温室气体传感器用于进行精确监测气候变化

无论怀疑论者怎么说，科学界都认为我们的气候正在发生变化。要测量和量化这一变化，需要对基础指标和生命体征进行精确监测，为我们提供准确的数据，以便预测将要发生的事情。

本文着眼于可以使用和将要使用的传感器技术衡量和报告发生的微妙（而不是微妙）气候变化。这包括用于测量实时条件的系统，以及用于跟踪预示长期趋势的缓慢移动指标的系统。

CO2分析

大气中的热量捕获CO2水平与全球平均值之间的相关性温度已有很好的记录。可追溯到80万年前的冰芯样品使研究人员能够测量冰冻时溶解在冰中的二氧化碳的相对量，以表明当时大气中有多少气体。科学家指出，与树木的环一样，层状冰的厚度和测量的相对CO2量可用于确定平均温度（但是，二氧化碳水平变化与温度变化之间存在时滞） 。历史地质数据（图1）显示了二氧化碳含量相对较高的异常时期，而温度在统计上低于预期，但已知轨道模式，太阳黑子周期，相对冰川表面积，火山活动。和其他负面反馈因素影响了这些数据。

图1：历史地质数据显示半周期变化在二氧化碳水平，但目前我们检测到大气中的水平比以往更高。

从1950年到现在的二氧化碳水平来看，很明显二氧化碳水平显着高于以往我们强烈怀疑我们生活在全球之前的滞后时间的宽限期温度开始飙升。

传感器解决方案

这意味着用于实时测量CO2水平的传感器对于确定当前水平和预测这种温室气体对温度即将产生的影响至关重要。虽然可以使用光谱和射频技术从轨道卫星进行测量，但是特定位置的地面和大气传感器对于帮助积累可以研究的数据库非常有用。在每天都会影响健康的大城市中尤其如此。

非常适合这些任务的二氧化碳传感器是Seeed Technologies的Grove 101020067。它是一种高灵敏度，高分辨率（1 ppm分辨率，0-2000 ppm范围）设备，使用非色散红外技术通过不同的湿度水平（相对湿度从0％到90％）测量空气中的二氧化碳含量。集成温度传感器允许Grove传感器补偿温度变化，简单的UART输出几乎可以与任何基于微控制器的系统连接。

其他竞争解决方案也值得考虑用于此应用，例如Amphenol T6713气体传感器也提供0-2000 ppm范围，并使用I 2 C串行接口代替UART（图2）。来自Amphenol的相应T6713-EVAL套件也可以用于快速和低风险测试该技术。

图2：此紧凑型，表面贴装的CO2传感器在-10°至+ 60°C的温度范围内具有+/- 2％的精度，是测量大气CO2浓度的理想的低重量，小尺寸解决方案。

甲烷：更大的罪魁祸首

甲烷是导致全球变暖的第二大流行气体。在我们的有生之年，大约60％释放到大气中的甲烷来自人类活动，例如基于化石燃料的设施，农业，废物管理等的泄漏（图3）。

图3：甲烷由各种来源排放，而二氧化碳占所有人类贡献的温室气体的82％，甲烷含量为9％科学家们认为，从全球变暖的角度来看，这一贡献要差100倍。

虽然整体百分比较低，但甲烷在大气中的热量比在5年内超过二氧化碳的热量多100倍。 20年期间它可以捕获72倍的热量。好消息是甲烷的半衰期比二氧化碳短（甲烷为7年，二氧化碳为19至49年，合理平均值为31年，估计高达90年）。 2

虽然一些较早的研究倾向于得出人造甲烷水平总体下降的结论，但最近的检查显示，有争议的压裂技术（水力压裂或“压裂”）的过度渗漏是钻井和注入流体的过程。为了使页岩岩石破裂并释放天然气，高压地面可能释放出更多的甲烷 - 因为天然气主要是甲烷 - 进入大气层。

此外，观测结果显示甲烷释放量在世界各地的海洋中发生。 3

这意味着如果我们要有机会，监测和控制甲烷是我们战略的必要组成部分。应对全球气候变化。与二氧化碳监测一样，需要陆地和天基传感器技术来发现和消除尽可能多的甲烷释放源。

这里的好消息是已建立的基于传感器的技术以及新的MEMs传感器技术正在产生可用的解决方案，允许大量部署传感器阵列以准确收集必要的数据。

随时可用的基于加热器的传感器，如Parallax 605-00008，根据使用锡的气体浓度提供电阻变化三氧化铝管中的二氧化硅层（图4）。必须监控温度和湿度并将其作为传感算法的一部分应用，以更准确地识别气体水平并使此类传感器有效工作，但一旦设计，该解决方案可提供快速响应时间，高灵敏度，并使用相对简单的界面电路。

图4：挥发性气体检测对于确定甲烷等温室气体的总量和持续时间至关重要。像Parallax 605-00008这样的传感器可以偏置以检测各种挥发性气体类型。

虽然适用于许多基于地面的设计，其尺寸和功率可能不受限制，但160 mA驱动电流需要加热器可能对基于气球和环境隔离的设计有害，这些设计可能需要某种形式的能量收集以允许长期监测。从好的方面来说，这个传感器也可以偏向监测液化石油气，丁烷，丙烷，酒精和硫酸氢盐。

另一种可以提供良好解决方案的挥发性气体传感器来自于ams并且基于更新的MEMs技术。 IAQ-CORE C是一种体积更小，功率更低，可表面安装的挥发性气体传感器，主要用于室内空气质量测量，但也可适用于机载测量系统（图5）。传感器可以使用MEMS金属氧化物传感器技术监测CO2和挥发性气体浓度。

图5：基于现代MEMs的挥发性气体传感器需要功率更小，足够小，功率低，足以在远程位置使用，作为大量传感器网络的一部分。

传感器本身由塑料盖和滤膜保护。传感器模块可以通过边缘连接器通过选择性或回流焊接直接焊接到主电路板。它受膜（不应被除去）保护。该传感器系统使用I 2 C作为串行通信机制，允许工程师指定几乎任何低成本微控制器直接连接到它。在连续模式下，它耗散了67毫瓦，但可以使用低得多的9毫瓦功率在脉冲模式下工作。

总结

我们都在一起，并在争论中没有相关数据，温室气体对全球气候的来源，原因和影响毫无意义。每个人都应该能够达成共识的是需要监测这些气体的所有来源，包括天然来源。正如我们在本文中所展示的那样，必要的传感器解决方案可供从事开发设计的工程师使用，这些设计旨在测量实时条件以及决定长期趋势的缓慢移动指标。