二氧化碳监测器

今年全国两会，“碳达峰”“碳中和”备受关注。其实早在去年9月，我国政府在第七十五届联合国大会上就提出：“中国将提高自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争取于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。” 首先先来了解一下“碳达峰”“碳中和”这两个词是什么意思。碳达峰：在某一个时刻，二氧化碳排放量达到历史高值，之后逐渐回落。碳中和：通过植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。10年内碳达峰，40年内碳中和。这个目标对于我们来说，时间紧、任务重二氧化碳的 “生命线”很长，想要在2030年实现碳达峰，需要提早的进行能源结构转型。根据清华大学气候变化与可持续发展研究院最近的研究报告，在新的气候目标下，碳强度在2030年相比2015年的下降幅度要超过65%，2025年末非化石能源在一次能源消费占比至少要到20%、2030年末至少要到25%。业内指出，这一模型数据尚属于相对保守。气候变化是全球工业化以来地球生态系统面临的严峻挑战，地球生态系统和地球气候系统已经达到临界点。2019年5月，全球大气中CO2月平均浓度达到414.7×10-6，创下1958年人类有观测记录以来的新纪录，超过了过去23年的较高记录，导致全球平均气温升高、冰川消融、海平面上升、极端天气频繁等环境和生态问题。“碳中和”目标的出台，为我国未来绿色低碳发展擘画了宏伟蓝图。但要看到，与世界主要碳排放国家的历史进程相比，我国实现“碳中和”目标面临着巨大的压力与挑战。那我们如何才能知道空气中有多少二氧化碳，如何监测全国各地的碳排放情况呢？这就需要通过相关仪器设备来对温室气体的浓度或体积进行连续测量，实时监测和测算二氧化碳排放量。二氧化碳测量有哪些方法？1、非色散红外吸收法二氧化碳对红外线具有选择性的吸收，在一定范围内，吸收值与二氧化碳浓度呈线性关系。根据吸收值确定样品二氧化碳的浓度。2、气相色谱法气相色谱法是利用气体作流动相的色层分离分析方法。二氧化碳在色谱柱中与空气的其他成分完全分离后，进入热导检测器的工作壁。在线性范围内，信号大小与进入检测器的二氧化碳浓度成正比。从而进行定性与定量测量。3、容量滴定法用过量的氢氧化钡溶液与二氧化碳作用生成碳酸钡沉淀，采样后剩余的氢氧化钡用标准草酸溶液滴定至酚酞试剂红色刚褪。由容量法滴定结果除以所采集的空气样品体积，即可测得空气中二氧化碳的浓度。4、红外线吸收法二氧化碳在4. 3um红外区有一个吸收峰，在此波长下，氧、氮、一氧化碳、水蒸汽都没有明显的吸收，因此红外线吸收法是测量空气中二氧化碳的理想方法。由于空气中二氧化碳的含量低为0. 03 % ，吸收池的长度有几厘米便可。所以利用红外线吸收原理，可制成便携式空气中二氧化碳传感器，用来检测二氧化碳浓度。

随着汽车消费升级，车载移动空间正在成为继家、办公室之外的第三空间，车内空气品质也受到消费者的高度重视。行驶过程中，因道路颗粒、有害气体进入污染车内空气，影响司乘人员健康，普遍选择关闭车窗开启内循环，隔绝外界空气过滤车内有害杂质。而持久的内循环模式下，车内隔绝外部环境，空气不流通，人体呼吸导致车内氧气越来越少，呼出的二氧化碳越来越高，在狭小车载座舱空间内，高浓度二氧化碳浓度环境易造成人体因缺氧而精神状态不佳，引发交通意外，严重甚至出现昏迷或脑缺氧，影响驾乘人员健康及安全。研究表明，内循环模式下，车舱内坐3人二氧化碳浓度迅速增加，不到15分钟浓度能达到4500ppm。由此可见，车内二氧化碳浓度实时监测尤为重要。世界卫生组织（WHO）对室内空气质量中二氧化碳浓度的建议标准不应超过1000 ppm，国内标准也建议室内二氧化碳浓度不应超过1000 ppm。ASHARE标准更为严苛，认为700 ppm以下二氧化碳浓度能够呼吸畅快保持人体健康和舒适。为了降低车内的CO2浓度，需要开启外部循环模式，从外部引入新鲜空气。但是，外循环模式比内循环模式消耗更多的能量。通常需要采用车载智能DCV系统，根据车内CO2浓度在外循环模式和再循环模式之间切换。当检测到车内CO2浓度超过设定阈值（通常为1000ppm）时，将启动外部循环模式，将新鲜空气带入车内以降低CO2浓度；检测到车内CO2浓度在正常范围内时，将启动再循环模式，从而节省能源。因此，必须采用高精度的CO2传感器进行精确的CO2浓度测量，控制车辆不同工况下的空气循环模式，使车舱内空气保持清新的同时有效降低空调能耗延长整车的行驶里程。从功能上讲，二氧化碳传感器除了提升座舱空气质量外，还具备其他两个重要功能：R744制冷剂泄露安全监测和车内生命体遗留监测，大大保障司乘安全。作为中国气体传感器的创新企业，四方光电凭借长期的技术沉淀、严格的汽车质量管理体系，基于21年自主NDIR技术积累研发的二氧化碳传感器ACDS-1001，具备选择性好、不易受有害气体影响而中毒老化，无氧气依赖性等性能特点，一旦超过阈值能够联动空调系统控制车辆空气循环模式，是车用CO2浓度检测的理想选择。 ACDS-1001 具备如下显著特点：&bull 宽量程比&bull 响应速度快&bull 无交叉干扰&bull 全温度范围内确保精度&bull 车规级制造满足恶劣工况需求&bull 超低功耗工作模式可选择

中国碳卫星联合欧洲哨兵卫星对中国唐山地区开展相关监测（2018年5月6日）示意图。中科院大气所供图中国科学院大气物理研究所(中科院大气所)中国碳卫星(TanSat)研究团队联合芬兰气象研究所团队，最近首次利用中国碳卫星观测定量识别和计算城市碳排放，这也是中国碳卫星首次成功用于城市二氧化碳排放的定量监测，从而实证中国碳卫星具有城市级别碳排放监测的能力。在中欧温室气体遥感监测合作协议支持下，中芬研究团队这次合作研究还通过使用欧洲哨兵卫星(Sentinel-5P)同步开展二氧化氮观测及对比研究，相关研究成果论文10月25日在专业学术期刊《大气科学进展》上在线发表。 中欧卫星协同观测计算和排放清单结果一致中科院大气所中国碳卫星研究团队指出，应对或减缓全球变暖，是人类在21世纪面临的挑战，由于化石燃料燃烧和土地利用变化等人为活动，二氧化碳浓度增加了40%以上。与化石燃料使用有关的排放尤其局限于当地，城市地区是全球二氧化碳排放量的主要贡献者，占全球排放量70%以上。尽管新冠肺炎疫情对全球经济体造成较大影响，但化石燃料二氧化碳排放量2021年仍然增加了5%。与此同时，科学家在计算人为排放方面仍然存在较大的不确定性。该团队认为，利用碳监测卫星进行全球人为排放的监测更具优越性，碳监测卫星直接观测大气二氧化碳浓度，但仅凭单一二氧化碳要素的观测，定量区分二氧化碳浓度变化源来自于人为排放还是自然过程是一个难点问题。化石燃料燃烧为二氧化碳人为排放之主要来源，而石油等化石燃料的燃烧伴随排放二氧化氮，即人为排放二氧化碳和二氧化氮具有较强的同源性，因此，理论上通过二氧化氮和二氧化碳的同步监测，就可以有效计算人为碳排放。本次联合研究应用中国碳卫星二氧化碳观测数据和欧洲哨兵卫星的二氧化氮观测数据，选取中国唐山(2018年5月6日)和日本东京(2018年3月29日)两个案例，定量计算出人为碳排放和二氧化氮的相关性。该计算结果和排放清单给出的结果一致，论证了通过联合应用中国碳卫星和欧洲哨兵卫星的协同观测，可以对二氧化碳/二氧化氮排放比例进行定量监测，证实了中国碳卫星可以定量识别城市人为碳排放。同时，这也标志着中国已经具备空间监测人为活动碳排放的能力。中国碳卫星及其观测数据逐步走向世界中科院大气所介绍说，中国碳卫星全称为“全球二氧化碳监测科学实验卫星”，目标是实现全球大气二氧化碳柱平均干空气混合比(简称“全球大气二氧化碳浓度”)的高精度监测，为碳排放科学研究提供卫星观测数据。2016年12月，中国碳卫星成功发射并在轨运行，成为世界第三颗温室气体卫星。中国碳卫星是一颗近极地太阳同步卫星，星上搭载有主载荷“高光谱分辨率大气二氧化碳探测仪”(ACDS)和辅助载荷“云和气溶胶偏振成像仪”(CAPI)。其中，主载荷利用对地球反射的近红外/短波红外太阳辐射，对大气中二氧化碳的含量进行探测。中国碳卫星第一版全球大气二氧化碳浓度科学数据产品于2017年10月对全球发布；第二版全球大气二氧化碳浓度科学数据产品将精度提升至1.47ppm(体积百万分比)的国际先进水平精度；基于第二版科学产品，中国碳卫星获得全球二氧化碳通量的数据产品。2020年初，中国科技部国家遥感中心与欧洲空间局签署温室气体遥感监测合作协议，推动中国碳卫星加入欧洲空间局第三方卫星数据应用计划，也表明中国碳卫星及其观测数据开始逐步走向世界。本次研究在该协议的支持下，中芬团队联合使用中国碳卫星和欧洲哨兵卫星，也进一步提升了中国碳卫星的监测能力。中国下一代碳卫星已论证设计即将研制在中国碳卫星即将迎来发射运行6周年纪念日之际，中科院大气所中国碳卫星研究团队透露，中国下一代碳卫星的论证设计工作已经开始，卫星研制工作也即将启动。中国新一代碳卫星将在秉承第一代卫星所具有的技术优势基础上，进一步提升探测能力，以应用需求与科学需求为出发点。其目标测量将以城市为重点，以高定量、高时频、高分辨探测全球大气二氧化碳浓度从城市中心到郊区的梯度，以提高碳排放量估算的准确性。该团队表示，中国下一代碳卫星将是一个天基系统，希望每天可多次覆盖一个城市或者碳排放点源，同时将具备协同开展二氧化氮观测能力，以更好地用于对人为碳排放量进行独立测算。