室内环境与热湿及空气质量参数的传感器计量表征：以用于室内环境质量监测的多传感器系统为例

《Chemosensors》：Metrological Characterization of Sensors for Thermal and Air Quality Parameters: A Case Study on a Multi-Sensor System for Monitoring Indoor Environmental Quality

　　

本文介绍了在MIRABLE项目中开发的用于室内环境质量(IEQ)监测的多传感器系统内集成的低成本和微型传感器(LCS)的计量表征。分析聚焦于两个域：热域，使用Sensirion SHT45与SEN55温度传感器；室内空气质量(IAQ)域，使用基于英飞凌光声光谱(PAS)的二氧化碳(CO2)传感器。所有测试均在受控实验室条件下使用经校准的参考仪器进行。在热域中，研究了15 °C至35 °C温度(T)与30 %rh至60 %rh相对湿度(RH)范围内传感器集成于设备外壳内的影响。结果显示台式单元存在自热效应，导致高达0.6 °C的温度偏差。在IAQ域中，评估了重复性以及T和RH对CO2测量的影响。T被确定为最主要影响因素，而RH影响可忽略。这些结果得到方差分析(ANOVA)统计支持。针对15 °C至25 °C运行区间提出基于浓度区间的修正策略，带壳配置扩展不确定度(k = 2)为(3.26–6.42) ppm。上述结果支持MIRABLE系统的可靠使用。

研究背景方面，人员约90%时间处于室内，热舒适与室内空气质量(IAQ)直接影响舒适、健康与生产力，欧洲《建筑能源性能指令》(EPBD) 2024修订版亦将IEQ置于能效同等地位。二氧化碳(CO₂)作为通风指标常设1000 ppm阈值，但传统高精度分析仪（光声光谱(PAS)、非分散红外(NDIR)）成本高、难部署；低成本和微型传感器(LCS)网络虽可实现高密度监测，却普遍存在漂移、交叉敏感及温湿度依赖，且多数研究仅对裸传感器单独标定，未考虑紧凑多传感器外壳带来的自热与电子交互。MIRABLE项目（Politecnico di Torino与INRiM合作）旨在构建可追溯、带不确定度评定的IEQ监测基础设施，本文即对其热域与IAQ域传感器做集成态计量表征。

关键技术方法上，研究人员在INRiM实验室开展：热域以两台经ITS-90可追溯Pt100为参考，在气候舱内对Sensirion SHT45（椅单元×2、台单元×1）与SEN55（台单元）做有/无外壳、15–35 °C与RH 30–60 %rh比对，误差按2分钟稳窗均值计算，不确定度合成含校准、舱稳定、均匀性、分辨率、重复性与再现性；IAQ域以LI-COR LI-850 NDIR为参考，在密封隔离器与气候舱中对英飞凌XENSIV? PAS CO₂ 12 V做有/无壳500–1050 ppm动态稀释标定及温湿度影响实验，修正量取三重复平均、扩展不确定度k=2；统计采用单因素方差分析(ANOVA, α=0.05)判定T、RH与外壳效应显著性。

研究结果部分，热域表征显示：无壳时椅单元SHT45误差?0.079至+0.012 °C，符合±0.1 °C规格，再现性不确定度仅0.001 °C；台单元SHT45因多域PCB自热呈正偏0.064–0.256 °C，SEN55虽带风扇仍负偏?0.512至?0.075 °C且再现性差(0.044 °C)。有壳后台单元SHT45正偏升至0.533–0.630 °C，属附加性偏移，建议常值修正ΔT_c=?0.6 °C伴扩展不确定度0.2 °C(k=2)；SEN55有壳转正偏0.047–0.259 °C仍不适于精温测量。RH测试表明SHT45误差随湿度变化可忽略，ANOVA在有壳态下p≥0.10确认湿度效应不显著。

IAQ域表征中，隔离器稳态实验显示无壳态500 ppm附近ΔCO₂为?4.76至+4.96 ppm、U=(2.0–3.8) ppm，随浓度升高正偏增大，1023 ppm达+28~+40 ppm、U至6.4 ppm；有壳态低浓度偏更小但高浓度同样发散。研究人员弃用多项式拟合而建浓度区间修正表，950–1049 ppm区间修正量达?34.5（无壳）/?31.6 ppm（有壳），伴U(3.26–6.42) ppm。温影响实验在恒湿50 %rh下，有壳态ΔCO₂从15 °C的?106 ppm单调减至30 °C的?16 ppm；无壳态15 °C为?81 ppm、30 °C近零、35 °C反偏+49 ppm，ANOVA得F=201834（无壳）/387907（有壳），p<0.05，证实T为主导因子。湿度影响在23 °C、30–60 %rh下ΔCO₂峰峰约20 ppm且无单调趋势，ANOVA虽p<0.05但F值源于高精密度而非实用效应，RH可忽略。

讨论部分指出，椅单元开放PCB散热佳可直接用、赋U=0.2 °C(k=2)；台单元自热受上电历史与气流取向耦合难以单函数修正，常值?0.6 °C仅为近似；SEN55宜留IAQ链勿作温度计；CO₂ PAS受壳内微环境改变吸收截面，修正表仅适用于20–25 °C、30–60 %rh表征域，出域需温特异调整；壳体会延长响应时间、稳态更稳；ANOVA层级确认T?外壳＞RH。结论部分译文如下：本文对MIRABLE多传感器系统热舒适与IAQ两域做全面计量表征，所有实验对标国家基标准参考器。热域中椅装SHT45全合规格（误差±0.1 °C内，k=2时U=0.2 °C）可直接用于热舒适评估；台装SHT45受多域PCB自热有壳正偏达0.6 °C，常值修正可压至U=0.2 °C但需严设工况，SEN55纵带吸气设计亦不适配；建议下代原型将温热传感器外置。IAQ域中PAS CO₂传感器可跟踪室内典型浓度，外壳减缓动态响应但稳态势优；温度致偏移超150 ppm为本域最大不确定度源，RH可略；单标定曲线不宜，浓度区间修正表兼顾可追溯与透明后处理。整体表明集成多传感器系统部署前之严谨计量表征是智能建筑数据质量之必要前提，为Living Lab健康舒适建筑研究提供计量基石，亦惠及更广的低成本和微型传感器(LCS) IEQ集成社群。