溫室氣體傳感器用于進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)氣候變化

無論懷疑論者怎么說，科學(xué)界都認(rèn)為我們的氣候正在發(fā)生變化。要測(cè)量和量化這一變化，需要對(duì)基礎(chǔ)指標(biāo)和生命體征進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，為我們提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以便預(yù)測(cè)將要發(fā)生的事情。

本文著眼于可以使用和將要使用的傳感器技術(shù)衡量和報(bào)告發(fā)生的微妙（而不是微妙）氣候變化。這包括用于測(cè)量實(shí)時(shí)條件的系統(tǒng)，以及用于跟蹤預(yù)示長(zhǎng)期趨勢(shì)的緩慢移動(dòng)指標(biāo)的系統(tǒng)。

CO2分析

大氣中的熱量捕獲CO2水平與全球平均值之間的相關(guān)性溫度已有很好的記錄。可追溯到80萬年前的冰芯樣品使研究人員能夠測(cè)量冰凍時(shí)溶解在冰中的二氧化碳的相對(duì)量，以表明當(dāng)時(shí)大氣中有多少氣體。科學(xué)家指出，與樹木的環(huán)一樣，層狀冰的厚度和測(cè)量的相對(duì)CO2量可用于確定平均溫度（但是，二氧化碳水平變化與溫度變化之間存在時(shí)滯） 。歷史地質(zhì)數(shù)據(jù)（圖1）顯示了二氧化碳含量相對(duì)較高的異常時(shí)期，而溫度在統(tǒng)計(jì)上低于預(yù)期，但已知軌道模式，太陽(yáng)黑子周期，相對(duì)冰川表面積，火山活動(dòng)。和其他負(fù)面反饋因素影響了這些數(shù)據(jù)。

圖1：歷史地質(zhì)數(shù)據(jù)顯示半周期變化在二氧化碳水平，但目前我們檢測(cè)到大氣中的水平比以往更高。

從1950年到現(xiàn)在的二氧化碳水平來看，很明顯二氧化碳水平顯著高于以往我們強(qiáng)烈懷疑我們生活在全球之前的滯后時(shí)間的寬限期溫度開始飆升。

傳感器解決方案

這意味著用于實(shí)時(shí)測(cè)量CO2水平的傳感器對(duì)于確定當(dāng)前水平和預(yù)測(cè)這種溫室氣體對(duì)溫度即將產(chǎn)生的影響至關(guān)重要。雖然可以使用光譜和射頻技術(shù)從軌道衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量，但是特定位置的地面和大氣傳感器對(duì)于幫助積累可以研究的數(shù)據(jù)庫(kù)非常有用。在每天都會(huì)影響健康的大城市中尤其如此。

非常適合這些任務(wù)的二氧化碳傳感器是Seeed Technologies的Grove 101020067。它是一種高靈敏度，高分辨率（1 ppm分辨率，0-2000 ppm范圍）設(shè)備，使用非色散紅外技術(shù)通過不同的濕度水平（相對(duì)濕度從0％到90％）測(cè)量空氣中的二氧化碳含量。集成溫度傳感器允許Grove傳感器補(bǔ)償溫度變化，簡(jiǎn)單的UART輸出幾乎可以與任何基于微控制器的系統(tǒng)連接。

其他競(jìng)爭(zhēng)解決方案也值得考慮用于此應(yīng)用，例如Amphenol T6713氣體傳感器也提供0-2000 ppm范圍，并使用I 2 C串行接口代替UART（圖2）。來自Amphenol的相應(yīng)T6713-EVAL套件也可以用于快速和低風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試該技術(shù)。

圖2：此緊湊型，表面貼裝的CO2傳感器在-10°至+ 60°C的溫度范圍內(nèi)具有+/- 2％的精度，是測(cè)量大氣CO2濃度的理想的低重量，小尺寸解決方案。

甲烷：更大的罪魁禍?zhǔn)?/p>

甲烷是導(dǎo)致全球變暖的第二大流行氣體。在我們的有生之年，大約60％釋放到大氣中的甲烷來自人類活動(dòng)，例如基于化石燃料的設(shè)施，農(nóng)業(yè)，廢物管理等的泄漏（圖3）。

圖3：甲烷由各種來源排放，而二氧化碳占所有人類貢獻(xiàn)的溫室氣體的82％，甲烷含量為9％科學(xué)家們認(rèn)為，從全球變暖的角度來看，這一貢獻(xiàn)要差100倍。

雖然整體百分比較低，但甲烷在大氣中的熱量比在5年內(nèi)超過二氧化碳的熱量多100倍。 20年期間它可以捕獲72倍的熱量。好消息是甲烷的半衰期比二氧化碳短（甲烷為7年，二氧化碳為19至49年，合理平均值為31年，估計(jì)高達(dá)90年）。 2

雖然一些較早的研究?jī)A向于得出人造甲烷水平總體下降的結(jié)論，但最近的檢查顯示，有爭(zhēng)議的壓裂技術(shù)（水力壓裂或“壓裂”）的過度滲漏是鉆井和注入流體的過程。為了使頁(yè)巖巖石破裂并釋放天然氣，高壓地面可能釋放出更多的甲烷 - 因?yàn)樘烊粴庵饕羌淄?- 進(jìn)入大氣層。

此外，觀測(cè)結(jié)果顯示甲烷釋放量在世界各地的海洋中發(fā)生。 3

這意味著如果我們要有機(jī)會(huì)，監(jiān)測(cè)和控制甲烷是我們戰(zhàn)略的必要組成部分。應(yīng)對(duì)全球氣候變化。與二氧化碳監(jiān)測(cè)一樣，需要陸地和天基傳感器技術(shù)來發(fā)現(xiàn)和消除盡可能多的甲烷釋放源。

這里的好消息是已建立的基于傳感器的技術(shù)以及新的MEMs傳感器技術(shù)正在產(chǎn)生可用的解決方案，允許大量部署傳感器陣列以準(zhǔn)確收集必要的數(shù)據(jù)。

隨時(shí)可用的基于加熱器的傳感器，如Parallax 605-00008，根據(jù)使用錫的氣體濃度提供電阻變化三氧化鋁管中的二氧化硅層（圖4）。必須監(jiān)控溫度和濕度并將其作為傳感算法的一部分應(yīng)用，以更準(zhǔn)確地識(shí)別氣體水平并使此類傳感器有效工作，但一旦設(shè)計(jì)，該解決方案可提供快速響應(yīng)時(shí)間，高靈敏度，并使用相對(duì)簡(jiǎn)單的界面電路。

圖4：揮發(fā)性氣體檢測(cè)對(duì)于確定甲烷等溫室氣體的總量和持續(xù)時(shí)間至關(guān)重要。像Parallax 605-00008這樣的傳感器可以偏置以檢測(cè)各種揮發(fā)性氣體類型。

雖然適用于許多基于地面的設(shè)計(jì)，其尺寸和功率可能不受限制，但160 mA驅(qū)動(dòng)電流需要加熱器可能對(duì)基于氣球和環(huán)境隔離的設(shè)計(jì)有害，這些設(shè)計(jì)可能需要某種形式的能量收集以允許長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。從好的方面來說，這個(gè)傳感器也可以偏向監(jiān)測(cè)液化石油氣，丁烷，丙烷，酒精和硫酸氫鹽。

另一種可以提供良好解決方案的揮發(fā)性氣體傳感器來自于ams并且基于更新的MEMs技術(shù)。 IAQ-CORE C是一種體積更小，功率更低，可表面安裝的揮發(fā)性氣體傳感器，主要用于室內(nèi)空氣質(zhì)量測(cè)量，但也可適用于機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)（圖5）。傳感器可以使用MEMS金屬氧化物傳感器技術(shù)監(jiān)測(cè)CO2和揮發(fā)性氣體濃度。

圖5：基于現(xiàn)代MEMs的揮發(fā)性氣體傳感器需要功率更小，足夠小，功率低，足以在遠(yuǎn)程位置使用，作為大量傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分。

傳感器本身由塑料蓋和濾膜保護(hù)。傳感器模塊可以通過邊緣連接器通過選擇性或回流焊接直接焊接到主電路板。它受膜（不應(yīng)被除去）保護(hù)。該傳感器系統(tǒng)使用I 2 C作為串行通信機(jī)制，允許工程師指定幾乎任何低成本微控制器直接連接到它。在連續(xù)模式下，它耗散了67毫瓦，但可以使用低得多的9毫瓦功率在脈沖模式下工作。

總結(jié)

我們都在一起，并在爭(zhēng)論中沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，溫室氣體對(duì)全球氣候的來源，原因和影響毫無意義。每個(gè)人都應(yīng)該能夠達(dá)成共識(shí)的是需要監(jiān)測(cè)這些氣體的所有來源，包括天然來源。正如我們?cè)诒疚闹兴故镜哪菢?，必要的傳感器解決方案可供從事開發(fā)設(shè)計(jì)的工程師使用，這些設(shè)計(jì)旨在測(cè)量實(shí)時(shí)條件以及決定長(zhǎng)期趨勢(shì)的緩慢移動(dòng)指標(biāo)。