温度和湿度对CO2浓度测量影响的研究外文翻译资料

 2022-11-10 14:38:03

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温度和湿度对CO2浓度测量影响的研究

刘伟亮a，妮翔b，吴袁熙c，张伟d

天津科技大学电子信息与自动化学院

天津市河西区大沽南路1038号，天津300222，中国

aylliu@tust.edu.cn, bnix@mail.tust.edu.cn, c1097736497@qq.com, d458145672@qq.com

摘要：在应用非分散红外（NDIR）对二氧化碳（CO2）浓度的测量中，我们需要避免干扰因素（如温度，压力，气体，光源波动和粉尘污染等）。在过去的实验中，往往只考虑温度等单一因素，强调其对测量结果的影响，而不考虑多因素的影响。为了研究气体浓度随测量参数的变化，我们用BM530气体检测模块构建CO2检测装置和TMD10温湿度传感器。实验结果表明：温度和湿度两个干扰因素之间存在相关性。随着温度的降低，气体浓度测量值也会降低。在仪器的开发过程中，我们可以在不同的温度和湿度条件下进行浓度-温度的校正，而不仅仅是对测量结果的校正。

  1. 引言

NDIR作为一种快速准确的气体分析技术，已广泛应用于农业科学的CO2监测系统中。目前的NDIR气体分析仪一般采用红外传感器，运用电调制光源和低功耗的嵌入式系统，使得仪器在体积，功耗，性能和价格方面具有许多无可比拟的优势[1-8]。但是，在实际应用中， 传感器需要避免外部测量条件（如温度，湿度，压力，其他气体的干扰以及气体混合物中的成分，光源的波动和粉尘污染的影响等）。根据相关研究文献，采用NDIR技术可有效消除混合气体的干扰，粉尘污染干扰等相关因素。而稳定电源可以保证光源波动的稳定性。在之前的相关实验研究中，我们通常做出单一的测量条件变化，如温度，湿度等，确保其他参数不变，从而得到气体浓度随干扰参数变化的实验结果[9]。当我们校准仪器时，我们仅可以使用其中一个对测量结果有影响的因素。我们如何才能使这台仪器的校准令人信服？本文主要研究NDIR红外气体分析仪测量相同浓度的CO2气体。我们同时改变了测量条件：温度和湿度，然后用测量参数研究描述CO2浓度的规律，我们可以对气体浓度分析仪的输出结果进行校准。

  1. 测试平台

为了研究CO2浓度的测量值随温度和湿度的变化而变化，我们建立一个测试平台。 该平台由B-530 NDIR CO2传感器，TMD10-SPI温湿度传感器，单片机系统，键盘控制模块，LCD模块组成。NDIR CO2 传感器将气体浓度信息转换为相应的数字信号，同时TMD10-SPI温度和湿度传感器将温度和湿度信息转换为数字信号。这些测量结果可以通过通信接口保存到微控制器系统存储器中，并可以显示在LCD上，开关稳压电源用于测试平台。为了减少电源电流扰动，在电源中添加了滤波器。系统的硬件平台如图1所示。

图1 CO2检测平台结构图

我们选择B-530模块作为用于 浓度测量的NDIR传感器。根据测试需要，工厂的模块测量范围限制在0-50000ppm。NDIR传感器的框图如图2所示，该实验选择TMD10-SI模块作为温度和湿度传感器。

图2 红外CO2传感器模块的框图

其次对实验平台进行了测试，仪器性能为：NDIR CO2模块的CO2 浓度测量范围为0-50000ppm; 测量精度为plusmn;30ppm; 采样间隔为3秒。 TMD10-SI模块的温度测量范围为-40-70度，测量分辨率为0.1度。 湿度测量范围为18-98％，分辨率为1％。

  1. 实验设计

在实验过程中，将一定量已知浓度的空气密封在检测箱中。然后关闭箱内外的气路，以确保真正的检测浓度气体含量是不变的。改变环境温度导致气体温度和湿度变化缓慢，气体的测量浓度不能保持恒定，随着测量参数的变化，它会缓慢变化。为了清楚地观察测量过程，实验平台的LCD模块紧密贴在箱体的透明玻璃上，可实时显示气体浓度。

触发器每5秒钟工作一次，以测量温度，湿度和气体浓度，然后在液晶显示屏上显示，转换数据到个人电脑并保存。通过数据拟合可以得到气体浓度随温度和湿度变化的方程。数据拟合由1stOpt数学优化分析软件包[10]完成，该软件由七维有限公司开发。

  1. 结果和讨论

实验在一个安静的清洁实验室进行。我们通过改变实验室空气温度来改变箱内的气体温度，同时每隔五秒钟测量温度，湿度和气体浓度并保存在计算机中。选择146个数据并用于拟合浓度和测量参数之间的定律。CO2浓度的公式使用1stOpt软件通过准牛顿法（BFGS） 通用全局优化方法拟合温度和湿度。如公式1所示：

（1）

公式中的数值系数如表1所示：

表1 曲线拟合的系数列表

系数

数值

系数

数值

P1

-122304.827954597

P6

-1884046.22528529

P2

5420.9575012248

P7

1749351.78760737

P3

-195.944936343794

P8

1191371.85647522

P4

2.36182806127216

P9

-2122702.79768627

P5

634340.418393413

实验数据与曲线拟合之间的关系如图3所示。曲线拟合结果如下。 均方根误差（RMSE）：1.8386447497129，相关系数（R）：0.994045403085275，方差：0.988126263394966。

图3 实验数据与曲线拟合结果的比较

由于燃气箱已经密封，外部蒸汽不能进入箱内，里面的水蒸气不能用完。通过实验，我们可以发现气体浓度随温度的变化趋势与气体浓度随湿度的变化趋势相似。因此，我们推测在封闭的实验条件下温度和湿度之间是否存在很强的相关性。然后，我们研究了温度和湿度之间的相关性。从测试中我们可以发现，随着温度的降低，箱内的湿度也会发生变化。变化曲线如图4所示。温度和湿度之间的相关系数是0.978448947024758。因此我们可以知道湿度和温度之间存在很强的相关性。

图4 湿度曲线随温度变化图

使用多种测量条件进行校准应该能够使测量更准确。 但它在仪器设计方面也存在缺陷，软件编程和数据存储过程可能会变得更加复杂。由于温度和湿度之间存在相关性，因此温度和湿度可以作为一个变量来考虑。也就是说，在仪器开发中，我们只需要考虑浓度和温度之间的关系来粗略校准测量仪器。因此，仪器设计、相关软件编程和数据存储过程都将变得更加容易。

  1. 结论

本文研究了一定量的固定浓度气体,测量气体浓度随外界温度和湿度而变化。我们拟合了气体浓度变化随温度和湿度变化的规律，得出以下三个结论：

  1. 测量条件（温度和湿度）之间存在很强的相关性。
  2. 随着温度和湿度的降低，测得的气体浓度也随之降低，基于此，给出了气体浓度与测量条件之间的公式。
  3. 由于温度和湿度之间的强相关性，并且相关性非常高，因此，使用修正的温度公式可以近似校正不同温度和湿度的浓度测量结果。

参考文献

  1. L. Chen, H. Chen, Y. Zheng. Advanced Materials Research. 2011, 222: 282-283.
  2. B. G., DeLacy, A. R. Bandy. J Environ Qual, ASA/CSSA/SSSA. 2008, 37: 1354.
  3. C. R., Webster, R. T., Menzies, E. D. Hinkley. Laser Remote Chemical Analysis. 1994, 127: 25.
  4. J. Hodgkinson, R. Smith, W. O. Ho , J. R. Saffell, R. P. Tatam. Sensors and Actuators B. Chemical. 2013,186: 580.
  5. T. J. Pfeiffer, S. T. Summerfelt, B. J. Watten. Aquacultural Engineering. 2011, 44: 1.
  6. Smith E. Laboratory Practice. 1992, 41: 15.
  7. James, T. Daly, Edward A., Johnson. Proceedings of SPIE. 2002, 4578: 55.
  8. Miura N, Yao S, Shimizu Y. Sensors and Actuators B. 1992, 9: 165.
  9. JIN Zhifeng, ZHOU Shengjun, ZHU Yuqiang, et al. Acta Agriculturae Zhejiangensis. In Chinese. 2007, 19: 188.
  10. ZHANG Lina, GUO Min. Application research of computers. In Chinese. 2013, 30: 176.

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