Ideje megtisztítani a levegőt

Új mérési elven alapuló CO₂ érzékelők

Eltekintve a víztől (H₂O), alig van egy olyan kémiai összetevő, amely annyira jól ismert, mint a szén-dioxid (CO₂). A CO₂ érzékelők a levegő szén-dioxid-koncentrációját mérik, hogy a határértékek túllépése esetén meg lehessen tenni a szükséges lépéseket. A legújabb modellek kisebbek és olcsóbbak, mint elődeik.

A CO₂, amely minden szerves vegyület alapanyaga, egy színtelen, szagtalan gáz, amely szén- és oxigénatomokból áll. A növények fotoszintézis segítségével vízzel oxigénné alakítják azt. A CO₂ sejtlégzéssel, valamint állati és növényi szervezetek bomlásával keletkezik. Az emberi civilizációban az iparban, az épületek fűtésekor vagy a járművek belső égésű motorjaiban is előállítják a fosszilis nyersanyag elégetésekor. Ez okozza a CO₂-koncentráció növekedését a Föld légkörében, ami az üvegházhatást és az éghajlatváltozást idézi elő.

Az emberekre gyakorolt hatása

Kis mennyiségben a szén-dioxid tökéletesen biztonságos az emberek számára. Nagyobb koncentrációban azonban megakadályozhatja a tüdő oxigénfelvételét, és különféle tüneteket okozhat, a levegőben lévő CO₂ mennyiségétől függően. Ha a CO₂-érték egy és három térfogatszázalék között van a levegőben, az agyi koncentráció csökkenhet, kimerültség jelentkezhet, és növekedhet a pulzusszám vagy a vérnyomás. Az öt térfogatszázalék feletti CO₂-tartalom szédülést, fejfájást, légszomjat és végül eszméletvesztést, majd halált okozhat.
Ezért határozza meg a DIN EN 13779 a beltéri levegő minőségének négy kategóriáját a szén-dioxid-koncentráció alapján. A 800 ppm (milliomodrész) alatti CO₂-szintet jónak, a max. 1000 ppm értéket közepes jó minőségűnek, az 1000 ppm fölötti szintet pedig közepesnek minősíti 1400 ppm-ig. Ha a CO₂-szint meghaladja a 1400 ppm értéket, a levegő minősége gyenge. A munkahelyen a munkavállalók nyolc órán keresztül nem lehetnek kitéve 5000 ppm értéknél nagyobb CO₂-szintnek.

A CO₂ és a koronavírus

A koronavírus-járvány közepette tanulmányok vizsgálták, hogy van-e közvetlen kapcsolat a CO₂ és az aeroszolok koncentrációja között, amelyek kiválthatják a COVID-19 fertőzést, ha vírusos terhelést tartalmaznak. A jelenlegi ismeretek alapján nincs ilyen közvetlen kapcsolat. Ennek ellenére a magasabb CO₂-tartalom rossz beltéri levegőre utal, ami általában magas aeroszolkoncentrációt is jelent – így minden bizonnyal közvetett kapcsolat van a CO₂ és az aeroszolok között. Ezért két jó oka van annak, hogy a szellőztetési intézkedések alkalmazása következetes legyen: a jobb közérzet és a jobb teljesítmény, valamint a koronavírus-fertőzés kockázatának csökkentése.
Nemcsak a koronavírus maga, de a koronavírus elleni intézkedések, mint például az otthoni munkavégzés és az otthoni oktatás, valamint az üzleti és éttermi bezárások miatt a legtöbb ember több időt tölt otthon. Mivel az épületek egyre jobban szigeteltek, hogy megfeleljenek a modern energiahatékonysági szabványoknak, nagyon kevés szellőzés történik, ezért minden eddiginél fontosabb figyelembe venni a beltéri levegő CO₂-tartalmát.

A fülledt levegő elkerülése

A CO₂-koncentráció mérésére alkalmas érzékelésére figyelmeztető lámpák is használhatók. Az osztálytermekben egyszerű, vizuális jelzést adnak, ha a koncentráció túl magas, és az ablakokat ki kell nyitni. Az intelligens otthoni rendszerekben olyan értékeket biztosítanak, amelyek automatikusan kiváltják a szellőztetési intézkedéseket vagy a figyelmeztető és vészjelzéseket.
Ez az érzékelőadat más információ céljára is felhasználható, például annak meghatározására, hogy hány személy van jelenleg a helyiségben. Egy algoritmus segítségével összehasonlíthatja az emberi légzés által generált CO₂-szintek átlagos növekedését a CO₂-koncentráció mért emelkedésével.
Az élelmiszeriparban és az élelmiszer-logisztikában az ellenőrzött CO₂-koncentráció szabályozása aktívan befolyásolhatja a termék minőségét, mivel a CO₂ felgyorsíthatja vagy lelassíthatja a gyümölcsök és zöldségek természetes öregedési folyamatait. A CO₂-tartalom a növényekre és állatokra is hatással van. Ennek az értéknek a kimutatásával és kiigazításával a termelők ezeket a hatásokat a saját hasznukra tudják fordítani.

NDIR mérési technológia

A Sensirion SCD30 érzékelője az ilyen típusú mérések bevált megoldása. NDIR mérési technológia (nem diszperzív infravörös spektroszkópia) segítségével nagy pontossággal, ±30 ppm +3%-os pontossággal észleli a CO₂-koncentrációkat, akár 40 000 ppm mérési tartományban.
Az NDIR-mérések infravörös fénysugárforráson és két, egymással szemben elhelyezett optikai szűrőn alapulnak, két detektorral egy csőben. A sugárforrás olyan hullámhosszt bocsát ki, amelyet kizárólag CO₂ molekulák vesznek fel. A levegő egy nyíláson keresztül áramlik a csőbe, és a benne lévő CO₂ molekulák elnyelik a sugárzás egy részét. A szemben lévő detektorok mérik a sugárzás intenzitásának ebből eredő változását. A második detektor a szennyeződés – például szennyeződés vagy por – hatásának minimálisra csökkentése érdekében referenciamérést biztosít.
Ez az elv viszonylag nagy méretű érzékelőket eredményez – a Sensirion SCD30 35 mm × 23 mm × 7 mm méretű –, de a mérések nagy pontossága miatt sok éve kulcsfontosságú mérőszenzor a CO₂ detektálás területén.

Fotoakusztikus rendszer

A Sensirion bevezetett egy utódot – az SCD4x-et –, amely megfelel a miniatürizálással és az energiafogyasztás csökkentésével kapcsolatos összes követelménynek. Ez az új fotoakusztikus érzékelőtechnológián alapul, amely nem igényel minimális távolságot a sugárzó forrás és az érzékelő között. Ez azt jelenti, hogy az SCD4x mindössze 10 mm × 10 mm × 6,5 mm méretű, és még mindig olcsóbb, mint elődje. A másik mérési technológia azonban a mérés pontosságát ±50 ppm +5%-ra csökkenti 400 és 2000 ppm (SCD40) között, vagy ±40 ppm +5%-ra 400 és 5,000 ppm (SCD41) között. Az elődjéhez hasonlóan az SCD30 mérési tartománya is 0 és 40 000 ppm között van.

1. ábra A Sensirion SCD4x CO₂ érzékelője az új mérési technológiának köszönhetően sokkal kisebb, mint elődje (© Sensirion)

Az Infineon a fotoakusztikus mérési technológián alapuló CO₂ érzékelőt is bejelentett. A 14 mm × 14 mm × 7,5 mm méretű, ± 30 ppm + 3%-os mérési pontosságú eszköz a gyártó bejelentése alapján 2021 közepétől lesz elérhető.
A kis méret és a kiváló ár-érték arány miatt ezek az új érzékelők különösen vonzóak az intelligens otthon, az IoT, az autóipar, a HVAC, az élelmiszeripar, és a hétköznapi fogyasztási cikkek területén.
A fotoakusztikus mérési technológia keskeny sávú fényen alapul, amely megfelel a CO₂ molekulák abszorpciós sávjainak. Ez azt jelenti, hogy pontosan olyan hullámhossztartományban van, amelyben az elektromágneses sugárzást elnyelik a CO₂ molekulák. A fény az érzékelő mérőcellájába kerül, és a CO₂ molekulák elnyelik a fény egy részét. Az így előállított energia oszcillációt okoz a CO₂ molekulákban, ami növeli a nyomást a mérőcellában. Ezt a nyomáskülönbséget egy mikrofon méri, amely lehetővé teszi a következtetések levonását a mérőcellában lévő CO₂ molekulák számáról, és ezáltal a levegő CO₂-koncentrációjáról.

2. ábra A Sensirion új SCD4x CO₂ érzékelőjén PASens technológiaként használt fotoakusztikus mérési technológia

Ezzel a mérési technológiával az érzékelő jelének kis sodródása a közös mérési tartományokban ellensúlyozza a mérési pontosság csökkenését. Ahogy a CO₂-koncentráció emelkedik, úgy a sodródás is. Az NDIR technológia esetében ennek pontosan az ellenkezője igaz – az érzékelő jelének sodródása hangsúlyosabb, különösen akkor, ha a CO₂-koncentráció alacsony.

3. ábra Idealizált kapcsolat az érzékelő jele és a CO₂ koncentrációja között az NDIR-rel és a fotoakusztikus (PA) mérési technológiákkal (© Rutronik)

Következtetés

Soha nem volt olyan fontos, mint most, hogy tisztában legyünk a levegő CO₂-koncentrációjával, mert ez nemcsak az emberek jólétére és egészségére van hatással, hanem hozzájárulhat a koronavírus-fertőzések terjedésének visszaszorításához is. Az élelmiszeripari és logisztikai ágazatok, valamint az állattenyésztés és a növénynemesítés tevékenységei területén a CO₂-tartalom révén aktívan befolyásolhatja termékeik minőségét. A kipróbált és valódi CO₂ érzékelők nagy mérési pontosságot biztosítanak. A legújabb modellek megfelelnek a kisebb érzékelők iránti igényeknek és az alacsonyabb költségeknek, bár a mérési pontosság ennek következtében csökken.

Szerző: Marcel Saffert – Analóg és Szenzor Termékértékesítési Vezető, Rutronik

Rutronik Magyarország Kft.
1117 Budapest
Alíz utca 1.
Tel.:+36 1 231 3349
E-mail:Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.