CN104374730A - 适合高湿结露环境的空气二氧化碳浓度传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
适合高湿结露环境的空气二氧化碳浓度传感器及方法，属于自动化和物联网技术领域。产品主要包括：红外二氧化碳浓度探头(1)、电加热元件(2)、气室气温探头(3)、变送器(4)、防水盒(5)、空气温度探头(6)。方法主要是设定固定温差值，依据实际空气温度及加热后空气温度、加热后空气二氧化碳浓度建立经验公式计算实际空气二氧化碳浓度。本发明可以在高湿结露的环境下正常测量空气二氧化碳浓度，适合食用菌栽培等生产应用。
Description
一、所属技术领域
本发明专利涉及一种物联网使用的二氧化碳传感器及测量方法，特别是适用于在高湿结露环境下连续测量空气二氧化碳浓度使用。
二、技术背景
空气二氧化碳浓度的自动连续测量，是物联网需要感知的一项重要气象因素，特别是在农业生产中用处很大。但是，当前采用的空气二氧化碳浓度传感器很多是采用红外气敏元器件作为探头，通过记录空气中二氧化碳对于红外光线的吸收量和透过量来测定二氧化碳的浓度，如果空气湿度过大产生结露，探头上的露水珠就会严重影响红外光线的吸收量和透过量。因此，红外型的二氧化碳浓度传感器都对于环境的空气相对湿度有一定的要求，所标称的适宜环境空气相对湿度一般低于95RH％。然而，在实际生产中，空气温度降低时，很容易出现空气相对湿度增加到100RH％甚至过饱和结露的情况。传感器探头在久久不能蒸发掉的露水中，常会测量失真、失效。
为了满足物联网在高湿甚至是结露环境下的空气二氧化碳浓度的连续自动测量，本发明提出了一个新的技术方案。
三、发明内容
本发明专利公开了一种能在常温高湿甚至是结露环境下，自动、连续、正常测量空气二氧化碳浓度装置的制造方法和运行方法。这里所谓常温是指摄氏0℃至50℃的温度范围内，所谓高湿环境即空气相对湿度在95RH％～100RH％的环境；所谓结露环境，就是空气中水汽过饱和、凝结出露水的环境。
本发明专利采用以下技术方案实现上述目的：
本空气二氧化碳浓度传感器产品包括：红外二氧化碳浓度探头(1)、电加热元件(2)、气室气温探头(3)、变送器(4)、防水盒(5)、空气温度探头(6)。
所述红外二氧化碳浓度探头(1)，主要包括气室(11)、光源(12)、红外光功率计(13)。
所述变送器(4)包括变送器芯片(41)、变送器线路板(42)、输入输出线(43)。
所述红外二氧化碳浓度探头(1)与变送器(4)都安装在防水盒(5)内，红外二氧化碳浓度探头(1)与变送器(4)电连接，气室气温探头(3)安装在红外二氧化碳浓度探头(1)的气室(11)通气口外侧，电加热头(2)安装在气室气温探头(3)外侧，电加热元件(2)与变送器(4)电连接，气室气温探头(3)与变送器(4)电联接，空气温度探头(6)安装在防水盒(5)外与变送器(4)电连接。
变送器芯片(41)电连接固定于变送器线路板(42)上，变送器线路板(42)固定于防水盒(5)内，输入输出线(44)穿入防水盒(5)内与变送器线路板(42)电连接。
所述变送器芯片(41)，包括总控模块(411)、固定温差值设定模块(412)、大气环境实际空气温度感知模块(413)、气室空气温度感知模块(414)、电加热元件控制模块(415)、气室空气二氧化碳浓度感知模块(416)、大气环境实际空气二氧化碳浓度计算模块(417)、大气环境实际空气二氧化碳浓度数据发送模块(418)。
本发明提供测量计算空气二氧化碳浓度的实现方法，包括给空气红外二氧化碳浓度传感器上电后，变送器(4)启动电加热元件(2)开始加热气室(11)的通风口附近的空气，变送器(4)再从防水盒(5)外面的空气温度探头(3)获得大气的温度，依据大气环境实际温度值设定一个升温目标温度，变送器(4)参照这个升温目标温度监视气室气温探头(3)，当气室气温探头(3)感知到气室(11)通风口附近的气温升高并达到升温目标温度时停止电加热元件(2)的加热。气室(11)通风口附近的气温被加热后流入气室(11)，由于空气温度的升高空气相对湿度随之降低，必然低于100RH％，避免了出现结露的现象，红外二氧化碳浓度探头(1)的光源(12)和红外功率计(13)对于气室(11)内已升温的空气进行二氧化碳浓度的测量。红外二氧化碳浓度探头(1)将升温空气二氧化碳浓度的测量数据发送至变送器(4)，空气温度探头(6)将同期测量的大气环境下的空气温度数据也发送给变送器(4)，变送器芯片(41)根据升温空气的二氧化碳浓度、大气的空气温度、设定的升温目标温度计算出实际环境空气二氧化碳浓度的数据输出给上位机，一次测量工作完成。
1.空气相对湿度高低与空气温度有关，空气温度升高则空气相对湿度下降。本发明专利通过加热空气使进入气室(11)的空气相对湿度始终低于100RH％并不会结露，从而保护空气二氧化碳浓度传感探头(1)不受结露的影响，所以保证了空气二氧化碳浓度传感器可在高湿和结露环境下正常测量空气二氧化碳浓度，这对高湿结露环境下的物联网建设具有重要意义。
2.本发明专利根据红外型空气二氧化碳浓度传感探头的热效应和空气受热后CO2浓度发生变化的规律，通过建立经验模型和测量环境空气的实际温度、设定固定温度差、控制空气加温后的温度，利用变送器(4)进行动态计算数值补偿，从而可以正确监测空气的二氧化碳浓度。
四、附图说明
图1为本发明专利的俯视图，描述了本发明专利的组成和构造特征，特别是电加热元件(2)、气室气温探头(3)与气室(11)的相对位置；
图2为本发明专利空气二氧化碳浓度测量的流程图，描述了本发明专利的计算空气二氧化碳浓度的方法。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明专利的具体实施作进一步说明：
如图1所示，本发明专利包括：红外二氧化碳浓度探头(1)、电加热元件(2)、气室气温探头(3)、变送器(4)、防水盒(5)、空气温度探头(6)。
在防水盒(5)的外壁上设置通气孔，大气环境下的空气可以自由流入防水盒(5)内。将变送器线路板(42)固定安装在防水盒(5)内，将变送器芯片(41)固定在变送器线路板(42)上远离防水盒(5)通气孔的一侧，将输入输出线(44)与变送器线路板(42)电连接，然后穿出防水盒(5)外。将红外二氧化碳浓度探头(1)安装固定在变送器线路板(42)上，气室(11)安装在防水盒(5)通气孔的一侧。红外二氧化碳浓度探头(1)与变送器(4)电连接，气室气温探头(3)安装在防水盒(5)内红外二氧化碳浓度探头(1)的气室(11)通气口外侧，电加热头(2)安装在气室气温探头(3)外侧，电加热元件(2)与变送器(4)电连接，空气温度探头(3)与变送器(4)电联接，空气温度探头(6)安装在防水盒(5)外与变送器(4)电连接。
本发明提供测量计算空气二氧化碳浓度的实现方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1：加电及加热空气，即，
本空气二氧化碳传感器获得直流电源供电，各部件启动。总控模块(411)给电加热元件(2)通电，电加热元件(2)开始加热。
步骤S2：固定温差值设定，即，
变送器芯片(11)的固定温差值设定模块(412)存储一个固定温差值的默认值，固定温差值可以设定在3摄氏度至15摄氏度范围内，总控模块(411)通过输入输出线(13)可接收上位机发送来的新的设定值，然后将固定温差值存储到固定温差值设定模块(411)内，以备调用。
步骤S3：大气环境实际空气温度感知，即，
大气环境实际空气温度感知模块(412)从空气温度探头(6)获取从大气环境实际空气温度，提交给总控模块(411)。
步骤S4：计算升温目标温度，即，
总控模块(411)从固定温差值设定模块(411)内提取固定温差值，再根据大气环境实际空气温度，计算升温目标温度，其公式是：升温目标温度(℃)＝大气环境实际空气温度(℃)+固定温差值(℃)。例如设定固定温差值为5摄氏度，大气环境实际是20摄氏度，则升温目标温度可设定为25摄氏度，再如大气环境实际是30摄氏度，则升温目标温度可设定为35摄氏度。
步骤S5：读取气室附近热空气温度，即，
总控模块(411)向气室空气温度感知模块(414)索取气室附近空气温度值，气室空气温度感知模块(414)从气室气温探头(3)获取气室附近空气温度值发送给总控模块(411)。
步骤S6：判断是否需要加热空气，即，
总控模块(411)将气室附近空气温度值与升温目标温度进行比较，做出判断结论。如果气室附近空气温度值小于升温目标温度则执行步骤S7，如果气室附近空气温度值等于大于升温目标温度则执行步骤S8。
步骤S7：继续加热空气，即，
总控模块(411)保持给电加热元件(2)通电，电加热元件(2)继续加热，工作1秒至5秒钟后气室附近空气气温升高，转步骤S5。
步骤S8：停止加热空气，即，
如果气室附近空气温度值等于或大于升温目标温度，总控模块(411)给电加热元件(2)断电，加热停止，转步骤S9。
步骤S9：读取升温空气二氧化碳浓度，即，
总控模块(411)向气室空气二氧化碳浓度感知模块(416)索取气室空气二氧化碳浓度，气室空气二氧化碳浓度感知模块(416)从红外二氧化碳浓度探头(1)获取气室空气二氧化碳浓度测量值，然后提交给总控模块(411)。
步骤S10：计算大气环境实际空气二氧化碳浓度，即，
总控模块(411)将升温空气二氧化碳浓度、升温目标温度、固定温差的数据交给大气环境实际空气二氧化碳浓度计算模块(417)。大气环境实际空气二氧化碳浓度计算模块(417)利用预置的公式进行计算。计算公式是通过多次实验得到的一个经验模型：大气环境实际空气二氧化碳浓度(mg/kg)＝常数项A0+系数A1乘以升温空气二氧化碳浓度(mg/kg)+系数A2乘以大气环境实际空气温度(℃)+系数A3乘以固定温差值(℃)。其中常数项A0、系数A1、系数A2、系数A3可以根据大气环境的实际气温范围通过实验数据进行多元回归拟合得到。大气环境实际空气二氧化碳浓度计算模块(417)将计算结果返回给总控模块(411)。
步骤S11：输出大气环境实际空气二氧化碳浓度，即，
总控模块(411)通过输入输出线(43)将大气环境实际空气二氧化碳浓度发送给上位机，一次测量工作完成。
根据上述说明书的揭示和表述，本发明专利所述领域的技术人员还可以对于上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明专利并不局限于上面揭示和表述的具体实施方式，对于本发明专利的一些修改和变更也应当落入本发明专利的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中实用了一些特定的术语，但是这些术语只是为了方便说明，并不对本发明专利构成任何限制。
Claims (2)
1.一种高湿结露环境下的空气二氧化碳浓度传感器，其特征在于，包括红外二氧化碳浓度探头(1)、电加热元件(2)、气室气温探头(3)、变送器(4)、防水盒(5)、空气温度探头(6)。
2.如权利要求1所述红外二氧化碳浓度探头(1)与变送器(4)都安装在防水盒(5)内，红外二氧化碳浓度探头(1)与变送器(4)电连接，气室气温探头(3)安装在红外二氧化碳浓度探头(1)的气室(11)通气口外侧，电加热元件(2)安装在气室气温探头(3)外侧，电加热元件(2)与变送器(4)电连接，气室气温探头(3)与变送器(4)电联接，空气温度探头(6)安装在防水盒(5)外通过数据线与变送器(4)电连接。
Priority Applications (1)
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| CN201410608478.2A CN104374730A (zh) | 2014-10-28 | 2014-10-28 | 适合高湿结露环境的空气二氧化碳浓度传感器及方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106769955A (zh) * | 2015-11-25 | 2017-05-31 | 优胜光分联营公司 | 用于吸收光谱法的气室 |
| CN107860738A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-03-30 | 吉林大学 | 一种具有智能化除湿功能的设施园艺红外co2传感器及方法 |
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