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红外气体传感器(2)

 

 

  2. 量程(Range)

  定义:

  从原理上来说,NDIR传感器可以测量0-100%VOL的目标气体,但由于需求的差别,成本的考虑,软件算法的精度等原因,NDIR传感器的量程被分成多种。

  · 最常用的量程是多少?

  CH4: 不同的量程所针对的是不同的应用。

  - 100ppm CH4,人体呼气分析

  - 1000ppm CH4,VOC排放分析

  - 1500ppm CH4,天然气泄漏

  - 50000ppm CH4,气体浓度分析

  - 100%VOL,煤层瓦斯气体浓度分析,水煤气甲烷浓度分析,垃圾填埋场甲烷浓度分析

  CO2: 不同的量程所针对的是不同的应用。

  - 10000ppm CO2, 室内空气质量监测

  - 5%VOL,即50000ppm,工业安全监测

  - 20%VOL,烟气排放监测,汽车尾气排放检测

  · NDIR的量程和测量误差有关系吗?

  有一部分关系。绝大多数NDIR传感器的误差是以读数的百分比(%真值)来计算的,但有一些安全仪器的误差是用满量程的百分比(%FS)来计算的,例如GB15322.1。GB15322.1标准规定常温时候的误差不得高于±3%LEL,即±1500ppm;长期稳定性的漂移不得高于±5%LEL,即±2500ppm;高低温时候的误差不得高于±10%LEL,即±5000ppm。

  · NDIR的量程和传感器体积有关系吗?

  有关系。体积比较大,光路比较长的NDIR传感器模块,其量程一般来说都比较小,大约几百到几千;体积比较小,光路短的NDIR传感器模块,其量程一般都比较大,从5%到100%vol不等。

  3. 精度(Accuracy)

  定义:

  NDIR传感器测量被测气体时,测量值和真值之间的误差用来度量传感器的精度,该误差可以是绝对误差,以ppm计,也可以是相对误差,以%reading计,也可以混合起来计,例如±100ppm±2%reading。

  · 为什么其它类型的传感器没有精度,而NDIR传感器有精度呢?

  电化学和催化燃烧传感器是微弱模拟信号输出的传感器,其性能参数只有线性和重现性,规格书上没有“精度”这两个字。而市面上的NDIR传感器多数都是数字化输出的,已经是一台小型的“仪器”了,所以通上电以后,读数会通过模拟输出口或数字输出口输出读数。下图中,就是诺联芯公司出品的传感器Lark-1 CH4配套的BlueCAL软件的数据采集界面,您在里面可以看到Datalog和原始数据的曲线。

  

 

  · NDIR传感器的精度如何表述?

  比较科学的表述应该按温度范围来做分类。例如:-40℃ —— 70℃之间误差为±X.X%;-25℃ —— 55℃之间误差为±Y.Y%;0℃ —— 40℃之间误差为±Z.Z%。

  但是当气体浓度非常小时,用百分比误差来表述就不合适了,需要用一个绝对浓度值来表示。因此,就产生了这样的表达方式:±100ppm ± 2%真值,Lark-1 CH4就是这样的表示方法。当描述NDIR传感器精度的时候,温度范围是一定要放在一起表达,否则就不全面。

  下面是Lark-1 CH4在不同浓度下所测得的曲线,我们将线性判决系数R^2也计算出来了,展现给各位。测量的甲烷浓度分别是0ppm、500ppm、1000ppm、2500ppm、5000ppm。传感器输出的数字读数分别为13ppm、531ppm、1035ppm、25596ppm、5135ppm。当然,需要说明的是,当做完一次高低温循环之后,读数会有100ppm – 500ppm的变化。

  

 

  · NDIR传感器测量高浓度和低浓度气体的时候,精度是一样的吗?

  不一样。低浓度的时候,NDIR传感器的绝对误差小,相对误差大;高浓度时,绝对误差大,相对误差小。如果从设计和制造难易度上来做比较的话,低浓度时候做到高精度比较困难。测量ppm级别CH4泄漏一直都是工业界很难解决的技术难题,虽然用激光红外的办法能够解决,但体积大,耗电量也大,而且成本不菲。

  下面的图中,测量的甲烷浓度分别是0ppm、250ppm、500ppm、750ppm、1000ppm。传感器输出的数字读数分别为10ppm、268ppm、530ppm、792ppm、1038ppm。

  

 

  如果以绝对误差来计算,250ppm和1000ppm这两个点的绝对误差分别是18ppm和38ppm,明显18ppm < 38ppm;但是,按照相对误差来计算,18/250*100% = 7.2%真值,38/1000*100% = 3.8%真值,明显7.2% > 3.8%。

  4. 响应时间(Response time)

  定义:

  传感器信号从零点上升到通气平衡点一定百分比,所需的时间称为响应时间,通常用T90来描述。从零点上升到平衡信号值的50%所需要的时间称为T50,从零点上升到90%所需的时间称为T90,从零点上升到99%所需的时间成为T99。要得到T90,就需要有数据采集的曲线作为依据。以Lark-1用于计算读数的电参量B值为例:

  

 

  上图中,一个蓝色的圆点代表1秒,也就是说,当通气流量为500ml/min的时候,Lark-1的T90时间和RT90时间都是3秒。

  · 催化燃烧传感器和NDIR传感器哪个响应快?

  如果是以纯扩散模式进行比较的话,催化燃烧传感器响应会更快。原因是催化燃烧传感器内部死体积更小,气体浓度达到平衡所需的时间也会更短。NDIR传感器为达到比较好的分辨率,光学腔体必须加长,这同时也加大了死体积,浓度平衡时间也就加长了。所以在扩散模式下,NDIR传感器的响应时间也就延长了。

  · 怎样才能使红外传感器响应时间更短?

  在不改变传感器其它性能的前提下,可以将扩散模式改为泵吸模式,可以缩短响应时间。气泵流量调节比较好控制,不像扩散模式难以捉摸。带来的缺点就是,需要安装一个泵,增加了成本,并且功耗也会加大。但是高端的仪器会愿意增加这样一个泵,泵不仅使响应速度更快,还能得到更准确的读数。

  · 在传感器结构一定,气体流量一定的情况下,还有什么因素影响响应时间?

  软件会影响传感器响应时间。有些红外仪表厂商,因为传感器分辨率不佳,所以拉宽了滑动移动平均的时间窗口,以换得较好的分辨率。但带来的副作用就是响应时间的延长。

  5. 重现性(Repeatability)

  定义:

  在同一天之内,通气6次,获得6次通气平衡的读数,然后计算6次读数的标准差。该标准差越接近于零,说明传感器的重新性越好。

  · NDIR传感器和催化燃烧传感器的重现性哪个更好?

  NDIR更好。催化燃烧传感器的催化珠是暴露在空气中的,容易受到环境中各种气体的干扰和毒害,从而造成零点和灵敏度变化。NDIR传感器内部的元件都是被光学玻璃或滤波片保护起来的,不会受到其他气体的干扰和毒害。光路是镀金的,也不会被腐蚀。所以,NDIR传感器的变化非常缓慢。在一天之内几乎没有变化。下图就是Lark-1的电参量B的重现性。

  

 

  · 一天之内温度变化了怎么办?

  实验室都是在室内的,即使一天之内温度变化也不会超过5℃。5℃对任何气体传感器来说都不会造成大的温漂,NDIR也不例外。所以不用担心一天内的温漂。

  · 测量重现性的时候用什么浓度的气体?

  测量CH4的时候,多数是用50%满量程的气体。测量CO2的时候,请用5000ppm的浓度。测量重现性所用的气体浓度越低,重现性的数据就越可信,因为这样的测量要求更高。

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