如何测量二氧化碳 (CO₂)

二氧化碳和由两个或更多不同原子组成的 其他气体以独特的方式吸收红外线 (IR) 辐射。可使用 IR 技术检测这类气体。例 如，可使用 IR 传感器测量水蒸汽、甲烷、 二氧化碳和一氧化碳的含量。其特征吸收 谱带显示在图 1 中。

IR 传感是应用广泛的一种 CO₂ 检测技 术。IR 传感器与化学传感器相比有很多 优势。它们稳定，且对于测量的气体具 有高选择性。它们的使用寿命长，因为 测量的气体不直接与传感器作用，IR 传 感器可以承受高湿度、灰尘、脏污和其 他恶劣环境。

IR CO₂ 检测器的核心部件是光源、测量 室、干扰滤波器和 IR 检测器。IR 辐射从 光源通过测量的气体导向到检测器。位于 检测器前面的滤波器防止非测量气体特有 的波长抵达检测器。检测光强度并将其转 换为气体浓度值。

维萨拉 CARBOCAP® 二氧化碳传感器 使用 IR 红外传感技术来测量 CO₂ 的 体积浓度。它采用独特的电可调法布里珀罗干涉仪 (FPI) 滤波器进行双波长 测量。这意味着除了测量 CO₂ 吸收量 外，CARBOCAP® 传感器还执行参考测 量，该测量可补偿光源强度的变化以及 光路中的污染和污垢积聚。这使传感器 随着时间的推移也非常稳定。有关用于 CO₂ 测量的所有维萨拉产品系列，请访 问：www.vaisala.com/CO2

图 1. CO₂ 和一些其他气体的 IR 吸收量

当估计温度和压力变化对 CO₂ 测量的影 响时，理想气体定律很有用。它可用于补 偿 CO₂ 读数。

理想气体是一种假想气体，它们由随机移 动的相同点粒子组成，其大小和分子间相 互作用力可忽略不计。假定理想气体分子 相互之间以及与容器壁均发生弹性碰撞。

在现实世界中，气体的行为并不与理想气 体的行为完全相同，但是理想气体的行为 常常可用于描述实际气体的近似行为。理 想气体定律根据下面的方程式来描述一 定量气体的状态与压力、体积和温度之间 的关系：

pV = nRT 
其中
p = 压力 [Pa] 
V = 气体体积 [m3] 
n = 气体量 [mol] 
R = 通用气体常数 (= 8.3145 J/mol K) 
T = 温度 [K]

图 2. 维萨拉 CARBOCAP® CO₂ 传感 器的结构

大多数气体传感器发出的信号与分子密度 （单位气体体积的分子数）成正比，即使 读数用 ppm（百万分率，体积/体积）表 示。压力和/或温度变化时，气体的分子密 度根据理想气体定律发生相应变化。该影 响通过传感器的 ppm 读数可以看到。

下图直观地说明压力或温度增加如何改 变气体状态以及它如何影响 CO₂ 测量。

理想气体定律可用于计算给定温度和压力 下气体的分子密度，此时标准环境温度和 压力 (SATP) 条件下的气体密度是已知 的。将气体量 (n) 替换为 ρV/M，假定气 体的摩尔质量 (M) 在两个不同条件下为 常数，则方程式可以表示为：方程式 1。

其中
ρ = 气体体积浓度 [ppm 或 %]
p = 环境压力 [hPa]
t = 环境温度 [°C]

方程式 1. 给定温度和压力下气体浓度的计算

密度公式可用于估计当温度和/或压力变 化时气体传感器读数如何变化。

密度公式可用于补偿测量 CO₂ 时的温度 和压力变动。普通 CO₂ 仪表不测量压力， 因此无法自动补偿压力变动。在工厂校 准时，通常将仪表设置为海平面压力条件 (1013 hPa)。在海拔不为海平面的高度进 行测量时，建议补偿压力影响。这可以通 过以下方式实现：输入用于内部补偿的正 确压力设置（恒压条件）或将补偿编程到 自动化系统或 PC（变化的压力条件）。

同样的补偿规则适用于温度影响。不过， 现在提供了很多可测量和补偿温度变动的 CO₂ 计，因此无需任何外部补偿。

表 1 显示根据理想气体定律，当温度和 压力变化时 CO₂ 传感器读数（气体在 SATP 下包含 1,000 ppm 的 CO₂ ）如 何变化的示例。

进一步处理理想气体定律使我们可以了解 气体混合物的组成在恒定压力、温度和体 积时如何变化。例如，这可用于估计湿度 变化对 CO2 读数的影响。

气体混合物的分子存在于在相同温度下 的相同系统体积中（V 对于所有气体均相 同）。理想气体定律可以改为：

其中

n_gas1 = 气体 1 的量 [mol]
n_gas2 = 气体 2 的量 [mol] 等等

并且

其中

p = 气体混合物的总压
p_gas1 = 气体 1 的分压
p_gas2 = 气体 2 的分压等等

第二个方程式称为道尔顿分压定律。它指 定气体混合物的总压等于混合物中所有组 分气体的分压之和。

当考虑水蒸汽对 CO₂ 传感器读数的影响 时，此信息很有用。如果在压力、温度和 体积不变时将水蒸汽加到干燥气体，水将 替代混合物中的某些气体分子。同样，如 果从高湿环境下提取某个气体样本并在 进入 CO₂ 计的测量室前允许干燥，则水 分子的流失会改变气体的组成，从而影响 CO₂ 测量。

这被称为稀释效应，可以使用表 2 来估 计。已知干燥气体的 CO₂ 浓度时可以计 算高湿环境下的 CO₂ 浓度。为此，需要知 道 1013 hPa 下的露点 (T_d) 或干湿条件 下的水蒸汽浓度 (ppm)。从横轴选择高 湿环境的湿度条件，从纵轴选择干燥气体 的条件。

示例：从露点为 40°C（水含量为 73,000 ppm）的环境提取一个气体 样本，将其放入 20°C T_d （水含量为 23,200 ppm）的环境。测量的 CO₂ 浓 度 5.263%（20°C T_d 下）转换为 40°C Td 环境下的 5.00% (5.263% × 0.950 = 5.00%)。读数变小是 40°C T_d 下更高 的水含量稀释导致的。