CO2-Sensoren mit neuem Messprinzip - Ist die Luft rein?

Neben H₂O für Wasser hat kaum eine chemische Verbindung so eine Bekanntheit erlangt wie CO₂ für Kohlenstoffdioxid. Dessen Konzentration in der Luft hat Auswirkungen auf Menschen, Tiere, Pflanzen und Früchte. Um sie zu messen und bei Überschreitung von Grenzwerten Maßnahmen ergreifen zu können, gibt es CO₂-Sensoren. Die aktuellen Modelle sind kleiner und kostengünstiger als ihre Vorgänger und damit flexibel in Mess- und Analysesysteme integrierbar.

CO₂ ist als Grundsubstanz aller organischen Verbindungen ein farb- und geruchloses Gas bestehend aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Pflanzen wandeln es bei der Photosynthese zusammen mit Wasser in Sauerstoff um.

CO₂ entsteht durch die Zellatmung und beim Zerfall tierischer und pflanzlicher Organismen, außerdem in der menschlichen Zivilisation durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe in der Industrie, beim Heizen von Gebäuden oder in Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen. Das lässt die CO₂-Konzentration in der Erdatmosphäre steigen, was den Treibhauseffekt und damit die Klimaerwärmung fördert.

Auswirkungen auf den Menschen

In geringen Mengen ist Kohlenstoffdioxid für Menschen ungefährlich. Bei höherer Konzentration behindert es jedoch die Sauerstoffaufnahme in der Lunge und kann abhängig vom Gehalt in der Luft verschiedene Symptome hervorrufen: Zwischen ein und drei Volumen-Prozent CO₂ in der Luft können zu verminderter Konzentrationsfähigkeit und Müdigkeit, erhöhter Herzfrequenz oder höherem Blutdruck führen. Ab fünf Volumen-Prozent kann CO₂ Schwindel, Kopfschmerzen, Kurzatmigkeit und schließlich auch eine Ohnmacht auslösen.

Deshalb teilt die DIN EN 13779 die Qualität der Raumluft je nach Kohlenstoffdioxid-Konzentration in vier Stufen ein: Unter 800ppm (parts per million) CO₂ ist sie demnach gut, ab 1000ppm nur noch mäßig, über 1400ppm ist die Luftqualität mangelhaft. Am Arbeitsplatz dürfen Angestellte täglich maximal 5000ppm CO₂ während acht Stunden ausgesetzt sein.

CO₂ und Corona

Während der Corona-Pandemie wurde untersucht, ob ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Konzentration an CO₂ und Aerosolen besteht, die mittels Virenbeladung Auslöser für eine Covid-19-Ansteckung sein können. Nach aktuellem Kenntnisstand gibt es diesen nicht. Trotzdem ist ein hoher CO₂-Gehalt ein Indikator für schlechte Raumluft, mit der häufig auch eine erhöhte Aerosol-Konzentration einhergeht – es gibt also durchaus einen mittelbaren Zusammenhang zwischen CO₂ und Aerosolen. Zwei gute Gründe sprechen damit für konsequente Lüftungsmaßnahmen: ein höheres Wohlbefinden und mehr Leistungsfähigkeit sowie eine geringere Ansteckungsgefahr durch Corona-Viren.

Hinzu kommt: Durch Corona-Maßnahmen wie Homeoffice und Homeschooling, geschlossene Geschäfte und Restaurants, verbringen die meisten Menschen mehr Zeit zuhause. Da die Gebäude immer besser isoliert wurden, um modernen Energieeffizienzstandards zu genügen, findet hier kaum ein Luftaustausch statt. Das Augenmerk auf den CO₂-Gehalt der Raumluft ist deshalb so wichtig wie noch nie.  

Dicke Luft vermeiden

Um die CO₂-Konzentration zu messen, kommen entsprechende Sensoren zum Einsatz, beispielsweise in CO₂-Ampeln. Sie zeigen in Klassenzimmern auf einfachem, optischem Weg, wenn die Konzentration zu hoch ist und die Fenster geöffnet werden sollten. In Smart-Home-Systemen liefern sie jene Werte, die automatisch Lüftungsmaßnahmen oder Hinweismeldungen auslösen.

Die Sensor-Daten lassen sich auch für weitere Erkenntnisse nutzen, z.B. um zu ermitteln, wie viele Personen sich gerade in einem Raum befinden. Hierfür wird mit Hilfe eines Algorithmus die durchschnittliche Erhöhung des CO₂-Wertes, die beim Atmen eines Menschen entsteht, in Relation gesetzt zur gemessenen Zunahme der CO₂-Konzentration.

In der Lebensmittel-Industrie und -Logistik lässt sich über die gezielte Regulierung der CO₂-Konzentration die Produktqualität aktiv beeinflussen. Denn CO₂ kann die natürlichen Reifungsprozesse von Obst und Gemüse fördern oder verlangsamen. Auch auf Pflanzen und Tiere wirkt sich der CO₂-Gehalt aus. Mit der Erfassung und Anpassung des Wertes können Erzeuger dies für ihre Zwecke nutzen.

CO₂-Sensor auf Basis der NDIR-Messtechnik

Für derartige Messungen hat sich der Sensor SCD30 von Sensirion bewährt. Er detektiert die CO₂-Konzentration mittels NDIR- (nichtdispersive Infrarot-Spektroskopie) Messtechnik mit einer hohen Genauigkeit von ±30ppm +3% des Messwertes in einem Messbereich von bis zu 40.000ppm.

Das NDIR-Messprinzip basiert auf einer Infrarot-Strahlungsquelle und zwei gegenüberliegenden optischen Filtern mit zwei Detektoren in einer Röhre. Die Quelle strahlt mit einer Wellenlänge, die ausschließlich durch CO₂-Moleküle absorbiert wird. Durch eine Öffnung strömt Luft in die Röhre; die darin enthaltenen CO₂-Moleküle absorbieren einen Teil der Strahlung. Die gegenüberliegenden Detektoren messen die daraus resultierende Abweichung der Strahlungsintensität. Der zweite Detektor dient zur Referenzmessung, um die Auswirkung einer Kontamination, z.B. durch Schmutz oder Staub, zu verringern.

Dieses Prinzip führt zu vergleichsweise großen Sensoren: der SCD30 von Sensirion misst 35mm x 23mm x 7mm. Aufgrund seiner hohen Messgenauigkeit ist er trotzdem bereits jahrelang ein Fokusprodukt für die CO₂-Detektion.

CO₂-Sensoren auf Basis des photoakustischen Systems

Jetzt hat Sensirion einen Nachfolger vorgestellt: Der SCD4x erfüllt die Anforderungen nach Miniaturisierung und Verringerung des Stromverbrauchs. Er basiert auf dem neuen, photoakustischen Sensorprinzip, das keinen Mindestabstand zwischen emittierender Strahlungsquelle und Sensor erfordert. So misst der SCD4x lediglich 10mm x 10mm x 6,5mm und ist zudem kostengünstiger als sein Vorgänger. Das andere Messprinzip verringert allerdings die Genauigkeit auf ±50ppm +5% des Messwertes zwischen 400 und 2.000ppm (SCD40) bzw. ±40ppm +5% des Messwertes zwischen 400 und 5.000ppm (SCD41). Der Messbereich reicht wie beim Vorgänger SCD30 von 0 bis 40.000ppm.

Auch Infineon bietet einen CO₂-Sensor an, der auf dem photoakustischen Messprinzip basiert. Mit einer Größe von 14mm x 14mm x 7,5mm und einer Genauigkeit von ±30ppm +3% des Messwertes ist er laut Hersteller seit Mitte des Jahres 2021 verfügbar.

Die geringeren Abmessungen und das bessere Preis-Leistungs-Verhältnis macht die neuen Sensoren besonders interessant für Applikationen in den Bereichen Smart-Home, IoT, Automotive, HLK, Lebensmittel und Konsumgüter.

Das photoakustische Messprinzip basiert auf schmalbandigem, zu den Absorptionsbanden von CO₂-Molekülen passenden, Licht. Das heißt, es hat genau das Wellenlängenintervall, in dem seine elektromagnetische Strahlung von CO₂-Molekülen absorbiert wird. Das Licht wird in die Messzelle des Sensors emittiert, die CO₂-Moleküle absorbieren einen Teil des Lichtes. Die so entstehende Energie führt zu Schwingungen der CO₂-Moleküle, die den Druck der Messzelle erhöhen. Ein Mikrofon misst diese Druckunterschiede, daraus werden Rückschlüsse auf die Anzahl der in der Messzelle vorhandenen CO₂-Moleküle und damit die CO₂-Konzentration in der Luft gezogen.

Das photoakustische Messprinzip basiert auf schmalbandigem, zu den Absorptionsbanden von CO₂-Molekülen passenden, Licht. Das heißt, es hat genau das Wellenlängenintervall, in dem seine elektromagnetische Strahlung von CO₂-Molekülen absorbiert wird. Das Licht wird in die Messzelle des Sensors emittiert, die CO₂-Moleküle absorbieren einen Teil des Lichtes. Die so entstehende Energie führt zu Schwingungen der CO₂-Moleküle, die den Druck der Messzelle erhöhen. Ein Mikrofon misst diese Druckunterschiede, daraus werden Rückschlüsse auf die Anzahl der in der Messzelle vorhandenen CO₂-Moleküle und damit die CO₂-Konzentration in der Luft gezogen.

Fazit

Nie war es so wichtig wie heute, die CO₂-Konzentration in der Luft zu kennen. Denn sie hat nicht nur Auswirkungen auf das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen, sondern kann auch helfen, eine Ansteckung mit Corona-Viren zu verhindern. Die Lebensmittelindustrie und -logistik sowie Tier- und Pflanzen-Zucht können die Qualität ihrer Erzeugnisse aktiv über den CO₂-Gehalt beeinflussen. Bewährte CO₂-Sensoren punkten durch eine hohe Messgenauigkeit. Neuere Modelle beantworten die Forderung nach geringeren Abmessungen und Kosten. Dies geht jedoch zu Lasten der Messgenauigkeit.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de

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