Jste zde

Thermokon = snímače CO2 s komunikací Modbus

Antonín Vojáček, 22. Leden 2015 - 23:21

Kvalita ovzduší v uzavřených místnostech je hlavně dána koncetrací CO₂. Společnost Thermokon vyrábí snímače koncentrace CO₂ do průmyslu, kanceláří, i domácnostní. Zajímavý je pak výběr výstupů v podobě analogového napětí nebo sběrnic LON a Modbus-RTU.

Proč měřit koncentraci CO₂?

Oxid uhličitý (CO₂) je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu vznikající reakcí uhlíku a kyslíku (spalováním, dýcháním živých organismů). Oxid uhličitý je běžnou součástí atmosféry.

Měření koncentrace CO₂ představuje stále zajímavější odvětví senzoriky, protože množství oxidu uhličitého v místnostech je hlavní složkou hodnocení kvality ovzduší v místnosti, protože výrazně ovlivňuje náladu, únavu, pracovní výkonnost a koncentraci osob, které se v ní nacházejí. Koncentrace CO₂ do hodnoty 5000 ppm sice nepředstavuje vážné nebezpečí pro lidské zdraví, ale podle výzkumů dochází při zvýšené koncentraci k ospalosti, letargii, únavě a poklesu schopnosti koncentrace a k nepříjemnému pocitu vydýchaného vzduchu. Koncentrace CO₂ ve vzduchu je tak vhodným indikátorem vydýchanosti vzduchu ve vnitřních prostorách a velmi dobře koresponduje s počtem lidí pobývajících v těchto uzavřených prostorách. Toho se dá například dobře využít pro automatickou regulaci ventilace.

Hodnocením koncentrace CO₂ v místnosti se například zabývá evropská norma DIN EN 13779 pro větrací a klimatizační zařízení. Ta rozlišuje 4 úrovně koncentrací CO₂ v uzavřených místnostech v porovnání s venkovní koncentrací a tak definuje úroveň kvality ovzduší:

Úroveň ID1 = vysoká kvalita vzduchu = koncentrace menší než 400 ppm (standardní hodnota je 350 ppm = 0,035 %).
Úroveň ID2 = střední kvalita vzduchu = koncentrace v rozsahu 400 až 600 ppm (standardní hodnota je 500 ppm = 0,050 %).
Úroveň ID3 = vyhovující kvalita vzduchu = koncentrace v rozsahu 600 až 1000 ppm (standardní hodnota je 800 ppm = 0,080 %).
Úroveň ID4 = nízká kvalita vzduchu = koncentrace větší než 1000 ppm (standardní hodnota je 1200 ppm = 0,120 %).

Z výše uvedeného vyplývá, že doporučená koncentrace CO₂ ve vzduchu v uzavřené místnosti by tak měla být udržována pod hodnotou 1000 ppm.

Princip měření koncentrace CO₂

Měřicích principů pro zjištění koncentrace CO₂ je několik, ale nejrozšířenější jsou snímače pracující jako elektrochemické nebo infračervené optické NDIR.

Elektrochemický princip měření

Elektrochemická metoda je založena na elektrochemickém článku s tuhým elektrolytem. Tento článek je přídavným žhavením vyhříván na pracovní teplotu. Na elektrodách článku dochází k chemickým reakcím, kdy se spotřebovává kyslík a na elektrodách článku vzniká elektromotorické napětí. Jeho měření pomocí elektroniky se pak zjišťuje koncentrace CO₂ ve vzduchu.

Hlavní předností této metody pro měření CO₂ je vysoká citlivost a obvykle nižší cena než čidla NDIR. Nevýhodou proti NDIR je menší přesnost měření a schopnost pracovat až od koncentrace cca 400 ppm. To však vzhledem ke koncentraci CO₂ ve venkovním vzduchu (od cca 350 ppm) tolik nevadí.

NDIR princip měření

Metoda NDIR (Non-Dispersive InfraRed) je založena na absorpci infračerveného záření, tedy měření útlumu infračerveného záření průchodem molekulami plynu CO₂, protože molekuly absorbují vlnovou délku světla odpovídající jejich velikosti. Čím více molekul je v cestě světla, tím více je světla pohlceno. Základní princip je tedy v zásadě podobný, jako například u běžných optických snímačů detekce přítomnosti průhledných předmětů.

Snímač obsahuje zdroj infračerveného paprsku, který je dále vyzářen do trubice s přístupem vzduchu a pak snímán na přijímači tvořeném infračerveným detektorem s filtrem. Filtr odstraní všechny vlnové délky světla, které nejsou absorbovány molekulami plynu CO₂. Signál z infračerveného detektoru se pak zesiluje, vyhodnocuje útlum záření a z něho vypočítá aktuální koncentrace CO₂ ve vzduchu.

Snímače využívající NDIR metodu jsou obecně přesnější, dlouhodoběji stabilnější, měří koncentraci již od nulové hodnoty a mohou měřit i vysoké koncentrace CO₂. Jejich nevýhodou je o něco vyšší cena.

Základní snímač Thermokon LK CO₂

Základem nabídky snímačů společnosti CO₂ společnosti Thermokon je řada LK CO₂, která v sobě mimo měření koncentrace CO₂ obsahuje i vestavěné měření teploty. Princip měření je zde založen na levnější elektrochemické metodě měření CO₂.

Výstupy jsou pak dva jednoduché analogové napěťové 0-10 VDC, které odpovídají naměřené koncentraci CO₂ v rozsahu 0...2 000 ppm a teplotě v rozsahu 0-50°C.

Primárně je snímač určen pro evidenci CO₂ a volitelně také pro detekci teploty ve vzduchových kanálech.

Snímače Thermokon LK-S CO₂ a WRF04 CO₂ s Modbus-RTU a LON

Snímače LK-S CO₂ a WRF₀₄CO₂jsou určeny především pro přesné měření koncentrace CO₂, volitelně pak pro detekci teploty a relativní vlhkosti vzduchu.

Zatímco typ LK-S s krytím IP30 je určený pro zabudování do vzduchových kanálů, typ WRF₀₄ s krytím IP20 je určen pro použití v místnostech. Proto je vyráběn v provedení se 3 barevnými LED diodami pro signalizaci zvýšené koncentrace CO2 (možnost nastavit větrání) nebo s LCD displejem, který zobrazuje hodnoty CO2, teploty, i vlhkosti. Mají však stejný měřicí systém založený na přesné NDIR metodě a i stejnou nabídku připojovacích výstupů.

Provedení snímačů Thermokon LK-S pro vzduchové kanály (obr. vlevo) a WRF04 pro mísnosti (obr. vpravo).

Snímač lze připojit na zobrazovací a řídicí systémy prostřednictvím digitálních komunikačních rozhraní LON a Modbus-RTU (RS485). Měřicí rozsah koncentrace CO₂ je 0-2 000 ppm, teploty 0-50 °C a vlhkosti 0-100 %.

Velkou výhodou je automatická kalibrace Thermokon ABCLogic^TM(Automatic Background Calibration). Využívá se dynamického ofsetového výpočtu, tudíž není potřeba obsluhy pro kalibraci snímače. Jde o to, že všechna plynová čidla v zásadě podléhají jistým odchylkám v určitém čase, což vede k nutnosti kalibrace. Kalibrace senzorů však vyžaduje 5 až 20minutový kalibrační proces, což může vést ke značným nákladům.

Princip autokalibrace ABCLogic vychází z toho, že koncentrace CO₂ dosáhne mimo provozní hodiny stejné hodnoty, jako je v okolí, např. díky přirozené ventilaci, propustnosti oken atd. Snímač zaznamená nejnižší hodnotu CO₂ za každých 24 hodin a podle nejnižších hodnot naměřených za 2 týdny se kalibruje na teoretickou venkovní hodnotu 400 ppm. Nevýhodou tohoto systému kalibrace je vhodnost pouze pro budovy využívané jen část dne (např. kancelářské prostory), a nelze je použít tam, kde je nepřetržitý provoz nebo v prostorách s trvale zvýšenou koncentrací CO₂(např. skleníky, farmy, nemocnice).

Příklad funkce a montáže snímačů Thermokon LK-S pro vzduchové kanály.

Toto pak řeší novinka v podobně dvoukanálového snímače LK-S CO₂ V DuC a LC-WRF₀₄ CO₂ dual channel, kde snímač obsahuje 2 senzory CO₂ , přičemž jeden neustále detekuje měřenou koncentraci CO₂ , zatímco druhý referenční jedenkrát denně porovná naměřené hodnoty obou senzorů a v případě rozdílu provede kalibraci. Dvoukanálové snímače tak mohou být díky této automatické kalibraci použité i v prostorách s nepřetržitým provozem nebo v dobře izolovaných budovách.

Příklad zapojení snímače WRF₀₄CO₂ se sběrnicí Modbus-RTU.

Závěr

Měření koncentrace CO₂ má jistě budoucnost a bude se s postupnou zvětšující se automatizací budov a ventilace využívat stále častěji. Výrobky snímačů Thermokon Sensortechnik GmbH pak v ČR lze zakoupit u ostravské společnosti REM-Technik s.r.o. v cenovém rozsahu 3000 až 5000,- Kč bez DPH.