二氧化碳測量波長和參比波長之 間切換。參比測量可為(wei) 紅外源強度及光 程上的汙垢沉積變化提供補償(chang) ，從(cong) 而無 需采用複雜的補償(chang) 算法。

單波束雙波長傳(chuan) 感器結構簡單，成本效 益好，長期工作具有高度穩定性，所需的 維護工作少。

選擇暖通空調CO2 傳(chuan) 感器時要考 察的基本性能標準：

精度：傳(chuan) 感器讀數與(yu) 真實值 的接近程度

測量範圍：儀(yi) 器能夠測量的 測量值上下限。

靈敏性：可探測到二氧化碳 濃度的最小值，以及可探測 到濃度變化的最小量值

選擇性：傳(chuan) 感器在混合氣體(ti) 物質中辨別二氧化碳的能力

響應時間：傳(chuan) 感器響應二 氧化碳濃度變化所需的時 間長度

穩定性：能夠獲得穩定且可 再次複現二氧化碳讀數的預 計時間範圍

功耗：對總能耗至關(guan) 重要； 但由於(yu) 儀(yi) 表的自加熱現象， 也會(hui) 影響測量精度

便於(yu) 維護：考察的校準 間隔時間、可選用的校準方 案及其使用便利性

圖5展示了采用參比測量的傳(chuan) 感器（單波 束雙波長傳(chuan) 感器）與(yu) 未采用參比測量的傳(chuan) 感器（單波束單波長傳(chuan) 感器）的長期穩定 性差別。單波束單波長傳(chuan) 感器都存在的 漂移問題原因在於(yu) 紅外源強度有所減弱， 最終導致二氧化碳水平的顯示值過高。然 而，傳(chuan) 感器漂移也會(hui) 導致讀數過低。

圖5：維薩拉單波束雙波長傳(chuan) 感器（采用參比測量的傳(chuan) 感器）與(yu) 單波束單波長傳(chuan) 感器（未采用參比測量的傳(chuan) 感器）的長期穩定性對比