Komplexní průvodce senzory CO2: Typy, principy a optimální použití pro zdravé vnitřní prostředí

Kvalita vzduchu v místnosti má velký vliv na naši pohodu a výkon. Stává se vám, že sedíte v práci a najednou se cítíte malátně, máte migrénu a nevíte proč? Ve většině případů za to může nedostatek kyslíku ve vzduchu, tudíž zvýšené množství hladiny CO2. CO2 je jedním z těch neviditelných aktérů našeho života. Ve většině situací je CO2 neviditelný a nemá žádný zápach. Je to produkt našeho dýchání, ale také mnoha průmyslových procesů. Problém vzniká, když koncentrace CO2 v uzavřených prostorách stoupá na významné hodnoty.

Při normálních podmínkách je koncentrace CO2 ve vzduchu obvykle kolem 400 ppm (částic oxidu uhličitého na milion částic vzduchu). Avšak již při koncentracích nad 1000 ppm (1 %) můžeme začít pociťovat první nepříjemné příznaky. Navíc, s vydýchaným vzduchem se zvyšuje virová zátěž v místnosti a zvyšuje se riziko infekce.

Typy senzorů CO2 a jejich principy měření

I když na vnější pohled mohou vypadat všechny tyto měřicí zařízení podobně, existuje několik principů měření, které se vzájemně dost liší.

Infračervené senzory (NDIR)

Infračervené senzory, jinak také označované jako IR nebo NDIR, jsou v současné době asi nejpoužívanější princip pro měření koncentrace CO2. Infračervené senzory oxidu uhličitého jsou dnes nejběžnější systém pro měření jeho koncentrace. Současní moderní provedení se v běžných měřicích podmínkách venkovního prostředí i běžných místností vyznačují ze všech principů pro měření CO2 nejlepší kombinací parametrů přesnosti měření, životnosti (i více než 5 let) a ceny / náročnosti výroby. Moderní provedení již eliminovalo dřívější omezení v malém měřicím rozsahu, čímž prakticky téměř odstranilo u CO2 potřebu použití elektrochemického principu, který nyní poráží již jak v přesnosti měření a stabilitě kalibrace, tak hlavně v životnosti.

NDIR neboli nedisperzní infračervené snímače obsahují infračervenou (IR) lampu, která směruje světelné vlny trubicí naplněnou vzduchem směrem k optickému filtru před detektorem IR světla. NDIR princip měření je založen na měření útlumu intenzity infračerveného světla dopadající / pronikající skrz molekuly plynu. Konkrétně se zde využívají fakt, že molekuly CO2 absorbují záření určité vlnové délky okolo 4,2 mikrometrů (případně i okolo vln. délek 7,2 a 15 mikrometrů), zatímco ostatní plyny vzduchu na této vlnové délce světlo absorbují jen zcela minimálně. Prostě čím vyšší je koncentrace CO2, který se nachází mezi infračerveným zdrojem světla (obvykle infračervená LED dioda) a přijímačem světla (fotodioda), tím méně světla (fotonů) projde molekulami CO2 a tím méně světla dopadne na přijímač. Tento detektor měří množství IR světla, které projde optickým filtrem. Měří se rozdíl mezi množstvím světla vyzářeného IR lampou a množstvím IR světla přijatého detektorem. Tímto způsobem lze vypočítat počet molekul CO2 ve vzduchu.

Čtěte také: Čidlo pro automatické osvětlení

Tento systém pracuje výborně, ale jen do určité maximální koncentrace CO2, která již odfiltruje / zachytí téměř všechno světlo. Další zvýšení koncentrace pak již tedy nemá co dále absorbovat / odfiltrovávat a tedy zvýšení koncentrace již přijímač nerozliší. V praxi se využívá infračerveného světla z LED zdroje, někdy pak opakovaně odráženého od zrcadel v měřicí komoře s plynem, aby se prodloužila trasa světla plynem i při použití malých kompaktních rozměrů senzoru. Na straně přijímače se pak využívá tzv. dvojitý detektor. Ten se sestává z měřicího a referenčního senzoru světla. Zatímco měřicí detektor je ozařován světlem procházejícím měřeným vzduchem s CO2, který část záření absorbuje a měřicí detektor tak vygeneruje jen malý elektrický signál, signál referenčního detektoru nezůstává nezměněn, protože na něj dopadající světlo neprochází měřeným vzduchem. Vzájemným odečtením signálu měřicího a referenčního detektoru se získá "čistá" hodnota koncentrace CO2 a tím se eliminuje kolísání vysílací intenzity paprsku na straně vysílače, znečištění zrcátek a průchozích okének měřicí komory.

Výhodou těchto NDIR snímačů CO2 je jejich dlouhá životnost, minimální až nulové rušení jinými plyny, nízké náklady na životní cyklus a přesný a dlouhodobě stabilní provoz.

Elektrochemické senzory (GSE, EC)

Elektrochemické senzory CO2, někdy označované jako GSE či EC, se v dřívějších dobách využívaly hlavně v průmyslových aplikacích, protože poskytovaly možnost snímat koncentrace od 100 ppm až do vysokých hodnot okolo 50 000 ppm. Bohužel se však vyznačují poměrně malou životností pouze 1 až 2 roky způsobenou postupnou degradací elektrolytu a současně obvykle vyšší pořizovací cenou v porovnání s NDIR senzory.

Základní princip funkce spočívá ve vytváření elektrického signálu úměrného koncentraci CO2 vlivem reakce molekul měřeného plynu s elektrolytem uvnitř senzoru. Elektrochemický senzor se tak v principu své funkce skládá z nejméně dvou elektrod (měřicí elektroda a protielektroda) a elektrolytu, jejichž chemické složení je přizpůsobené měřenému plynu, zde tedy CO2. Elektrody mají vzájemný kontakt dvěma různými způsoby: na jedné straně přes elektricky vodivý elektrolyt (kapalina s volnými ionty), na druhé straně přes externí elektrický řídící obvod. Základní provedení s dvěma elektrodami má mnoho nevýhod. Například, pokud by byly přítomny vyšší koncentrace plynů, toto může vést k vyšším proudům v senzoru a tak poklesu napětí, které pak mění předkonfigurované napětí senzoru. Toto může vést k produkci nepoužitelných měřicích signálů nebo v nejhorším případě k chemické reakci v senzoru, která probíhá během měření bez povšimnutí. Z tohoto důvodu realizované kvalitní elektrochemické senzory obsahují ještě navíc i třetí elektrodu, tzv. referenční elektrodu, jejíž elektrický potenciál zůstává konstantní. Slouží k nepřetržitému měření napětí senzoru na měřicí elektrodě, kterou lze korigovat pomocí senzoru pro zlepšení vnitřní kontroly.

Pole působnosti pro elektrochemický systém měření CO2 již prakticky zůstalo jen v oblasti přenosných profesionálních systémů, kde se využívá jednoho měřicího přístroje, které lze vybavit různými vyměnitelnými elektrochemickými měřicími "patronami" pro různé plyny.

Čtěte také: Význam větrných čidel pro fasádu

Polovodičové senzory (MOX, MOS)

Polovodičové senzory CO2, označované jako MOX či MOS, najdete zejména v levných měřicích zařízeních nebo někdy jen indikátorech pro obytné místnosti a kanceláře. Jejich princip je založen na změně vodivosti povrchu polovodiče vlivem působením měřeného plynu. Senzor obsahuje snímací element vyrobený z vhodného oxidu kovů (MOX) tak, aby chemicky reagoval s molekulami plynu, polovodič typu n, snímací elektrody a ohřívač. Nejčastěji používaným MOX je v současnosti SnO2, ale vědci pracují na dalších vhodnějších typech oxidů. Ten snímací prvek se zahřívá na optimální teplotu pro detekci cílového plynu. Typická teplota je v rozsahu 200 až 400°C. Kyslík z atmosféry se absorbuje na snímacím elementu, váže jeho elektrony a vede tak k tvorbě ochuzené vrstvy. Pokud jsou v okolní atmosféře přítomny i molekuly oxidačních nebo redukčních plynů, mohou reagovat s absorbovanými ionty kyslíku a dříve vázané elektrony jsou opět dostupné jako nosiče náboje ve snímacím elementu. Toto vede ke snížení energetické bariéry v pásovém modelu polovodiče, což se projeví zvýšením vodivosti. V základním stavu tedy dojde na povrchu snímací plošky k rovnovážnému stavu s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší, čímž změní hodnotu vodivosti polovodičového kanálu.

Obrovská výhoda tohoto systému je praktická velká mechanická odolnost, životnost i několik desítek let bez potřeby údržby. Tyto nesporné uživatelské výhody jsou ale vykoupeny silně nelineární funkcí a teplotní nestabilitou (výrazným teplotním driftem), které však dnes lze elektronickými vyhodnocovacími obvody snadno eliminovat a hlavně nízkou selektivitou, kdy měření mimo žádaný plyn (zde CO2) může na detekci působit i další plyny, které kontrolovat nechceme.

Chemické detekční trubice

Mezi senzory CO2 nevyžadující žádný zdroj elektrické energie patří chemické detekční trubice. Ty poskytují výsledky bezprostředně po provedení měření, kdy je možné naměřenou úroveň koncentrace přečíst na v trubici vestavěné stupnici a také nevyžadují žádnou kalibraci. Navíc ve srovnání s elektronickými detekčními zařízeními jsou levnější a snadněji ovladatelné. Jedinou nevýhodou je jednorázová funkce, kdy po jedné aktivaci měřicího režimu již trubici nelze dále využít.

Princip funkce je založen na změně barvy materiálu trubice, který přichází do styku s měřeným plynem (zde aktuálně s CO2, ale existují trubice i pro různé jiné plyny). Citlivá měřicí plocha je umístěna na pevném nosném materiálu v uzavřené plynové trubici. Definované množství okolního vzduchu je nasávané trubicí buď samovolně, nebo s použitím pumpy při potřebě rychlého měření krátkodobých měřicích trubic. I nejmenší množství plynu jsou dostatečné k vyvolání reakce.

Elektronické senzory CO2 - opakované a dlouhodobé měření

Elektronické senzory CO2 poskytují přesně opačné uživatelské vlastnosti než výše uvedené elektrochemické trubičky. Potřebují zdroj elektrické energie, a někdy i kalibraci, ale na druhou stranu poskytují opakované či dlouhotrvající průběžné měření koncentrace a obvykle také snadné zobrazení výsledku měření na displeji vyhodnocovacího zařízení, často v přepočtu na různé jednotky (např. ppm, % ).

Čtěte také: Hygienické splachování

Aplikace senzorů CO2

Senzory CO2 mají širokou škálu aplikací v různých průmyslových odvětvích a sektorech kvůli důležitosti monitorování a kontroly hladin oxidu uhličitého.

  • Monitorování kvality vnitřního vzduchu (IAQ): Senzory CO2 se široce používají v budovách, kancelářích, školách a domácnostech ke sledování kvality vnitřního vzduchu. Vysoké hladiny CO2 mohou naznačovat nedostatečné větrání, které může vést k nepohodlí, snížené produktivitě a zdravotním problémům.
  • Systémy HVAC: Senzory CO2 jsou integrovány do systémů vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC) pro optimalizaci energetické účinnosti.
  • Průmyslová bezpečnost: V průmyslovém prostředí se senzory CO2 používají k monitorování a detekci potenciálně nebezpečných úrovní oxidu uhličitého.
  • Skleník a zemědělství: Ve skleníkových provozech a zemědělství hrají senzory CO2 zásadní roli v růstu rostlin a produktivitě.
  • Automobilový průmysl: Senzory CO2 se používají v automobilových aplikacích, zejména ve vozidlech se spalovacími motory.
  • Monitorování životního prostředí: Senzory CO2 se používají při monitorování životního prostředí k měření a sledování úrovní CO2 ve venkovním prostředí.
  • Bezpečnost ve stísněných prostorách: Senzory CO2 se používají při monitorování stísněných prostor k detekci vysokých hladin oxidu uhličitého, které mohou představovat riziko pro pracovníky.

Výběr a kalibrace senzoru CO2

Při nákupu zařízení pro měření CO2 zkontrolujte, zda je kvalitní a vhodné pro měření v prostoru, kde jej chcete instalovat. Dále věnujte pozornost následujícím bodům:

  • typ čidla (doporučeno NDIR)
  • chyba měření
  • rozsah měření
  • způsob kalibrace
  • indikátory LED
  • hodnoty indikace LED
  • model a záznam dat

Kalibrační metoda

Všechna čidla oxidu uhličitého potřebují kalibraci. V případě čidel NDIR dochází v průběhu let ke zhoršování stavu světelného zdroje i detektoru, což má za následek mírně nižší počty molekul CO2. To je obecně známo jako "drift" nebo chyba měření. V závislosti na aplikaci lze kalibraci provést kalibrací snímače na známý plyn nebo pomocí metody automatické kalibrace základní linie (ABC).

Kalibrace ABC byla vyvinuta s cílem vyřešit obtíže s kalibrací nástěnných jednotek pro měření obsazenosti nebo kvality vnitřního vzduchu. Demontáž těchto jednotek ze zdi za účelem kalibrace byla nákladná, vyžadovala vyškolený personál, a proto se často ignorovala. Teorie samokalibrace ABC spočívá v tom, že pro použití v oblasti kvality vnitřního prostředí platí, že v určitém okamžiku každého dne je místnost neobsazená a hladina CO2 klesne na vnější okolní podmínky 400 ppm. Je-li tato funkce zapnuta, čidlo obvykle dosáhne provozní přesnosti po 24 hodinách nepřetržitého provozu a udrží si přesnost za předpokladu, že je alespoň čtyřikrát za 21 dní vystaven referenční hladině 400 ppm. V závislosti na prostředí instalace se doporučuje tuto techniku samokalibrace povolit nebo zakázat.

Kalibrace senzoru CO2 je nezbytná pro zajištění přesných a spolehlivých měření. Proces kalibrace zahrnuje porovnání naměřených hodnot senzoru se známými referenčními hodnotami a odpovídající úpravu výstupu senzoru. Zde je postup kalibrace:

  1. Vyberte kalibrační plyn: Získejte kalibrační plyn se známou a přesnou koncentrací CO2. Kalibrační plyny jsou obvykle dostupné v předem namíchaných lahvích s certifikovanými koncentracemi.
  2. Připravte prostředí pro kalibraci: Nastavte kontrolované prostředí, které se velmi podobá podmínkám, ve kterých bude senzor CO2 používán. To zahrnuje podmínky teploty, vlhkosti a tlaku.
  3. Povolit stabilizaci senzoru: Zapněte senzor CO2 a nechte jej stabilizovat v prostředí kalibrace po dostatečnou dobu.
  4. Kalibrace nuly (volitelné): Některé senzory CO2 mohou vyžadovat kalibraci nuly, zejména pokud mají vestavěnou funkci automatického nulování. Kalibrace nuly se provádí v prostředí čistého vzduchu (typicky venkovní vzduch), kde je koncentrace CO2 blízká nule.
  5. Proveďte kalibraci rozsahu: Kalibrace rozsahu zahrnuje vystavení senzoru CO2 kalibračnímu plynu se známou koncentrací CO2. Zajistěte, aby byl pro přesné dodání kalibračního plynu do senzoru použit správný systém dodávky plynu.
  6. Porovnat hodnoty a upravit: Porovnejte hodnoty senzoru se známou koncentrací kalibračního plynu. Pokud se naměřené hodnoty liší od očekávaných hodnot, proveďte úpravy na výstupu snímače.
  7. Opakujte podle potřeby: V závislosti na senzoru a požadavcích na kalibraci může být k dosažení přesných měření v požadovaném rozsahu měření zapotřebí více kalibračních bodů.
  8. Zaznamenejte kalibrační data: Zdokumentujte postup kalibrace, včetně koncentrace kalibračního plynu, data kalibrace a veškerých úprav provedených na senzoru.
  9. Pravidelná údržba kalibrace: Snímače CO2 mohou vyžadovat pravidelnou rekalibraci, aby byla zachována přesnost. Interval kalibrace závisí na typu senzoru, doporučení výrobce a aplikaci.

Typ poskytovaných informací

Existují různé typy měřicích přístrojů CO2 v závislosti na způsobu zobrazení, přenosu a/nebo archivace naměřených údajů. Některé přístroje kombinují různé možnosti zobrazení informací.

  • Přímé zobrazení naměřené hodnoty na obrazovce - má tu výhodu, že umožňuje snadné okamžité měření a přímé informování osob v místnosti.
  • Registrace dat - naměřená data jsou odesílána a archivována na dálku a lze je konzultovat například prostřednictvím aplikace v chytrém telefonu, počítači nebo na webových stránkách. To má tu výhodu, že lze snadno vizualizovat a interpretovat průběh hodnot CO2 během určitého období a zmapovat vliv určitých zásahů (např. otevření dalších oken nebo dveří) na zlepšení rychlosti výměny vzduchu.
  • Další vizuální (zelené, žluté, červené LED diody) indikátory ukazují, zda jsou naměřené údaje stále v mezích, nebo zda je potřeba dodatečné větrání.

Doporučené umístění senzoru CO2

Pro dosažení optimálního měření koncentrace CO2 se doporučuje umístit senzory CO2 přibližně ve výšce očí, avšak konkrétní umístění závisí na účelu místnosti. Pokud senzor slouží k monitorování koncentrace CO2 například v ložnici, ideální pozice by byla přibližně ve výšce hlavy osoby ležící na posteli. Je rovněž důležité, aby místo instalace co nejvěrněji odráželo skutečnou kvalitu vzduchu v celé místnosti.

Integrace senzorů CO2 do inteligentních systémů

Senzor měří kvalitu vzduchu pomocí čidla CO2 a čidla vlhkosti. Pokud se kvalita vzduchu začne zhoršovat, inteligentní systém vás v aplikaci upozorní, taky za vás může automaticky otevřít okna či regulovat vzduchotechniku. Jakmile senzor detekuje zvýšení koncentrace CO2 nad přijatelnou úroveň, může automaticky spustit větrání nebo rekuperaci vzduchu, aby zajistil rychlou eliminaci nadměrného oxidu uhličitého. S Loxone CO2 senzorem získáváte nejen přesné informace o kvalitě vzduchu, ale také možnost automatického řízení, které vám ulehčuje péči o vaše vnitřní prostředí.

Čidlo CO2 je malé zařízení, které je doplňkovým prvkem systému chytré domácnosti SINUM. Jeho přítomnost dále zvyšuje úroveň bezpečnosti, a tím chrání především členy domácnosti. Díky tomu se můžete ve svém domě cítit bezpečně. Čidlo koncentrace CO2 je zařízení napájené stejnosměrným proudem 24 V, které díky vestavěnému senzoru dokáže přesně měřit hladinu oxidu uhličitého ve vzduchu. Senzor koncentrace CO2 pracuje autonomně, neustále analyzuje vzduch a zobrazuje výsledky měření. Čidlo CO2 systému Sinum je zařízení, které vykazuje velmi vysokou účinnost při detekci koncentrací CO2.

Některé senzory CO2, jako je čidlo CL-CO2 od Protronix, jsou tzv. čidla do zástavby, což znamená, že je lze překrýt jakoukoliv záslepkou ve zvoleném designu zásuvek a vypínačů, aby se esteticky hodily do interiéru.

tags: #cidlo #co2 #pod #podhled #informace

Oblíbené příspěvky: