CN111323550A - 一种带自校准功能的测量大气中二氧化碳浓度的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自校准功能的测量大气中二氧化碳浓度的检测装置，其包括：外壳，所述外壳内具有容置空间；在所述外壳的第一端设置有检测装置入口，在所述外壳的第二端设置有检测装置出口；所述检测装置入口连接第一通道，超纯氮气瓶连接第二通道，二氧化碳标准气瓶连接第三通道；所述第一通道、第二通道和第三通道共同连接到多通道控制模块的输入端，在所述外壳内设置有密闭反应室，所述多通道控制模块的输出端与所述密封反应室的反应室入口相连接，在所述密封反应室内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器。该检测装置测量范围宽，测量精度高。该检测装置响应时间为20s扩散时间，响应时间短，维护简单、自校准成本低且校准高效。还提供了一种二氧化碳浓度的分析及自校准的方法。

Description

一种带自校准功能的测量大气中二氧化碳浓度的检测装置及 方法

技术领域

本发明属于环保领域，特别是涉及一种带自校准功能的高精度测量大气中二氧化碳浓度的检测装置及方法。

背景技术

二氧化碳是大气重要的组成成分之一，其排放含量过高不仅会严重危险人类身体健康，还会产生温室效应等一系列环境问题。不同原理的二氧化碳浓度测量方法发展迅速，其中基于传感器的大气中二氧化碳浓度测量方式因其体积小、安装方便、响应速度快、测量精度高，且能实现实时分析等优点受到各行业的广泛关注；例如基于传感器的二氧化碳浓度监测报警装置在很多场合应用，如在工业生产或蔬菜大棚中，二氧化碳浓度既不能过高，也不能过低，需对其二氧化碳浓度进行实时监测。而传感器测量数据可靠与否是气体监测报警系统或其他应用领域成败的关键。

二氧化碳气体传感器在空气中的使用寿命约为两年，但其在连续工作中易出现工作曲线不稳定、重复性变差等问题导致其测量结果不准确。近年来，二氧化碳气体传感器自校准功能受到各行业的关注，例如专利CN 101228438 A“包括二氧化碳校准气体发生器的二氧化碳传感器”中使用加热元件和固体材料产生二氧化碳气体来对二氧化碳传感器进行校准，该方法虽然适用于难以拆卸的环境，但专利中使用固体材料产生二氧化碳气体的浓度未体现准确定量，难以保证高质量自校准；专利CN 101975839 A“CO2气体传感器在空气中零点自校准方法”中设定大气环境中二氧化碳理想浓度值与时间段S内二氧化碳浓度的最低值的差值为Δ，在下个时间段S内，将当前空气中二氧化碳浓度等差平移Δ，得到当前空气中二氧化碳浓度的校验值，以此循环实现自校准。该方法仅能对空气中零点进行校准，无法保证二氧化碳传感器线性工作曲线的稳定性。

此外，二氧化碳气体传感器对环境的变化较为敏感，尤其是其工作环境的温度和湿度，长时间处于高温高湿状态下的二氧化碳气体传感器，将会缩短其工作寿命，且测量精度也会受到影响。由于众多因素的影响，使得对温湿度的补偿较为复杂且价格昂贵，目前消除温湿度影响的方法之一即为恒温恒湿法。

综上，亟需提出一种可靠的自校准方法，实现二氧化碳气体传感器零点及特定浓度点的自校准，以维持二氧化碳气体传感器工作曲线稳定，保证二氧化碳气体传感器测量结果准确可靠。

发明内容

本发明旨在提供一种带自校准功能的高精度测量大气中二氧化碳浓度的检测装置，在该检测装置中提出了在恒温恒湿反应室内对二氧化碳气体传感器零点及特定浓度点实现自校准的方法，以解决二氧化碳气体传感器测量精度受温湿度影响较大、在长期工作状态下工作曲线不稳定、不能实现零点及特定浓度点同时自校准的技术问题，以提高二氧化碳气体传感器的测量精度，为二氧化碳浓度分析提供可靠数据。此外，该检测装置可实现任何时间的手动校准，以解决突发或其他情况不能实现自校准的问题。

本发明提供了一种带自校准功能的测量大气中二氧化碳浓度的检测装置，其包括：外壳，所述外壳内具有容置空间；在所述外壳的第一端设置有检测装置入口，在所述外壳的第二端设置有检测装置出口；所述检测装置入口连接第一通道，超纯氮气瓶连接第二通道，二氧化碳标准气瓶连接第三通道；所述第一通道、第二通道和第三通道共同连接到多通道控制模块的输入端，所述多通道控制模块具有输出端，在所述外壳内设置有密闭反应室，所述多通道控制模块的输出端与所述密封反应室的反应室入口相连接，在所述密封反应室内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器，所述反应室入口通过三通接口连接到所述二氧化碳气体传感器的入口，从至少三个二氧化碳气体传感器的出口通过管路连接到密闭反应室的反应室出口，所述反应室出口与所述检测装置出口相连接。

其中，所述密闭反应室连接有温度控制模块和湿度控制模块。

其中，多通道控制模块通过电磁阀控制三个通道的气路。

其中，还包括控制电路，其与所述至少三个相同的二氧化碳气体传感器相连接。

本发明还公开了一种二氧化碳浓度分析及自校准的方法，其特征在于：

步骤一，对检测装置零点进行校准时，多通道控制模块控制打开第二通道，使超纯氮气分别进入三个二氧化碳气体传感器，二氧化碳气体传感器的控制电路将此时产生的信号值修正为二氧化碳气体传感器零点对应的信号值，以实现对该检测装置零点的校准；

步骤二，对检测装置预定浓度点进行校准时，多通道控制模块控制打开第三通道，使二氧化碳标准气体分别进入三个二氧化碳气体传感器，二氧化碳气体传感器的控制电路将此时产生的信号值修正为二氧化碳气体传感器的预定浓度点对应的信号值，以实现对该检测装置预定浓度点的校准；

步骤三，对二氧化碳浓度进行分析时，二氧化碳气体通过检测装置入口进入多通道控制模块，其控制并打开第一通道，使待分析气体通过三个二氧化碳气体传感器入口进入二氧化碳气体传感器，经过信号处理与传输模块将浓度值传至数据分析处理系统；

步骤四，通过二氧化碳气体传感器的零点及其特定浓度点来校准二氧化碳气体传感器的工作曲线；

步骤五，二氧化碳气体检测装置通过温度和湿度控制模块控制密闭反应室的温度和湿度，以保证二氧化碳气体传感器的最佳工作温度和湿度，减小环境温度和湿度对二氧化碳气体传感器的影响。

本发明提出的一种带自校准功能的高精度测量大气中二氧化碳浓度的检测装置使用至少3个二氧化碳气体传感器，以实现三个传感器之间测量结果的比对，降低因二氧化碳气体传感器本身损坏对测量结果及校准曲线的影响。由于二氧化碳气体传感器在工作中受温湿度影响较大，该检测装置的浓度分析、自校准均在能控制温湿度的密闭反应室内进行，以降低温湿度对传感器测量精度的影响。因二氧化碳气体传感器工作曲线呈良好的线性关系，为对其工作曲线进行校准，最少选择两个浓度点进行校准，以保证检测装置工作曲线的稳定及测量数据的准确可靠。

本发明提出的方法中使用超纯氮气(99.99999％)和400ppm(或根据实际需要选择已知浓度的二氧化碳一级标准气体)二氧化碳一级标准气体(不确定度小于1％)对二氧化碳传感器的零点和400ppm点进行校准。因超纯氮气和二氧化碳标准气体定值准确度高，因此能够实现二氧化碳气体传感器高准确度自校准。试验数据表明，二氧化碳气体传感器在一周内工作曲线稳定，重复性较好，为保证二氧化碳传感器测量结果准确可靠，该检测装置每周对二氧化碳气体传感器的零点和400ppm浓度点进行一次自校准。

附图说明

图1带自校准功能的二氧化碳浓度检测装置结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

本发明公开了一种自校准功能的高精度测量大气中二氧化碳浓度检测装置，图1为本发明的检测装置的结构示意图。

如图1所示，本发明的检测装置包括外壳，所述外壳内具有容置空间，检测装置的大部分组件设置在所述容置空间内；在所述外壳的第一端设置有检测装置入口1，在所述外壳的第二端设置有检测装置出口16；所述检测装置入口1连接第一通道4，超纯氮气瓶2连接第二通道5，二氧化碳标准气瓶3连接第三通道6，所述第一通道4、第二通道5和第三通道6共同连接到多通道控制模块7的输入端，所述多通道控制模块7具有输出端，所述多通道控制模块7能够对所述第一至第三通道进行选择性开启或关闭。

在所述外壳内设置有密闭反应室8，所述多通道控制模块7连接到所述密封反应室8，所述多通道控制模块7的输出端与所述密封反应室8的反应室入口9相连接，在所述密封反应室8内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器11，从反应室入口9进入的管路通过三通接口分别连接到所述至少三个相同的二氧化碳传感器11，控制电路10与所述至少三个相同的二氧化碳气体传感器11相连接，对所述二氧化碳传感器11进行控制，检测气体通过第一三通接口12和第二三通接口18连接到对应的二氧化碳气体传感器11的入口，从至少三个二氧化碳气体传感器11的出口通过管路连接到密闭反应室8的反应室出口15，所述反应室出口15与所述检测装置出口16相连接。

为降低温湿度对二氧化碳气体传感器11的影响，所述密闭反应室8连接有温度控制模块和湿度控制模块，所述密闭反应室8保持恒温恒湿，通过温度控制模块和湿度控制模块对所述密闭反应室8进行监控，该检测装置的二氧化碳气体传感器11在恒温恒湿的密闭反应室8中工作。

为了防止传感器本身损坏带来的影响，该检测装置包括至少三个相同的二氧化碳气体传感器11，以实现数据之间的相互比对。多通道控制模块7通过电磁阀控制三个通道的气路，实现通过不同通道完成二氧化碳浓度测量及自校准。

如图1所示的实施案例中，对检测装置零点进行校准的具体流程如下：当对检测装置零点进行校准时，多通道控制模块7控制打开第二通道5，使超纯氮气通过二氧化碳气体传感器入口13分别进入所述至少三个二氧化碳气体传感器，二氧化碳气体传感器的控制电路10将此时产生的信号值修正为二氧化碳气体传感器11零点对应的信号值，以实现对该检测装置零点的校准。经过信号处理与传输模块将浓度值传至数据分析处理系统17，分析完的超纯氮气经二氧化碳气体传感器出口14从检测装置出口16排出。

如图1所示的实施案例中，对检测装置400ppm浓度点进行校准的具体流程如下：当对检测装置400ppm浓度点进行校准时，多通道控制模块7控制打开第三通道6，使二氧化碳标准气体通过二氧化碳气体传感器入口13分别进入所述至少三个二氧化碳气体传感器，二氧化碳气体传感器的控制电路10将此时产生的信号值修正为二氧化碳气体传感器11的400ppm浓度点对应的信号值，以实现对该检测装置400ppm浓度点的校准，经过信号处理与传输模块将浓度值传至数据分析处理系统17，分析完的二氧化碳标准气体经二氧化碳气体传感器出口14从检测装置出口16排出。

如图1所示的实施案例中，检测装置分析二氧化碳浓度的具体流程如下：当对二氧化碳浓度进行分析时，二氧化碳气体通过检测装置入口1进入多通道控制模块7，其控制并打开第一通道4，使待分析气体通过三通接口12分别通过三个二氧化碳气体传感器入口13进入二氧化碳气体传感器11，经过信号处理与传输模块将浓度值传至数据分析处理系统17，分析完的二氧化碳气体经二氧化碳气体传感器出口14从检测装置出口16排出。

如图1所示的实施案例中，由于二氧化碳气体传感器11的工作曲线呈较好的线性关系，因此可以通过对其零点和特定浓度点校准其工作曲线，本发明公布的自校准方法使用定值准确可靠的超纯氮气和二氧化碳标准气体完成，使得检测装置的测量结果能够实现量值溯源，自校准质量只依赖于超纯氮气及标准气体定值的质量，具有维护简单、自校准成本低且校准高效的优点。

如图1所示的实施案例中，二氧化碳气体传感器11模块的工作在恒温恒湿的密闭反应室8中进行，通过温度及湿度控制模块，使密闭反应室保持恒温恒湿的环境，降低了环境对自校准及气体浓度分析过程的影响。本发明的二氧化碳检测装置使用至少3个二氧化碳气体传感器，实现3个二氧化碳气体传感器测量结果之间的数据比对，降低二氧化碳气体传感器本身损坏对二氧化碳气体传感器测量结果及校准曲线的影响。

使用超纯氮气，优选为99.99999％，对二氧化碳气体传感器的零点进行校准，由于超纯氮气定值结果的不确定度小、且定值结果能实现量值溯源，因此对零点的校准准确可靠。

使用二氧化碳标准气体对二氧化碳气体传感器的特定浓度点进行校准，所用二氧化碳标准气体的定值结果能够溯源至国家相关基准，因此对特定浓度点的校准准确可靠。

通过二氧化碳气体传感器的零点及其特定浓度点来校准二氧化碳气体传感器的工作曲线，由于该检测装置所选传感器的工作曲线具有较好的线性关系，因此可实现二氧化碳气体传感器的自校准。

二氧化碳气体检测装置通过温度和湿度控制模块控制密闭反应室的温度和湿度，以保证二氧化碳气体传感器的最佳工作温度和湿度，减小环境温度和湿度对二氧化碳气体传感器的影响。

本发明的检测装置可在一定时间内自动进行一次自校准，也可在需要任何时间进行手动校准。

该检测装置的测量范围为0～5000ppm，使用本专利公开的自校准方法，使得该检测装置在长时间连续工作状态下，其工作寿命约2年，测量精度为±30ppm±3％读数。

本发明公开的一种带自校准功能的高精度测量大气中二氧化碳气体传感器的低成本检测装置包括3个二氧化碳气体传感器，能够实现3个传感器之间的数据比对，以降低传感器本身损坏或其他不可抗因素带来的影响，且能在保证不影响测量数据的情况下及时更换传感器。

本发明公开的自校准方法使用定值准确可靠的超纯氮气和二氧化碳标准气体完成，使得检测装置的测量结果能够实现量值溯源，自校准质量只依赖于高纯氮气及标准气体定值的质量，降低了环境对自校准过程的影响。该检测装置测量范围宽，测量精度高。该检测装置响应时间为20s扩散时间，响应时间短。维护简单、自校准成本低且校准高效。适用于二氧化碳气体传感器难以拆卸的复杂环境。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种带自校准功能的测量大气中二氧化碳浓度的检测装置，其包括：外壳，所述外壳内具有容置空间；在所述外壳的第一端设置有检测装置入口，在所述外壳的第二端设置有检测装置出口；所述检测装置入口连接第一通道，超纯氮气瓶连接第二通道，二氧化碳标准气瓶连接第三通道；所述第一通道、第二通道和第三通道共同连接到多通道控制模块的输入端，所述多通道控制模块具有输出端，其特征在于：在所述外壳内设置有密闭反应室，所述多通道控制模块的输出端与所述密封反应室的反应室入口相连接，在所述密封反应室内设置有至少三个相同的二氧化碳气体传感器，所述反应室入口通过三通接口连接到所述二氧化碳气体传感器的入口，从至少三个二氧化碳气体传感器的出口通过管路连接到密闭反应室的反应室出口，所述反应室出口与所述检测装置出口相连接。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述密闭反应室连接有温度控制模块和湿度控制模块。

3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：多通道控制模块通过电磁阀控制三个通道的气路。

4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：还包括控制电路，其与所述至少三个相同的二氧化碳气体传感器相连接。

5.一种采用如权利要求1-4的检测装置的二氧化碳浓度分析及自校准的方法，其特征在于：

步骤一，对检测装置零点进行校准时，多通道控制模块控制打开第二通道，使超纯氮气分别进入三个二氧化碳气体传感器，二氧化碳气体传感器的控制电路将此时产生的信号值修正为二氧化碳气体传感器零点对应的信号值，以实现对该检测装置零点的校准；

步骤二，对检测装置预定浓度点进行校准时，多通道控制模块控制打开第三通道，使二氧化碳标准气体分别进入三个二氧化碳气体传感器，二氧化碳气体传感器的控制电路将此时产生的信号值修正为二氧化碳气体传感器的预定浓度点对应的信号值，以实现对该检测装置预定浓度点的校准；

步骤三，对二氧化碳浓度进行分析时，二氧化碳气体通过检测装置入口进入多通道控制模块，其控制并打开第一通道，使待分析气体通过三个二氧化碳气体传感器入口进入二氧化碳气体传感器，经过信号处理与传输模块将浓度值传至数据分析处理系统；

步骤四，通过二氧化碳气体传感器的零点及其特定浓度点来校准二氧化碳气体传感器的工作曲线；

步骤五，二氧化碳气体检测装置通过温度和湿度控制模块控制密闭反应室的温度和湿度，以保证二氧化碳气体传感器的最佳工作温度和湿度，减小环境温度和湿度对二氧化碳气体传感器的影响。

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