一种微型化二氧化碳探测仪的校准系统的制作方法

1.本实用新型属于环保领域，特别是涉及一种微型化二氧化碳探测仪的校准系统。


背景技术：

2.城市群高密度二氧化碳(co2)组网观测，可以获取对人口活动密集区域的co2变化规律的全新认识，在城市尺度上提供连续、可靠精度的大气环境要素和co2浓度探测数据。基于微型化二氧化碳探测仪的co2组网观测数据，可提供不同城市空间和不同尺度的co2浓度观测数据，对于深入认识城市尺度碳源、汇变化规律，研究不同尺度co2运动以及城市碳排放模型构建，深刻理解城市排放和全球气候变化的相互关系至关重要。
3.目前，多点位观测仪和移动监测车是实现城市群co2浓度测量的重要观测手段。基于多点位观测的城市群高密度co2组网观测，其目标是通过微型化低成本、中精度co2观测系统集成和校准系统设计，组建具有国际先进水平、适合在城市群部署的高密度二氧化碳浓度观测网。因此，利用微型化二氧化碳探测仪实现co2观测数据的采集、存储、远传，并确认其在不同环境下的长时间运行的稳定性和可靠性，对于城市群高密度co2观测网的成功实现至关重要。
4.然而，目前广泛使用的可提供多尺度观测数据的基于非色散红外(ndir)传感器senseair k30，虽然成本较低，但其co2浓度测量观测结果易受到环境温度、湿度、大气压力及使用周期等因素影响，使得数据精度难以满足发展适合高密度部署的城市群碳监测的微型化二氧化碳探测仪应用需要。
5.因此，为了获得传统方法难以实现的高分辨率co2区域探测数据，需要实现微型化co2浓度探测仪的规范化校准、系统集成、城市群组网优化等关键技术。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是为了实现微型化二氧化碳浓度探测仪的方便有效的实验室校准、现场校准和数据质量控制，降低传感器长期漂移的影响，实现用较低成本获得较高的数据准确度水平。
7.本实用新型提供了一种微型化二氧化碳探测仪的校准系统，其包括：
8.实验箱，在所述实验箱内设置温压传感器、微型化二氧化碳探测仪；
9.高精度二氧化碳分析仪，所述高精度二氧化碳分析仪与所述实验箱通过管路连接；其对实验箱内的温度、压力和湿度进行调节，微型化二氧化碳探测仪测试环境动态变化；
10.建立非色散红外测量模型；基于非色散红外测量模型和微型化二氧化碳探测仪的测量数据，以高精度二氧化碳分析仪的数据作为标准值，对微型化二氧化碳探测仪进行校准。
11.其中，所述微型化二氧化碳探测仪为senseair k30探测仪。
12.其中，所述高精度二氧化碳分析仪为piccaro分析仪。
13.本实用新型建立了一套适用于微型化二氧化碳探测仪的校准系统，解决了微型化二氧化碳探测仪在城市二氧化碳高密度组网观测应用中的批量校准等问题，保证微型化二氧化碳探测仪观测数据的精度。该系统实现了微型化co2浓度探测仪的方便有效的实验室校准、现场校准和数据质量控制，降低传感器长期漂移的影响，完成用较低成本获得较高的数据准确度水平，保证微型化二氧化碳探测仪senseair k30的观测数据的精度。二氧化碳浓度高精度的测量，为碳中和的实现，提供帮助。
附图说明
14.图1为本实用新型的实验装置的结构示意图；
15.图2为基于ndir原理的微型化二氧化碳探测仪的测量模型图；
16.图3-a为测量原理模型与微型化二氧化碳探测仪的初始测量数据关系图；
17.图3-b为基于回归分析的微型化二氧化碳探测仪的数据图；
18.图3-c为本实用新型的微型化二氧化碳探测仪的拟合校准图。
具体实施方式
19.为了便于理解本实用新型，下面结合附图对本实用新型的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对实用新型进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
20.本实用新型提供了一套微型化二氧化碳探测仪的校准系统。优选所述微型化二氧化碳探测仪为senseair k30，也可以为其他型号的仪器。下面主要以微型化二氧化碳探测仪为senseair k30的情况进行解释和说明，但是并不意味着只本实用新型只适用于senseair k30。
21.所述二氧化碳探测仪senseair k30为非色散红外线(ndir)传感器，ndir的测量原理基于比尔-朗博定律，即：
22.i＝i0e-cσl
23.其中，i0为未经过待测气体时探测器收到的初始光强信号；l为光的路径长度；c为待测气体的分子数密度(mol/m3)。传感器通过实时测量红外光经过待测气体后探测器接收到的光强增量信号i，透射率τ＝i/i0，其计算公式如下：
24.τ＝exp(-σ(t,p,)cl)
25.可利用理想气体状态方程，将c转化为与待测气体体积百分比浓度x、温度t、压力p有关的量，即：
[0026][0027]
上式中，阿伏伽德罗常数na＝6.02
×
10
23
mol-1
，理想气体常数na＝8.3145j
·
mol-1
·
k-1
；σ(т,р,υ)为吸收系数，与温度和压力有关，进一步可表述为带宽范围内每一条谱线的谱线强度si(t)和线型函数的卷积形式，并在传感器滤波带宽范围内进行积分。表达式如下：
[0028][0029]
co2在近红外波段吸收的中心波长为2348cm-1
，二氧化碳传感器的滤波带宽范围为2280～2400cm-1
。
[0030]
基于前述ndir传感器的测量原理，建立理论测量模型。即实时测量红外光经过待测气体后探测器接收到的光强增量信号，计算平均透射率并建立与待测气体体积的关系，根据测量原理，在matlab中建立senseair k30的测量模型，并在matlab数据平台中完成模型的测试，在所述测量模型中，根据实验变量如温度、压力等，计算得到二氧化碳浓度。
[0031]
图1所示为本实用新型的校准系统的实验装置示意图。如图1所示的结构只是为了便于帮助理解本实用新型的构思，其并不作为对实用新型内容的唯一性限定，本领域人员可以对其结构组件进行适当的替换和变更，以及相互的连接关系中可以是直接接触也可以是通过中间部件间接接触等情况，在本领域人员的合理预期范围内的置换或替代或省略均应落入本实用新型的范围之内。
[0032]
所述校准系统包含空气泵1、干燥管2、实验箱3、温压传感器4、微型化二氧化碳探测仪5、高精度二氧化碳分析仪6以及相关的连接部件，所述相关的连接部件可以为导管、转接口等。所述高精度二氧化碳分析仪优选为piccaro分析仪。
[0033]
具体而言，空气泵1将外部空气抽取，供给到实验箱3沿气体流动方向设置有干燥管2，被所述空气泵1抽取的外部空气进入到所述干燥管2，所述干燥管2对空气中的水蒸气以及灰尘颗粒等进行过滤，经干燥管处理后的外部空气进入到实验箱3中。
[0034]
所述实验箱3优先为恒温箱，在所述实验箱3内设置温压传感器4，即bme传感器，所述温压传感器4对所述实验箱3内的空气温度和压力进行实时测量，所述senseair k30探测仪位于所述实验箱3的内部，所述senseair k30探测仪测量实验箱3内气体的二氧化碳浓度，所述piccaro分析仪位于所述实验箱3的外部，且所述piccaro分析仪通过导管与实验箱3连接，通过所述senseair k30探测仪5以及所述piccaro分析仪可对实验箱内的气体中二氧化碳的浓度同时进行测量，获取到测量数据。根据实验中温度、压力数据，基于建立的senseair k30探测仪的测量原理，以压力和温度等作为输入变量，得到如图2所示的数据模型。
[0035]
高精度二氧化碳分析仪6的测量数据以及senseair k30的测量数据通过实验装置进行获取，在实验装置中，针对压力和温度的动态变化范围，采用可控温度、压力的实验箱对仪器进行环境变化测试。获取高精度二氧化碳分析仪的测量数据以及senseair k30的测量数据，通过上述senseair k30的测量模型计算所得数据，对senseair k30的测量数据进行回归分析，从而实现对senseair k30的二氧化碳浓度测量结果进行校准。
[0036]
具体而言，本实用新型通过前述测量原理，结合图1所示的实验装置，利用高精度二氧化碳分析仪piccaro g2311-f对微型化二氧化碳探测仪senseair k30进行校准。如图1所示，外部空气经过空气泵吸入到装置中，按照气体流动方向，首先经过干燥管，进而进入到实验箱，所述空气泵吸入预定的空气到实验箱中。其中实验箱内放置待进行校准的二氧化碳探测仪senseair k30，测量温度、压力变量的bme 280温压传感器，所述校准系统根据bme 280温压传感器测量的温度和压力数据，在压力达到一定的范围或阈值时，控制所述空
气泵的工作状态，使所述空气泵处于功率降低、暂停或停止工作状态，进而可调节吸入的空气量。此外，高精度二氧化碳分析仪piccaro g2311-f通过导管与实验箱进行连通，实现一个整体的与外界隔离的封闭实验系统，在实验过程中，所述piccaro分析仪提供同步、连续的co2浓度测量的高精度数据。
[0037]
如图3-a、3-b、3-c所示，基于建立的测量模型和senseair k30实验数据，以及piccaro g2311-f的高精度数据，进行数据间的相关性等进行分析。
[0038]
如图3-a所示其中本实用新型建立的测量原理模型与senseair k30的初始测量数据之间的决定系数r2达到0.9812，数据表现很好的相关性。
[0039]
如图3-b所示，基于回归分析，senseair k30的输出数据(x轴所示变量sense)与测量模型计算的原理数据(y轴所示变量trans)间的关系式y＝23.034x3+38.823x2+21.77x-3.1173,决定系数r2为0.941。
[0040]
如图3-c所示，基于上述数据分析，最终建立senseair k30的测量数据与高精度二氧化碳分析仪piccaro g2311-f的拟合校准式，完成对不同温度、压力下的二氧化碳探测仪senseair k30数据结果的校准。
[0041]
经测试实验，使用本系统校准方法对测试数据进行校准，得到的校准后的数据与高精度二氧化碳分析仪piccaro g2311-f所得到标准参考数据间的误差分析，数据的相对均方根误差为(rrms)为0.46％，校准效果达到应用需求，保证了校准方法的可行性和准确性。
[0042]
本实用新型建立了一套适用于微型化二氧化碳探测仪的校准系统。该系统实现了微型化co2浓度探测仪的方便有效的实验室校准、现场校准和数据质量控制，降低传感器长期漂移的影响，完成用较低成本获得较高的数据准确度水平，保证微型化二氧化碳探测仪senseair k30的观测数据的精度。
[0043]
本实用新型通过二氧化碳探测仪senseair k30的测量即：原理非色散红外(ndir)的建立，采用主要包括可控温度、压力的实验箱、温压传感器(bme 280)、高精度二氧化碳分析仪(piccaro g2311-f)以及相关的连接装置的实验装置，对实验装置进行环境变化测试，实现针对动态变化范围校准。基于建立的测量模型和实验数据，通过二氧化碳探测仪senseair k30的原始数据与高精度二氧化碳测量仪器数据间的拟合分析，建立数据的回归模型和校准曲线拟合，实现不同温度、压力下的二氧化碳探测仪senseair k30数据结果的校准。最后经过测试实验，完成senseair k30校准后的数据与高精度的氧化碳分析仪所得参考数据间的误差分析，保证了校准方法的可行性和准确性。
[0044]
可以理解的是，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。