紅外傳感器技術(shù)及其對暖通空調(diào)CO2測量精度的影響

　　為了盡量減少處理外部新鮮空氣所產(chǎn)生的能耗，現(xiàn)代通風(fēng)系統(tǒng)會對室內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)使用。利用二氧化碳(CO2)傳感器作為室內(nèi)空氣質(zhì)量指示器有助于向建筑內(nèi)部人員輸送新鮮的外部空氣，同時實現(xiàn)能耗優(yōu)化。

　　紅外CO2傳感器的工作原理:

　　單波束單波長傳感器：

　　單波束單波長傳感器結(jié)構(gòu)簡單（見圖2），由紅外源、測量腔室和探測器組成。

　　此類傳感器的問題在于其長期漂移比較嚴(yán)重。微型白熾燈泡的強度（二氧化碳傳感器常見的紅外光源）會隨時間發(fā)生變化。此外傳感器表面可能會沉積灰塵和污垢。當(dāng)二氧化碳濃度發(fā)生變化時，傳感器會對這些改變做出錯誤響應(yīng)，導(dǎo)致長期測量的不可靠性。

　　為了對這一固有不穩(wěn)定性進(jìn)行補償，一些制造商采用了自動背景校準(zhǔn)方法。傳感器在規(guī)定時間段內(nèi)（通常為數(shù)天）記錄最小的二氧化碳讀數(shù)，然后假定最小記錄讀數(shù)對應(yīng)于外部新鮮空氣（二氧化碳濃度40ppm），對讀數(shù)重新進(jìn)行調(diào)整。遺憾的是由于建筑內(nèi)的人員活動模式會影響室內(nèi)二氧化碳水平，這種假設(shè)并非始終成立。諸如醫(yī)院、養(yǎng)老院、住宅樓以及辦公室等設(shè)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600-800ppm。反復(fù)的錯誤調(diào)整會產(chǎn)生不正確的二氧化碳讀數(shù)，最終導(dǎo)致通風(fēng)不足，室內(nèi)空氣質(zhì)量低劣。另外新建筑的混凝土碳化作用可能會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。

　　雙波束單波長傳感器:

　　雙波束單波長傳感器（圖3）采用第二個紅外源為紅外源漂移提供補償。讓人費解的是制造商聲稱由于第二個光源很少使用，因此不會發(fā)生老化。傳感器結(jié)構(gòu)增加了不必要的復(fù)雜性，而第二個紅外源添加了額外的潛在故障點。另外灰塵和污垢很少會在傳感器周圍均勻地沉積。因此，這種傳感器結(jié)構(gòu)相對而言并不可靠。

　　單波束雙波長傳感器：

　　單波束雙波長傳感器不存在影響單波束單波長和雙波束單波長傳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中使用的技術(shù)不但能夠測量吸收波長，還能夠測量沒有發(fā)生吸收的參比波長。

　　維薩拉將單波束雙波長傳感器整合到可用于工業(yè)變送器的緊湊型結(jié)構(gòu)中。參比波長通過位于探測器前端的電子可調(diào)式法布里-珀洛干涉儀(FPI)濾波器進(jìn)行測量。

　　微電子機械加工的FPI過濾器以電子調(diào)節(jié)方式在二氧化碳測量波長和參比波長之間切換。參比測量可為紅外源強度及光程上的污垢沉積變化提供補償，從而無需采用復(fù)雜的補償算法。

　　單波束雙波長傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本效益好，長期工作具有高度穩(wěn)定性，所需的維護(hù)工作少。

　　圖5展示了采用參比測量的傳感器（單波束雙波長傳感器）與未采用參比測量的傳感器（單波束單波長傳感器）的長期穩(wěn)定性差別。單波束單波長傳感器都存在的漂移問題原因在于紅外源強度有所減弱，最終導(dǎo)致二氧化碳水平的顯示值過高。然而，傳感器漂移也會導(dǎo)致讀數(shù)過低。