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湿度对LARK-1CH4红外传感器的影响

  LARK-1 CH4是苏州诺联芯研发成功的NDIR原理的甲烷传感器。前几期博文《红外气体传感器(1)~(4)》比较全面地介绍了红外气体传感器的工作原理、技术参数、性能指标等,其中的测试数据及曲线均来自LARK-1 CH4的产品验证报告。我们在该报告的基础上还进行了多项深度实验,通气湿度对LARK-1 CH4传感器读数的影响是其中一项,今天就跟大家分享湿度实验的结论。

  1. 水是怎么影响LARK-1甲烷传感器的呢?

  冷凝水

  如果将高湿度的待测气通入不在工作状态的LARK-1 CH4,传感器内部会产生冷凝水,可能造成电子元器件短路从而损坏传感器。若是在湿度比较高的环境下使用LARK-1 CH4传感器,最好考虑除湿,比如烟气排放、地下管廊、或者热带雨林地区等。

  水蒸气

  水蒸气对LARK-1 CH4的影响是本文的重点,那么通入LARK-1 CH4传感器的待测气中含有水蒸气为什么会影响传感器读数(传感器计算的甲烷浓度值)呢?

  NDIR传感器基于非色散红外原理,即多原子分子在红外波段具有特定的吸收峰,在该特定吸收波段的吸收强度与气体浓度有关。如图1所示,甲烷的特征吸收峰目前多选择在 3.25~3.41um 处,图2是水蒸气的红外吸收谱图,水蒸气在3.25~3.41um波段存在少量吸收。传感器将这部分吸收认为是甲烷气体,计算出的甲烷浓度值便会偏高。

  

 

  图1. 甲烷的红外吸收谱

  

 

  图2. 水蒸气的红外吸收谱

  2. 我们的湿度实验是怎么做的呢?

  我们取2只LARK-1 CH4传感器放置在高低温试验箱内,分别在20℃、30℃、40℃三组温度下进行了湿度实验。准备8只10L容量的气袋,取标准气和液态水,按计算好的量充入气袋中,可配置成8组浓度相同湿度不同的实验气,将8组湿度不同的实验气顺序通入稳定运行的LARK-1 CH4传感器,用本公司开发的软件《BlueCAL》采集并保存传感器数据就可以了。

  表1就是我们的工程师计算好的湿度实验气配置表,按照该表配置湿度实验气,在三组温度下的绝对湿度参数是一样的。

  表1. 不同湿度的实验气配置表

  

 

  3. 湿度实验数据分析

  我们分别用500ppm 和1000ppm CH4标准气做了湿度实验,下面的曲线横坐标是绝对湿度(g/m3),纵坐标是LARK-1计算出的读数变化量,用当前湿度下的读数减去0g/m3时的读数就得到了当前湿度下的读数变化量,所以绝对湿度0g/m3(即干燥实验气)时的读数变化量为0。

  下面的图中蓝色曲线为500ppm CH4标准气的湿度-读数变化量曲线,黄色曲线为1000ppm CH4标准气的湿度-读数变化量曲线。

  湿度实验曲线

  

 

  图3. 20℃时湿度-读数变化量曲线

  

 

  图4. 30℃时湿度-读数变化量曲线

  

 

  图5. 40℃时湿度-读数变化量曲线

  根据湿度-读数变化量曲线可发现,当通入CH4浓度一定的情况下,测得的读数随通气湿度的增大而线性增大。我们对实验测得的数据进一步分析计算,得到了表2以及一个定量结论,即不同湿度下读数改变量的平均值,并且据此计算出了每1mL/L以及1g/m3的水蒸气含量造成的CH4读数改变量。

  湿度实验数据分析

  表2. 湿度实验数据分析总表

  

 

  根据表2中1mL/L及1g/m3水蒸气含量造成的读数改变量数据,可知在20℃、30℃、40℃三组环境温度下:

  (1) 500ppm或1000ppm CH4气体中含有1mL/L水蒸气会造成10ppm以内的读数改变量;

  (2) 500ppm或1000ppm CH4气体中含有1g/ m3水蒸气会造成15ppm以内的读数改变量。

  湿度影响的温度相关性是怎样的呢?

  这就要看一下表3了,把表2的数据进一步平均计算得到单位含量的水蒸气分别在20℃、30℃、40℃三个温度下造成的读数改变量平均值。

  不难看出湿度对LARK-1 CH4传感器读数的影响与温度存在一定的相关性:LARK-1 CH4传感器通入的待测气中含有固定体积比的水蒸气,则温度越高,水蒸气对读数的影响越微弱。

  表3. 湿度实验温度相关性数据

  

 

  4. 小结

  我们用LARK-1 CH4传感器通入不同湿度的标准气体进行实验,研究分析了通气湿度对LARK-1 CH4传感器读数的影响:可知在20℃、30℃、40℃三组环境温度下,通入500ppm或1000ppm CH4气体中含有1mL/L水蒸气会造成10ppm以内的读数改变量。用户使用LARK-1 CH4气体传感器时可用湿度传感器测量待测气体的绝对湿度,并根据该数据修正LARK-1 CH4输出的读数。

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