Effecten van temperatuur en barometerdruk op CO2-sensoren - Toepassingsnota


Koolstofdioxide (CO2) in lucht wordt gewoonlijk gemeten in Parts Per Million (ppm). Bij 1.000 ppm CO2 zou een volume of lucht met een miljoen luchtmoleculen een mengsel van 999.000 luchtmoleculen en 1.000 CO2-moleculen bevatten.

Het volume lucht dat nodig is om een miljoen luchtmoleculen te bevatten wordt beïnvloed door de luchttemperatuur en de luchtdruk, ook wel barometerdruk genoemd. Als de druk afneemt, neemt het volume dat nodig is om een miljoen luchtmoleculen te bevatten toe. Het tegenovergestelde is waar voor de temperatuur. Als de temperatuur daalt, neemt het volume lucht dat nodig is om een miljoen moleculen te bevatten af. Hoewel het volume van lucht wordt beïnvloed door temperatuur en druk, wordt de concentratie van CO2 niet beïnvloed. Als je begint met 1.000 ppm CO2, eindig je met 1.000 ppm CO2, ondanks de veranderingen in het luchtvolume.

De meest gebruikelijke CO2-sensoren zijn bekend onder de technische term Niet-dispersief InfraRood, of NDIR. Een NDIR CO2-sensor schijnt infrarood licht door een gasmonster in een monsterkamer. Gevoelige fotodetectoren meten de intensiteit van het infrarode licht nadat het door het gasmonster is gegaan. CO2-moleculen zijn ondoorzichtig voor infrarood licht van 4,26 micron, terwijl de rest van de luchtmoleculen dat niet zijn. De intensiteit van het infrarode licht wordt dus proportioneel verminderd met het aantal CO2-moleculen dat aanwezig is. Meting van de resulterende lichtintensiteit meet het aantal aanwezige CO2-moleculen.

De grootte van de NDIR-bemonsteringskamer is vast en staat open voor de atmosfeer, zodat de lucht erin en eruit kan stromen. Zoals hierboven is uitgelegd, wordt het aantal luchtmoleculen in een bepaald volume beïnvloed door de temperatuur en de luchtdruk, maar niet door de concentratie CO2. Bij lage druk of hoge temperatuur zullen er minder luchtmoleculen in de monsterkamer zijn, dus ook minder CO2-moleculen, ook al is het ppm CO2 niet veranderd. Minder CO2-moleculen "misleiden" de sensor door te denken dat de CO2-concentratie lager is dan hij in werkelijkheid is. Bij hoge druk of lage temperatuur zijn er meer luchtmoleculen in de monsterkamer en meer CO2-moleculen, ook al is de CO2-concentratie niet veranderd. Meer CO2-moleculen "misleiden" de sensor door te denken dat de CO2-concentratie hoger is dan hij in werkelijkheid is. Daarom zal een kalibratie van de CO2-sensor slechts nauwkeurig zijn bij één temperatuur en één luchtdruk.

Berekening van de effecten van temperatuur en barometerdruk op de CO2-meting

De volgende formule, die is afgeleid van de ideale gaswet, relateert veranderingen in het luchtvolume aan temperatuur, druk en het aantal aanwezige moleculen:

ppm CO2 gecorrigeerd = ppm CO2 gemeten * ((Tmeasured*pref) / (pmeasured*Tref))

  • pmeasured = Huidige druk, in dezelfde eenheden als de referentiedruk (niet gecorrigeerd naar zeeniveau)
  • Tref = referentietemperatuur, gewoonlijk 25°C, 77°F, omgerekend naar absoluut (298,15 voor °C, 536,67 voor °F)
  • Tmeet = Huidige absolute temperatuur, °C + 273,15, °F +459,67
  • pref = referentiebarometrische druk, gewoonlijk op zeeniveau, 29,92 in Hg, 760 mm Hg, 1013,207 hPa of 14,6959 psi

Tabel 1 gebruikt de ideale gaswetformule hierboven om aan te tonen hoe de niet-gecompenseerde CO2-meting zou veranderen met temperaturen van 32 °F tot 110 °F. De beginomstandigheden zijn 1.000 ppm CO2, 77 °F en barometrische druk op zeeniveau. Zoals te zien is in Tabel 1, varieert de CO2-concentratie met 150 ppm.

Tabel 1 Barometerdruk Opmerking

De barometerdruk wordt rechtstreeks beïnvloed door de hoogte, en tabel 2 gebruikt de ideale gaswetformule om aan te tonen hoe de niet-gecompenseerde CO2-meting zou veranderen bij hoogten van -1.000 tot 10.000 voet. De beginomstandigheden zijn 77°F en 1.000 ppm CO2 op zeeniveau. Zoals te zien is in Tabel 2, varieert de CO2-concentratie met 349 ppm.

Tabel 2 Barometerdruk Opmerking

Weersinvloeden op barometerdruk en CO2 meting

Warmte die onze atmosfeer binnendringt creëert weerpatronen, en deze patronen beïnvloeden de barometerdruk door het vormen van hogedruksystemen en lagedruksystemen. Snel bewegende stormen kunnen de atmosferische druk en de effectieve hoogte in slechts enkele minuten drastisch veranderen.

Op ongeveer 15 mijl van het hoofdkwartier van de BAPI bevindt zich een weerstation met internetverbinding op de hellingen van de Mississippi boven het stadje DeSoto. Tabel 3 toont de historische gegevens van dat weerstation van 2003 tot 2011, met de hoogste druk, de laagste druk en de grootste drukschommelingen van één dag.

Tabel 3 Barometerdruk Opmerking

Als het werkelijke CO2-niveau 1.000 ppm op zeeniveau was, dan laat tabel 3 zien wat de gemeten CO2-concentratie in DeSoto op die dagen zou zijn. Van 15 januari 2005 tot 26 oktober 2010 hebben weerspatronen alleen al de CO2-meting met 75 ppm veranderd, wat de volledige nauwkeurigheidsspecificatie is voor een typische NDIR CO2-sensor.

Op de dag van 18 januari 2005 veranderden de weerspatronen de CO2-meting met 35 ppm, wat bijna 50% is van de gespecificeerde nauwkeurigheid van een typische NDIR CO2-sensor.

Het gecombineerde effect van temperatuur en barometerdruk op CO2 meting

Temperatuur en barometerdruk beïnvloeden de CO2 meting zowel afzonderlijk als in combinatie. Tabel 4 toont de gemeten CO2-concentratie voor het bereik van de barometrische druk geregistreerd in DeSoto van 2005 tot 2010 samen met temperaturen van 50 tot 90°F.

Tabel 4 Barometerdruk Opmerking

Als de werkelijke CO2-concentratie 1.000 ppm was bij 77°F en zeeniveau, zou de gemeten CO2-concentratie 161 ppm variëren over de verschillende temperatuur- en barometrische drukbereiken. Die variatie is meer dan de gespecificeerde nauwkeurigheid van de NDIR CO2-sensor.

Dynamische CO2-meetcompensatie

Vanwege de voortdurend veranderende aard van barometrische druk en temperatuur en het effect daarvan op de CO2-meting, is de enige manier om met een NDIR-sensor een nauwkeurige CO2-meting te krijgen, een compensatie van temperatuur en barometrische druk. Daarom hebben alle BAPI CO2-sensoren een ingebouwde barometerdruksensor en temperatuursensor.

Elke acht seconden meet de BAPI-sensor een CO2-waarde en compenseert die waarde op basis van de actuele temperatuur en de barometerdruk. Dat is een van de redenen waarom BAPI's CO2-sensoren de nauwkeurigste in de HVAC/R-industrie zijn. Er is ook geen noodzaak voor een HVAC technicus om kostbare tijd te besteden aan het handmatig invoeren van de hoogtewaarde voor de locatie in elke sensor wanneer deze wordt geïnstalleerd. Dit maakt de BAPI CO2-sensor een van de gemakkelijkste om te installeren, wat tijd en geld bespaart.

Als u nog vragen heeft, neem dan contact op met uw BAPI-vertegenwoordiger.


Printbare pdf-versie van deze toepassingsnota