Датчик углекислого газа или датчик CO 2 — это прибор для измерения содержания углекислого газа. Наиболее распространенными принципами датчиков CO 2 являются инфракрасные датчики газа ( NDIR ) и химические датчики газа. Измерение углекислого газа важно для мониторинга качества воздуха в помещении , [1] функции легких с помощью капнографа и многих промышленных процессов.
Датчики NDIR представляют собой спектроскопические датчики для обнаружения CO 2 в газообразной среде по его характерному поглощению. Ключевыми компонентами являются источник инфракрасного излучения , световая трубка, интерференционный (длинноволновой) фильтр и инфракрасный детектор. Газ накачивается или диффундирует в световую трубку, а электроника измеряет поглощение характерной длины волны света. Датчики NDIR чаще всего используются для измерения углекислого газа. [2] Лучшие из них имеют чувствительность 20–50 PPM . [2] Типичные датчики NDIR стоят от 100 до 1000 долларов США.
Датчики CO 2 NDIR также используются для измерения растворенного CO 2 в таких приложениях, как карбонизация напитков, фармацевтическая ферментация и улавливание CO 2 . В этом случае они подключаются к оптике ATR (пониженного полного отражения) и измеряют газ на месте . Новые разработки включают использование ИК-источников микроэлектромеханических систем (МЭМС) для снижения стоимости этого датчика и создания устройств меньшего размера (например, для использования в системах кондиционирования воздуха ). [3]
Другой метод ( закон Генри ) также можно использовать для измерения количества растворенного CO 2 в жидкости, если количество посторонних газов незначительно. [ нужны дальнейшие объяснения ]
CO 2 можно измерить с помощью фотоакустической спектроскопии . Концентрацию CO 2 можно измерить, подвергая образец импульсам электромагнитной энергии (например, от лазера с распределенной обратной связью [4] ), который специально настроен на длину волны поглощения CO 2 . С каждым импульсом энергии молекулы CO 2 внутри образца поглощают и генерируют волны давления посредством фотоакустического эффекта . Эти волны давления затем обнаруживаются акустическим детектором и преобразуются в полезные показания CO 2 с помощью компьютера или микропроцессора. [5]
Химические датчики газа CO 2 с чувствительными слоями на основе полимера или гетерополисилоксана имеют главное преимущество: очень низкое энергопотребление и возможность уменьшения их размера для соответствия системам на основе микроэлектроники. С другой стороны, краткосрочные и долгосрочные эффекты дрейфа, а также довольно низкий общий срок службы являются основными препятствиями по сравнению с принципом измерения NDIR. [6] Большинство датчиков CO 2 полностью откалиброваны перед отправкой с завода. Со временем нулевую точку датчика необходимо калибровать для поддержания долгосрочной стабильности датчика. [7]
Для помещений, таких как офисы или спортивные залы, где основным источником CO 2 является дыхание человека , изменение масштаба некоторых более простых для измерения величин, таких как концентрации летучих органических соединений (ЛОС) и газообразного водорода (H 2 ), дает достаточно хорошую оценку реальная концентрация CO 2 для целей вентиляции и пребывания. [ нужна ссылка ] Кроме того, поскольку вентиляция является фактором распространения респираторных вирусов , [8] уровни CO 2 являются приблизительным показателем риска заражения COVID-19 ; чем хуже вентиляция, тем лучше для вирусов и наоборот . [9] [10] Датчики этих веществ могут быть изготовлены с использованием дешевой (~ 20 долларов) технологии металлооксидных полупроводников (МОП) микроэлектромеханических систем (МЭМС). Показания, которые они генерируют, называются оценками CO 2 (eCO 2 ) [11] или эквивалентом CO 2 (CO 2 экв.). [12] Хотя в долгосрочной перспективе показания обычно оказываются достаточно хорошими, использование источников ЛОС или CO 2 , не связанных с дыханием, таких как чистка фруктов или использование духов , подорвет их надежность. Датчики на основе H 2 менее восприимчивы, поскольку они более специфичны для человеческого дыхания, хотя те самые состояния здоровья, которые призван диагностировать водородный дыхательный тест , также нарушат их работу. [12]