適合高溼結露環境的空氣二氧化碳濃度傳感器及方法
2023-05-26 04:26:51
適合高溼結露環境的空氣二氧化碳濃度傳感器及方法
【專利摘要】適合高溼結露環境的空氣二氧化碳濃度傳感器及方法，屬於自動化和物聯網【技術領域】。產品主要包括：紅外二氧化碳濃度探頭(1)、電加熱元件(2)、氣室氣溫探頭(3)、變送器(4)、防水盒(5)、空氣溫度探頭(6)。方法主要是設定固定溫差值，依據實際空氣溫度及加熱後空氣溫度、加熱後空氣二氧化碳濃度建立經驗公式計算實際空氣二氧化碳濃度。本發明可以在高溼結露的環境下正常測量空氣二氧化碳濃度，適合食用菌栽培等生產應用。
【專利說明】適合高溼結露環境的空氣二氧化碳濃度傳感器及方法
一、所屬
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種物聯網使用的二氧化碳傳感器及測量方法，特別是適用於在高溼結露環境下連續測量空氣二氧化碳濃度使用。
二、技術背景
[0002]空氣二氧化碳濃度的自動連續測量，是物聯網需要感知的一項重要氣象因素，特別是在農業生產中用處很大。但是，當前採用的空氣二氧化碳濃度傳感器很多是採用紅外氣敏元器件作為探頭，通過記錄空氣中二氧化碳對於紅外光線的吸收量和透過量來測定二氧化碳的濃度，如果空氣溼度過大產生結露，探頭上的露水珠就會嚴重影響紅外光線的吸收量和透過量。因此，紅外型的二氧化碳濃度傳感器都對於環境的空氣相對溼度有一定的要求，所標稱的適宜環境空氣相對溼度一般低於95RH%。然而，在實際生產中，空氣溫度降低時，很容易出現空氣相對溼度增加到100冊％甚至過飽和結露的情況。傳感器探頭在久久不能蒸發掉的露水中，常會測量失真、失效。
[0003]為了滿足物聯網在高溼甚至是結露環境下的空氣二氧化碳濃度的連續自動測量，本發明提出了一個新的技術方案。
三、
【發明內容】
[0004]本發明專利公開了一種能在常溫高溼甚至是結露環境下，自動、連續、正常測量空氣二氧化碳濃度裝置的製造方法和運行方法。這裡所謂常溫是指攝氏0°c至50°C的溫度範圍內，所謂高溼環境即空氣相對溼度在95RH%? 100RH%的環境；所謂結露環境，就是空氣中水汽過飽和、凝結出露水的環境。
[0005]本發明專利採用以下技術方案實現上述目的:
[0006]本空氣二氧化碳濃度傳感器產品包括:紅外二氧化碳濃度探頭(I)、電加熱元件
(2)、氣室氣溫探頭(3)、變送器(4)、防水盒(5)、空氣溫度探頭(6)。
[0007]所述紅外二氧化碳濃度探頭(I)，主要包括氣室(11)、光源(12)、紅外光功率計
(13)。
[0008]所述變送器(4)包括變送器晶片(41)、變送器線路板(42)、輸入輸出線(43)。
[0009]所述紅外二氧化碳濃度探頭(I)與變送器(4)都安裝在防水盒(5)內，紅外二氧化碳濃度探頭(I)與變送器(4)電連接，氣室氣溫探頭(3)安裝在紅外二氧化碳濃度探頭
(I)的氣室(11)通氣口外側，電加熱頭(2)安裝在氣室氣溫探頭(3)外側，電加熱元件(2)與變送器(4)電連接，氣室氣溫探頭(3)與變送器(4)電聯接，空氣溫度探頭(6)安裝在防水盒(5)外與變送器(4)電連接。
[0010]變送器晶片(41)電連接固定於變送器線路板(42)上，變送器線路板(42)固定於防水盒(5)內，輸入輸出線(44)穿入防水盒(5)內與變送器線路板(42)電連接。
[0011]所述變送器晶片(41)，包括總控模塊(411)、固定溫差值設定模塊(412)、大氣環境實際空氣溫度感知模塊(413)、氣室空氣溫度感知模塊(414)、電加熱元件控制模塊(415)、氣室空氣二氧化碳濃度感知模塊(416)、大氣環境實際空氣二氧化碳濃度計算模塊(417)、大氣環境實際空氣二氧化碳濃度數據發送模塊(418)。
[0012]本發明提供測量計算空氣二氧化碳濃度的實現方法，包括給空氣紅外二氧化碳濃度傳感器上電後，變送器(4)啟動電加熱元件(2)開始加熱氣室(11)的通風口附近的空氣，變送器(4)再從防水盒(5)外面的空氣溫度探頭(3)獲得大氣的溫度，依據大氣環境實際溫度值設定一個升溫目標溫度，變送器(4)參照這個升溫目標溫度監視氣室氣溫探頭
(3)，當氣室氣溫探頭(3)感知到氣室(11)通風口附近的氣溫升高並達到升溫目標溫度時停止電加熱元件⑵的加熱。氣室(11)通風口附近的氣溫被加熱後流入氣室(11)，由於空氣溫度的升高空氣相對溼度隨之降低，必然低於100RH%，避免了出現結露的現象，紅外二氧化碳濃度探頭(I)的光源(12)和紅外功率計(13)對於氣室(11)內已升溫的空氣進行二氧化碳濃度的測量。紅外二氧化碳濃度探頭(I)將升溫空氣二氧化碳濃度的測量數據發送至變送器(4)，空氣溫度探頭(6)將同期測量的大氣環境下的空氣溫度數據也發送給變送器(4)，變送器晶片(41)根據升溫空氣的二氧化碳濃度、大氣的空氣溫度、設定的升溫目標溫度計算出實際環境空氣二氧化碳濃度的數據輸出給上位機，一次測量工作完成。
[0013]1.空氣相對溼度高低與空氣溫度有關，空氣溫度升高則空氣相對溼度下降。本發明專利通過加熱空氣使進入氣室(11)的空氣相對溼度始終低於100RH%並不會結露，從而保護空氣二氧化碳濃度傳感探頭(I)不受結露的影響，所以保證了空氣二氧化碳濃度傳感器可在高溼和結露環境下正常測量空氣二氧化碳濃度，這對高溼結露環境下的物聯網建設具有重要意義。
[0014]2.本發明專利根據紅外型空氣二氧化碳濃度傳感探頭的熱效應和空氣受熱後C02濃度發生變化的規律，通過建立經驗模型和測量環境空氣的實際溫度、設定固定溫度差、控制空氣加溫後的溫度，利用變送器(4)進行動態計算數值補償，從而可以正確監測空氣的二氧化碳濃度。
四、【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明專利的俯視圖，描述了本發明專利的組成和構造特徵，特別是電加熱元件(2)、氣室氣溫探頭(3)與氣室(11)的相對位置；
[0016]圖2為本發明專利空氣二氧化碳濃度測量的流程圖，描述了本發明專利的計算空氣二氧化碳濃度的方法。
五、【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明專利的具體實施作進一步說明:
[0018]如圖1所示，本發明專利包括:紅外二氧化碳濃度探頭(I)、電加熱元件(2)、氣室氣溫探頭(3)、變送器(4)、防水盒(5)、空氣溫度探頭(6)。
[0019]在防水盒(5)的外壁上設置通氣孔，大氣環境下的空氣可以自由流入防水盒(5)內。將變送器線路板(42)固定安裝在防水盒(5)內，將變送器晶片(41)固定在變送器線路板(42)上遠離防水盒(5)通氣孔的一側，將輸入輸出線(44)與變送器線路板(42)電連接，然後穿出防水盒(5)外。將紅外二氧化碳濃度探頭(I)安裝固定在變送器線路板(42)上，氣室(11)安裝在防水盒(5)通氣孔的一側。紅外二氧化碳濃度探頭(I)與變送器(4)電連接，氣室氣溫探頭(3)安裝在防水盒(5)內紅外二氧化碳濃度探頭(I)的氣室(11)通氣口外側，電加熱頭(2)安裝在氣室氣溫探頭(3)外側，電加熱元件(2)與變送器(4)電連接，空氣溫度探頭(3)與變送器(4)電聯接，空氣溫度探頭(6)安裝在防水盒(5)外與變送器⑷電連接。
[0021] 本發明提供測量計算空氣二氧化碳濃度的實現方法，如圖2所示，包括以下步驟:
[0013]步驟S1:加電及加熱空氣，即，
[0014]本空氣二氧化碳傳感器獲得直流電源供電，各部件啟動。總控模塊(411)給電加熱元件(2)通電，電加熱元件(2)開始加熱。
[0015]步驟S2:固定溫差值設定，即，
[0016]變送器晶片(11)的固定溫差值設定模塊(412)存儲一個固定溫差值的默認值，固定溫差值可以設定在3攝氏度至15攝氏度範圍內，總控模塊(411)通過輸入輸出線(13)可接收上位機發送來的新的設定值，然後將固定溫差值存儲到固定溫差值設定模塊(411)內，以備調用。
[0017]步驟S3:大氣環境實際空氣溫度感知，即，
[0018]大氣環境實際空氣溫度感知模塊(412)從空氣溫度探頭(6)獲取從大氣環境實際空氣溫度，提交給總控模塊(411)。
[0019]步驟S4:計算升溫目標溫度，即，
[0020]總控模塊(411)從固定溫差值設定模塊(411)內提取固定溫差值，再根據大氣環境實際空氣溫度，計算升溫目標溫度，其公式是:升溫目標溫度Ce)=大氣環境實際空氣溫度CC)+固定溫差值(V)。例如設定固定溫差值為5攝氏度，大氣環境實際是20攝氏度，則升溫目標溫度可設定為25攝氏度，再如大氣環境實際是30攝氏度，則升溫目標溫度可設定為35攝氏度。
[0021]步驟S5:讀取氣室附近熱空氣溫度，即，
[0022]總控模塊(411)向氣室空氣溫度感知模塊(414)索取氣室附近空氣溫度值，氣室空氣溫度感知模塊(414)從氣室氣溫探頭(3)獲取氣室附近空氣溫度值發送給總控模塊(411)。
[0023]步驟S6:判斷是否需要加熱空氣，即，
[0024]總控模塊(411)將氣室附近空氣溫度值與升溫目標溫度進行比較，做出判斷結論。如果氣室附近空氣溫度值小於升溫目標溫度則執行步驟S7，如果氣室附近空氣溫度值等於大於升溫目標溫度則執行步驟S8。
[0023]步驟S7:繼續加熱空氣，即，
[0024]總控模塊(411)保持給電加熱元件⑵通電，電加熱元件⑵繼續加熱，工作I秒至5秒鐘後氣室附近空氣氣溫升高，轉步驟S5。
[0025]步驟S8:停止加熱空氣，即，
[0026]如果氣室附近空氣溫度值等於或大於升溫目標溫度，總控模塊(411)給電加熱元件(2)斷電，加熱停止，轉步驟S9。
[0027]步驟S9:讀取升溫空氣二氧化碳濃度，即，
[0028]總控模塊(411)向氣室空氣二氧化碳濃度感知模塊(416)索取氣室空氣二氧化碳濃度，氣室空氣二氧化碳濃度感知模塊(416)從紅外二氧化碳濃度探頭(I)獲取氣室空氣二氧化碳濃度測量值，然後提交給總控模塊(411)。
[0029]步驟SlO:計算大氣環境實際空氣二氧化碳濃度，即，
[0030]總控模塊(411)將升溫空氣二氧化碳濃度、升溫目標溫度、固定溫差的數據交給大氣環境實際空氣二氧化碳濃度計算模塊(417)。大氣環境實際空氣二氧化碳濃度計算模塊(417)利用預置的公式進行計算。計算公式是通過多次實驗得到的一個經驗模型:大氣環境實際空氣二氧化碳濃度(mg/kg)=常數項AO+係數Al乘以升溫空氣二氧化碳濃度(mg/kg) +係數A2乘以大氣環境實際空氣溫度(°C ) +係數A3乘以固定溫差值(°C )。其中常數項A0、係數Al、係數A2、係數A3可以根據大氣環境的實際氣溫範圍通過實驗數據進行多元回歸擬合得到。大氣環境實際空氣二氧化碳濃度計算模塊(417)將計算結果返回給總控模塊(411)。
[0031]步驟Sll:輸出大氣環境實際空氣二氧化碳濃度，即，
[0032]總控模塊(411)通過輸入輸出線(43)將大氣環境實際空氣二氧化碳濃度發送給上位機,一次測量工作完成。
[0033]根據上述說明書的揭示和表述，本發明專利所述領域的技術人員還可以對於上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明專利並不局限於上面揭示和表述的【具體實施方式】，對於本發明專利的一些修改和變更也應當落入本發明專利的權利要求的保護範圍內。此夕卜，儘管本說明書中實用了一些特定的術語，但是這些術語只是為了方便說明，並不對本發明專利構成任何限制。
【權利要求】
1.一種高溼結露環境下的空氣二氧化碳濃度傳感器，其特徵在於，包括紅外二氧化碳濃度探頭(I)、電加熱元件(2)、氣室氣溫探頭(3)、變送器(4)、防水盒(5)、空氣溫度探頭(6)。
2.如權利要求1所述紅外二氧化碳濃度探頭(I)與變送器(4)都安裝在防水盒(5)內，紅外二氧化碳濃度探頭(I)與變送器(4)電連接，氣室氣溫探頭(3)安裝在紅外二氧化碳濃度探頭(I)的氣室(11)通氣口外側，電加熱元件(2)安裝在氣室氣溫探頭(3)外側，電加熱元件(2)與變送器(4)電連接，氣室氣溫探頭(3)與變送器(4)電聯接，空氣溫度探頭(6)安裝在防水盒(5)外通過數據線與變送器(4)電連接。
【文檔編號】G01N21/15GK104374730SQ201410608478
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月28日 優先權日:2014年10月28日
【發明者】崔文順, 閆磊, 李偉娟, 張志勇, 崔碩, 李建玲 申請人:廊坊市大華夏神農信息技術有限公司