Kohlendioxidsensoren: direkte CO2-Messung und Geräteentwicklung

Wie arbeiten konventionelle und photoakustische NDIR-CO2-Sensoren?

NDIR-Sensoren bewerten, wie stark bestimmte Infrarotstrahlung beim Durchgang durch das Gas absorbiert wird. Lichtquelle, Messvolumen und Erfassungsanordnung sind Teile derselben Messkette. Ein geeigneter Referenzkanal kann helfen, Einflüsse durch Änderungen der Lichtquelle oder des optischen Wegs zu verringern. Die dadurch gewonnene Stabilität macht Verschmutzung und Kondensation nicht bedeutungslos.

Beim photoakustischen Verfahren wird die Druckänderung erfasst, die das absorbierte Licht im Gas hervorruft. Die Sensirion-SCD4x-Familie nutzt dieses Prinzip und misst tatsächliches CO2. Die Verfahrensbezeichnung bedeutet nicht, dass ein Bauteil in jedem Bereich dieselbe Genauigkeit besitzt. Reaktionsgeschwindigkeit, Stromverbrauch und Umgebungsbeständigkeit des fertigen Geräts werden gemeinsam mit den Bedingungen des gewählten Modells und seiner Integration bewertet.

Warum ersetzt eCO2 keine Kohlendioxidmessung?

eCO2 oder CO2-Äquivalent ist ein geschätzter Indikator, den einige Luftqualitätssensoren algorithmisch aus ihrer Reaktion auf andere Gase erzeugen. Die technische Dokumentation des Sensirion SGP30 erläutert beispielsweise, dass das CO2-Äquivalentsignal aus Ethanol- und Wasserstoffmessungen berechnet wird. Die Einheit ppm auf der Anzeige belegt keine direkte Messung von Kohlendioxidmolekülen.

Ändern sich Reinigungsmittel oder andere flüchtige Verbindungen, können Schätzwert und tatsächliches CO2 auseinanderlaufen. Verlangt das Projekt eine CO2-Konzentration, wird ein für dieses Gas vorgesehenes Messverfahren gewählt. Zeigt ein Gerät sowohl CO2 als auch VOC an, werden beide getrennt beschriftet; Sensortyp und Erzeugung der Daten werden in der technischen Dokumentation verständlich beschrieben.

Betrachten Sie ppm, Prozent und Genauigkeitsangabe gemeinsam

Ein Volumenprozent CO2 entspricht 10.000 ppm. Ein Modul zur Beobachtung von Veränderungen der Raumluft und eine Sonde für Prozessgas im Prozentbereich werden nicht nach denselben Anforderungen gewählt. Einige Sensoren liefern zwar einen großen digitalen Wertebereich, die angegebene Genauigkeit gilt jedoch nur für einen engeren Bereich.

Bei der Genauigkeitsangabe werden der feste ppm-Anteil und der prozentuale Anteil des Messwerts gemeinsam berücksichtigt. Wiederholbarkeit und die letzte Anzeigestelle sind von der Genauigkeit zu unterscheiden. Der Abnahmeplan sollte normale Betriebspunkte, die höchste erwartete Konzentration und das Erholungsverhalten enthalten. Auch die Rückkehr in den Normalbereich nach sehr hoher Gaskonzentration kann für die Anwendung relevant sein.

Prüfen Sie die Voraussetzungen der automatischen Basiskorrektur

Die automatische Kalibrierung mancher Sensoren setzt voraus, dass sie in bestimmten Abständen einer bekannten niedrigen CO2-Konzentration ausgesetzt werden. Ein dauerhaft belegter Raum oder ein Prozess mit bewusst hoher CO2-Konzentration erfüllt diese Bedingung möglicherweise nicht. Eine falsche Annahme kann dazu führen, dass der angezeigte Wert mit der Zeit driftet, obwohl sich die tatsächliche Konzentration nicht ändert.

Die Algorithmuseinstellung ergibt sich deshalb aus den aktuellen Vorgaben des ausgewählten Bauteils und dem tatsächlichen Nutzungsprofil. Eine erzwungene Justierung mit bekanntem Gas oder verlässlicher Referenz ist ein gesonderter Vorgang. Statt anzunehmen, nach dem Öffnen eines Fensters müsse der Wert stimmen, werden die Kontrollbedingungen dokumentiert. Sensorwechsel, Montage und Aktualisierung von Kalibrierkoeffizienten können in der Software als nachvollziehbare Ereignisse gespeichert werden.

Wie beeinflussen Druck, Wärme und Luftweg die Messung?

Da sich die Gasdichte mit Druck und Temperatur ändert, wird geprüft, wie der Sensor diese Einflüsse korrigiert. Nicht jede Sonde misst ihren eigenen Druck; einige Modelle benötigen externe Druckinformationen oder eine Höheneinstellung. Auch warme Elektronikbauteile im Gehäuse können die Umgebungsbedingungen des Sensors verändern.

Bei der Raumüberwachung können direkte Atemluft, die unmittelbare Nähe eines offenen Fensters oder eines Luftauslasses zu nicht repräsentativen Ergebnissen führen. Gehäuseöffnungen und Innenvolumen beeinflussen, wie schnell das Gas den Sensor erreicht. Entsprechend dem Sensirion-Entwicklungsleitfaden werden Einflüsse von Wärmequellen, Vibrationen und unerwünschten Luftwegen im Prototyp untersucht. Für kondensierende Prozesse werden anstelle eines Raummoduls eine geeignete Sonde und Probenanordnung gewählt.

Was wird bei der Entwicklung eines Produkts aus einem CO2-Modul ausgelegt?

Eine Verbindung auf der Platine wie I2C und eine lange Kommunikationsleitung ins Feld benötigen unterschiedliche Auslegungen. Die Versorgung muss neben dem mittleren Sensorstrom auch Laständerungen während der Messung abdecken. Da PCB- und Gehäuseanordnung das zuvor gute Ergebnis eines Evaluierungsboards verändern können, wird der endgültige Entwurf erneut geprüft.

In der Embedded-Software werden Anlaufphase, Bereitschaft neuer Daten, Kommunikationsfehler und ungültige Messungen getrennt behandelt. Bei Verbindungsabbruch wird der letzte Wert nicht als aktuell angezeigt. Für Filterung und Steuerausgang werden Verzögerung, häufiges Ein- und Ausschalten um den Schwellwert und Wiederanlaufverhalten definiert. Anzeige, Aufzeichnung und Server müssen dieselbe Einheit und Zeitinformation verwenden.

Übertragung von Sensordaten vom Gerät zur Automatisierung →

Mit welchen Angaben können Sie ein CO2-Projekt beginnen?

Teilen Sie Raum oder Prozess, erwarteten CO2-Bereich, Temperatur- und Feuchtebedingungen, Montagepunkt und die durch die Daten zu unterstützende Entscheidung mit. Batterielaufzeit, Messhäufigkeit, Anzeige, Netzwerkanbindung und Wartungszugang gehören zur Entwicklung. Weisen Sie ausdrücklich auf einen dauerhaft hohen CO2-Gehalt hin; die Kalibrierstrategie wird entsprechend gewählt.

In einem mit VOMRO entwickelten Projekt werden Sensorauswahl, Elektronikplatine, Embedded-Software, Gehäuse und Validierungsumfang gemeinsam geklärt. Ort des Referenzvergleichs und zulässige Abweichung werden schriftlich festgelegt. Quellcode und Entwurfsunterlagen gehören zur Lieferliste. Dass ein Prototyp CO2 anzeigt, beinhaltet kein Versprechen einer nicht separat geprüften Alarmfunktion zum Personenschutz.