Innovatives Messprinzip für CO2-Sensor Frische Luft für einen frischen Geist

Von Marcel Saffert, Product Sales Manager Analog & Sensors bei Rutronik

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CO2-Sensoren sind unabdingbar für eine zuverlässige Kohlendioxid-Messung. Eine zu hohe Konzentration kann die Lunge an der Sauerstoffaufnahme hindern und eine Vielzahl von Symptomen hervorrufen. Sensirion bietet nun mit den SCD4x-Sensoren eine zuverläs­sige Messlösung an, welche höchste Anforderungen bezüglich Miniaturisierung und Reduktion des Stromverbrauchs erfüllt. Erhältlich sind sie bei Distributor Rutronik.

(Bild: Pixabay )

Kleiner, günstiger und sensibler: CO2-Sensoren messen die Kohlendioxid-Konzentration in der Luft und beugen einer Überbelastung vor, indem sie geeignete Massnahmen er­greifen. CO2, die Grundsubstanz aller organischen Verbindungen, ist ein farb- und geruch­loses Gas, das aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Pflanzen benötigen es für die Photosynthese und die Produktion von Sauerstoff. Es entsteht bei der Zellatmung und der Zersetzung von tierischen und pflanzlichen Organismen. In der menschlichen Zivilisation wird es auch durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe in der Industrie, beim Heizen von Gebäuden oder in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen erzeugt. Dadurch steigt die CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre an, was den Treibhauseffekt verstärkt und den Klimawandel antreibt.

Jeder Atemzug beeinflusst das Wohlbefinden

Auch wenn geringe Mengen an Kohlendioxid für den Menschen tolerierbar sind, können höhere Konzentrationen die Lunge an der Sauerstoffaufnahme hindern und eine Vielzahl von Symptomen hervorrufen. Bereits ein bis drei Volumenprozent CO2 in der Luft können die Konzentration beeinträchtigen, Müdigkeit hervorrufen und Herzfrequenz oder Blutdruck erhöhen. Bei fünf Volumenprozenten können Schwindel, Kopfschmerzen, Kurzatmigkeit und schliesslich Bewusstlosigkeit auftreten.

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Deshalb definiert die DIN EN 13779 vier Kategorien der Innenraumluftqualität auf der Grundlage der Kohlendioxidkonzentration. Sie stuft CO2-Werte unter 800 ppm (parts per million) als gut, Werte bis 1000 ppm als mittelgut und Werte ab 1000 ppm als mittel ein. Wenn der CO2-Gehalt 1400 ppm übersteigt, gilt die Luftqualität als schlecht. Am Arbeitsplatz dürfen die Beschäftigten innerhalb von acht Stunden nicht mehr als 5000 ppm CO2 ausgesetzt sein.

Begünstigt Virusinfektionen

Ein erhöhter CO2-Gehalt deutet auf eine schlechte Raumluft hin, die in der Regel auch mit erhöhten Aerosolkonzentrationen einhergeht – es besteht damit ein indirekter Zusammenhang zwischen CO2 und Aerosolen. Es gibt also mehrere gute Gründe, Lüftungsmassnahmen konsequent anzuwenden: verbessertes Wohlbefinden und höhere Leistungsfähigkeit sowie ein verringertes Risiko einer Infektion mit Viren.

Hinzu kommt, dass Menschen im Zuge der immer beliebteren Telearbeit mehr Zeit zu Hause verbringen. «My home is my castle» ist ein wahres Sprichwort, wenn es um die Belüftung geht. Aufgrund der modernen Energieeffizienzstandards findet nur noch ein geringer Luftaustausch statt. Deshalb ist es wichtiger denn je, auf den CO2-Gehalt der Raumluft zu achten.

Automatisierte Verbesserung der Raumluft

Mit geeigneten CO2-Sensoren ausgestattete Warnlampen zeigen in jedem Raum einfach und optisch an, wenn die Konzentration zu hoch ist und die Fenster geöffnet werden sollten. In Smart-Home-Systemen liefern sie Werte, die automatisch Lüftungsmassnahmen oder wenigstens Warnsignale auslösen.

Diese Sensordaten sind in der Lage, weitere Informationen zu liefern, zum Beispiel um festzustellen, wie viele Personen sich gerade in einem Raum aufhalten. Ein Algorithmus vergleicht den durch die menschliche Atmung verursachten durchschnittlichen Anstieg der CO2-Konzentration mit der tatsächlich gemessenen CO2-Konzentration.

In der Lebensmittelindustrie und -logistik kann die kontrollierte Steuerung der CO2-​Konzentration die Produktqualität aktiv beeinflus­sen, denn CO2 ermöglicht die Beschleu­nigung oder Verlangsamung der natür­lichen Alterungsprozesse von Obst und Gemüse. Der CO2-Gehalt hat auch Auswirkungen auf Pflanzen und Tiere. Durch das Erkennen und Anpassen dieses Wertes können Produzenten dies zu ihrem Vorteil nutzen.

Nichtdispersive Infrarotspektroskopie zur Bestimmung der Kohlenstoff­konzentration

Der Sensor SCD30 von Sensirion ist eine bewähr­te Lösung für Messungen dieser Art. Er detektiert CO2-Konzentrationen mittels NDIR-Messtechnik mit einer hohen Genauigkeit von ±30 ppm +3% des Messwerts in einem Messbereich von bis zu 40 000 ppm.

NDIR-Messungen beruhen auf einer Infra­rot-Strahlungsquelle und zwei optischen Filtern, die sich mit zwei Detektoren in einer Röhre gegenüberliegen. Die Strahlungsquelle sendet eine Wellenlänge aus, die ausschliesslich von CO2-Molekülen absorbiert wird. Durch eine Öffnung strömt Luft in die Röhre und die darin befindlichen CO2-Moleküle absorbieren einen Teil der Strahlung. Die gegenüberliegenden Detektoren messen die daraus resultierende Änderung der Strahlungsintensität. Der zweite Detektor liefert eine Referenzmessung, um den Einfluss von Verunreinigungen wie Schmutz oder Staub zu minimieren. Dieses Prinzip führt zu vergleichsweise grossen Sensoren – der SCD30 von Sensirion misst 35 × 23 × 7 mm – aber aufgrund der hohen Messgenauigkeit ist er seit vielen Jahren ein Schlüsselprodukt in der CO2-Detektion.

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Kleiner und günstiger dank photoakustischer Sensortechnologie

Sensirion hat mit dem SCD4x einen Nach­folger vorgestellt, der alle Anforderungen bezüglich Miniaturisierung und Reduktion des Stromverbrauchs erfüllt. Er basiert auf der photoakustischen Sensortechnologie, die keinen Mindestabstand zwischen der Strahlungs­quelle und dem Sensor erfordert. Das bedeutet, dass der SCD4x nur 10 × 10 × 6,5 mm misst und trotzdem günstiger ist als sein Vorgänger. Allerdings reduziert diese Messtechnik die Genauigkeit auf ±50 ppm +5 Prozent der Messung zwischen 400 und 2000 ppm (SCD40) bzw. ±40 ppm +5 Prozent der Messung zwischen 400 und 5000 ppm (SCD41). Der Messbereich liegt wie beim Vorgängermodell SCD30 bei 0 bis 40 000 ppm. Die photoakustische Messtechnik basiert auf schmalbandigem Licht, das den Absorptionsbanden der CO2-Moleküle entspricht. Das bedeutet, dass es genau den Wellenlängenbereich hat, in dem seine elektromagnetische Strahlung von CO2-Molekülen absorbiert wird. Das Licht wird in die Messzelle des Sensors eingestrahlt und die CO2-Moleküle absorbieren einen Teil des Lichts. Die dabei entstehende Energie versetzt die CO2-Moleküle in Schwingungen, wodurch sich der Druck in der Messzelle erhöht. Ein Mikrofon misst diese Druckdifferenz, was Rückschlüsse auf die Anzahl der in der Mess­zelle vorhandenen CO2-Moleküle und damit auf die CO2-Konzentration in der Luft ermöglicht. Bei dieser Messtechnik gleicht die geringe Drift des Detektorsignals in gängigen Messbereichen die Abnahme der Messgenauigkeit aus. Mit steigender CO2-Konzentration nimmt auch die Drift zu. Bei der NDIR-Technologie ist genau das Gegenteil der Fall – die Drift des Detektorsignals ist insbesondere bei niedrigen CO2-Konzentrationen stärker ausgeprägt (Abbildung 3).

Die geringe Grösse und das hervorragende Preis-Leistungs-Verhältnis machen diese neuen Sensoren besonders interessant für Anwendungen in den Bereichen Smart Home, IoT, Automotive, HVAC, Lebensmittel und Konsumgüter.

Die Vorteile der präzisen CO2-Messung nutzen

Die genaue Messung des CO2-Gehalts in der Umgebungsluft bietet je nach Standort eine Reihe von Vorteilen:

  • In öffentlichen Bereichen wie Bürogebäuden, Krankenhäusern und Schulen kann ein Gebäudeautomationssystem eingesetzt werden, das den empfohlenen Wert einhält.
  • In kälteren Klimazonen kann dadurch Energie gespart werden.
  • Die Lebensmittelindustrie und die Logistikbranche sowie die Tier- und Pflanzenzucht können die Qualität ihrer Produkte aktiv über den CO2-Gehalt beeinflussen.
  • Wachstums- oder Lagerkammern für biologische Proben sind ebenfalls kritische Anwendungen, bei denen ein höherer CO2-Gehalt (5%) erforderlich ist. Zusammen mit erhöhter Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit wird so eine optimale Wachstumsumgebung geschaffen.

Bewährte CO2-Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus. Neuere Modelle tragen der Forderung nach kleineren Sensoren und niedrigeren Kosten Rechnung, wenngleich die Messgenauigkeit noch darunter leiden kann.

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