Jste zde

Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 2. Jak ji měřit?

Antonín Vojáček, 15. Leden 2019 - 7:39

Pro monitorování kvality ovzduší v prostorech jsou samozřejmě potřeba použít nějaké senzory, dnes prakticky již vždy na elektronické bázi, které budou průběžně analyzovat složení vzduchu v jejich okolí a v případě překročení nežádoucích úrovní nějakým způsobem budou informovat obyvatele / uživatele dané prostory.

Zatímco v 1. dílu "Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 1. Co sledovat a měřit ?" jsem si představili, jaké plyny je dobré v místnostech sledovat, dnes se podíváme na čtyři aktuálně nejběžnější a nejpoužívanější technologie provedení senzorů. Každá z nich má svá specifika a určitá pro i proti a je použitelná pro měření jen některých druhů plynů.  

Nejběžnější typy senzorů pro běžná měření

Pro účely měření kvality vzduchu by bylo nejpraktičtější použít jeden senzor, který by uměl rozlišovat a nezávisle na sobě analyzovat jednotlivé složky vzduchu a pak ukazovat jejich koncentrace či je porovnávat s přednastavenými limity. Bohužel ale v praxi zatím takový senzor neexistuje. Zatím totiž neexistuje jedna společná technologie, která by to umožňovala. Přesněji řečeno, je možné jedním senzorem analyzovat jeho kvalitu, ale jako souhrnný plyn, kdy sice je možné informovat o jeho nedostatečné kvalitě, ale již nelze určit, která složka vzduchu konkrétně je závadná. Pro přesnější analýzu vzduchu je tedy nutné použít hned několik různých typů senzorů každý reagující na odlišnou složku vzduchu.

Každá látka totiž na základě svých fyzikálně-chemických vlastnost dané jeho složením vyžaduje odlišné fyzikální způsob měření, tedy konkrétně převodu chemické koncentrace na elektrický signál, lze následně již elektronicky zpracovávat a vyhodnocovat. Ve výsledku tak lze použít i jednu shodnou elektronickou vyhodnocovací část senzoru, do které však budou připojeny různé převodníky - generátory elektrického signálu dle koncentrace daného plynu. Tohoto principu využívá mnoho výrobců, například i firmy Aeroqual, kteří nabízejí jen jednu či dvě vyhodnocovací jednotky, ale velké množství výměnných snímacích částí podle toho, jakou složku vzduchu (plynu) potřebujete měřit/vyhodnocovat.

Konkrétně se aktuálně masově využívají následující technologie senzorů pro měření koncentrace plynů:

  • GSS senzory (Gas Sensitive Semiconductor) / MOS (MOx) senzory (Metal-Oxide Sensor) -  polovodičový princip využívající změny vodivosti snímací plošky v závislosti na koncentraci plynu.
  • GSE senzory (Gas Sensitive Electrochemical sensor) / EC ( ElectroChemical sensor) - elektrochemický princip detekce využívající oxidační nebo redukční reakci molekul plynu s materiálem elektrody v elektrolytu. 
  • PID senzory (PhotoIonization Detector) -  opticko-ionizační princip detekce využívající excitaci (uvolnění) iontů plynu prostřednictvím ozáření UV světlem.
  • NDIR senzory (Non-Dispersive InfraRed sensor) - optický princip využívající absorpci a rozptyl infračerveného světla na molekulách plynu.

GSS / MOS / MOx princip

GSS či MOS senzory plynů využívající technologii založenou na interakci molekul plynu s vodivým materiálem, u něhož mění svojí přítomností jeho elektrickou vodivost. Ta je pak následně již elektricky vyhodnocována.  Použitelnými materiály jsou zejména oxidy kovů (např. oxidy zinku, cínu, wolframu, india). Na povrchu tohoto materiálu se vytvoří ve vzduchu rovnovážný stav s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší a způsobí změnu vodivosti. Pro některé plyny je tato snímací vrstva vytápěná na teploty 270°C až 900°C. V závislosti na konkrétním plynu (složce vzduchu) je nutné pro detekci použít jiný materiál.

Vlastnosti toho snímacího materiálu tvořící snímací plošku je pak hlavním klíčem (alfou a omegou) přesnosti a citlivosti senzoru, a proto prakticky veškerý hlavní vývoj v této technologii je cílen na hledání a realizaci nových materiálů umožňující detekovat doposud tímto způsobem nedetekovatelné plyny nebo vylepšování (zajištění větší citlivosti a selektivity) u již existujících provedení. Vzhledem k jednoduchému principu realizace do integrované součástky lze touto technologií realizovat i současné snímání a vyhodnocení různých typů plynů (složek vzduchu) v rámci jedné integrované součástky (senzoru).

V současnosti je snaha výrobců pro běžné uživatelské účely měření (běžné monitorování a regulace / hlídání limitů) prakticky vždy použit polovodičové provedení senzoru, které výhodné díky jejich ceně a dlouhodobé životnosti v čistém prostředí a nízkých měřicích rozsazích. Polovodičové senzory však nejsou využitelné v bezpečnostních průmyslových aplikacích kvůli nízké selektivitě, omezené přesnosti měření, linearitě a časové nestabilitě (driftu) signálu. Navíc je jejich použití u některých plynů (typicky např. CO2) stále velmi problematické a nespolehlivé.

Stručně řečeno: GSS/MOS senzory jsou uživatelsky nenáročné a lze jej velmi dobře miniaturizovat a masově vyrábět. Proto jsou GSS/MOS senzory obecně levné, ale bohužel nejsou zatím dostupné a vhodné pro všechny druhy plynů, i když se nabídka s postupným vývoje nových snímacích materiálů neustále rozšiřuje. Také obvykle mají nižší rozsah, rozlišení a přesnost měření než ostatní principy.

GSE / EC princip

GSE či EC senzor vytváří měřicí signál úměrný koncentraci sledovaného plynu na základě chemické redukce či oxidace molekul sledovaného plynu s elektrolytem uzavřeným v těle senzoru. Materiál elektrod, elektrolyt i napětí mezi elektrodami jsou zvoleny tak, aby na měřicí elektrodě docházelo k elektrochemické reakci doprovázené vznikem volných elektronů. Ten vytváří slabý elektrický proud, který již následně zpracovává (zesiluje a vyhodnocuje) elektronika senzoru na hodnotu koncentrace.

Dobré měřicí vlastnosti elektrochemického senzoru jsou obvykle vykoupeny poměrně krátkou životnosti senzoru (cca 1 až 2 roky). Rychlejší stárnutí senzorů je způsobeno nevratnými chemickými změnami vedoucími k postupnému vyčerpání elektrolytu. Pro zachování přesnosti měření je nutné změny citlivosti senzoru často kompenzovat novou kalibrací. Zatímco se přesnost měření bezprostředně po kalibraci pohybuje v rozmezí ±5 %, mohou chyby měření již po 1 až 3 měsících přesahovat 20 %.

 

Stručně řečeno: GSE typy senzorů lze realizovat měření velkého množství různých plynů, ale z důvodu krátké životnosti a časově nestálé přesnosti měření se využívají hlavně pro krátkodobá měření v přenosných přístrojích.

PID princip

Princip PID foto-ionizačních detektorů je založený na měření počtu excitovaných iontů molekul ionizovaných plynů vlivem energie dodané fotony ultrafialového záření (dodávaným UV světlem). Vzniklé excitované (volné) kladné a záporné ionty jsou pak sbírány na měřících elektrodách, kde generují elektrický signál. Ten je již následně zpracován (zesílen a vyhodnocen) v elektronice senzoru. Velikost signálu pak odpovídá koncentraci VOC těkavých látek v ovzduší daného měřeného místa.

Ultrafialové záření se generuje speciálními malými kalibrovanými UV LED zářiči, kterou jsou ocejchované v hodnotách ionizační energie v jednotkách eV (elektron voltů), kterou ozářeným molekulám plynu dodávají. Molekuly plynu procházející generovaným světlem jsou pak ionizovány v případě, že jejich ionizační energie je nižší nebo rovna energii fotonů světla z lampy. Tedy například v případě použití lampy 10,6 eV všechny molekuly s ionizační energií menší nebo rovnou hodnotě 10,6 eV (například plyn amoniak). Z toho je patrné, že jakékoliv látky v plynu obsažené splňující tuto podmínku přispějí svými ionty a tedy přispějí k naměření vyšší hodnoty koncentrace. Selektovat tak lze různé látky pouze podle jejich ionizační energie. Při použití detektoru specializovaného na konkrétní látku volbou vhodného UV světla tak sice přesně víme, jaká je její koncentrace v daném prostředí, ale již nevíme, zda není prostředí zamořeno i nějakou jinou látkou, která měření také ovlivňuje.

Stručně řečeno: PID senzory umožňují měření / detekci jen těkavých VOC plynů. Běžné PID senzory pak obvykle měří pouze celkovou koncentraci různých přítomných VOC těkavých látek a tedy neumožňují definovat, která konkrétní látka zvýšenou koncentraci způsobila a tedy, kde hledat problém a kde zasáhnout. Na druhou stranu PID senzory dosahují velkého měřícího rozsahu koncentrací a dobré přesnosti a časové stability. Proto se dobře hodí pro bezpečností aplikace, kde prostě hlídají, zda nejsou přítomny nebezpečné podmínky.

NDIR princip

NDIR senzor pracuje na základě absorpce části IR spektra v molekulách měřeného plynu (např. CO22). Koncentrace plynu je definována zeslabením intenzity infračerveného záření určité vlnové délky, které je generováno jednou čí více infračervenými LED diodami a následně po průchodu komorou s plynem přijímané fotodetektorem (pyrometrem).

U současných moderních provedení tento princip představuje nejlepší výsledky měření, vyznačuje se selektivitou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou životností. Nevýhodou je vyšší pořizovací cena a omezená možnost miniaturizace. Jistým limitujícím faktorem je skutečnost, že vyšší koncentrace plynu vedou k tzv. „oslepnutí“ senzoru, protože příliš mnoho molekul je schopno pohltit prakticky veškeré IR záření sledovaných vlnových délek a tedy na přijímač záření již žádné nedopadne. Vyšší přesnosti měření (pod ±5 %) tak paradoxně dosahují IR senzory určené pro nižší měřicí rozsahy v řádech tisíců ppm.

Stručně řečeno: NDIR senzory umožňují spolehlivé a poměrně přesné měření, ale jen některých druhů plynů a jen při malých koncentracích. V praxi se obvykle používají hlavně pro měření koncentrace CO2, který je obtížné měřit jinými metodami.

Jaký princip měření se používá pro jaké plyny / látky?

Po krátkém přehledu principů detekce/měření by ještě bylo dobré se zmínit, jaké principy se používají pro detekci v uzavřených místnostech. Z praktického pohledu by bylo ideální, kdyby pro všechny plyny bylo možné měřit GSS/MOS typy senzorů. Ty se nejsnadněji hromadně (sériově) vyrábějí, lze je nejlépe miniaturizovat a mají velmi dlouhou životnost, protože neobsahují žádné zdroje záření ani elektrolyty, které s časem postupně degradují (životnost max. několik let). Proto je vývoj vodivostních polovodičových senzorů nejvíce v zájmu výrobních společností.

Bohužel ale ne všechny plyny lze pomocí GSS/MOS technologie spolehlivě a dostatečně přesně měřit. GSS/MOS senzory jsou nejlepší pro detekci těkavých organických látek (VOC) a pak hlavně oxidu uhelnatého (CO). Proto se již mnoho desítek let úspěšně využívají pro detekci kouře a výbušných plynů (butan, metan apod.). Naopak v současné době v místnostech nejpopulárnější měření oxidu uhličitého (CO2) je pro ně stále ještě poměrně velký problém. Již sice byly nalezeny vhodné materiály (např. InO2), ale ty vykazují nejlepší výsledky měření v oblasti od 2000 do 5000 ppm, což je již za prakticky za hranicí, co v běžném prostředí chceme sledovat (úrovně do 1 500 ppm). Proto se sice GSS/MOS senzory pro měření CO2  již používají, ale zatím jen ve funkci velmi přibližných detektorů (známé různé CO2 detektory do USB portů počítačů v kancelářích). Pro přesné měření CO2  je obvykle využívána technologie NDIR.

Další výzva pak obvykle bývá měření koncentrace oxidů dusíku (NOx), tedy přesněji řečeno oxidu dusičitý (NO2). Ten sice lze velmi přesně a spolehlivě měřit senzory typu GSE, které však bohužel obvykle reagují i na koncentraci přízemního ozónu O3. Pokud je tedy vyžadováno přesné měření oxidů dusíku, je nutné současně měřit i úroveň ozónu pomocí senzoru typu GSS/MOS a následně ji odečítat.

V oblasti měření volně těkavých organických plynů (VOC) bývá zase problémem přesné definování přítomnosti různých látek ve jedné směsi (vzduchu), protože zde existuje velká tzv. křížová reference, tedy vzájemné ovlivňování měření jednoho plynu současným výskytem plynu jiného. Zvláště to platí při použití PID senzorů, které se sice pro VOC plyny velmi hodí, protože poskytují dobrou přesnost a velký měřící rozsah, ale křížová reference je u nich velmi vysoká. PID senzory sice umějí poměrně přesně změřit a vyhodnotit zvýšenou koncentraci VOC plynů, ale již je obtížné přesně identifikovat, o jaký VOC plyn konkrétně jde. Tedy v případě plynů sledovaných v místnostech se obtížně rozlišuje, zda za zvýšenou koncentraci může například benzen, naftalen, trichlorethylen či perchlor apod. Běžné PID senzory jsou navíc standardně kalibrovány plynem isobutylen a pro přesné měření koncentrace je nutné naměřenou hodnotu přepočítávat na konkrétní plyn (např. benzen) prostřednictvím korekčního koeficientu RF (Response Factor). To však je dnes záležitostí vestavěného vyhodnocení (procesoru) čidla.

Konkrétně se využívají pro měření plynů / složek uvedených v 1. dílu "Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 1. Co sledovat a měřit ?" používají následující typy senzorů:

  • Detekce CO2 - senzory na principu:
    • IR/NDIR (rozsahy cca 100 až 5 000 ppm, rozlišení od 1 ppm, nejmodernější však již 100 až 50 000 ppm s rozlišením 100 ppm),
    • GSE (rozsahy cca 100 až 500 ppm s rozlišením od 0,2 ppm nebo 100 až 50 000 ppm s rozlišením 1 000 ppm),
    • GSS/MOS (rozsahy cca od 400 až 1 500 nebo až 60 000 ppm, rozlišení od 1 až 30 ppm - podle rozsahu).
  • Detekce CO - senzory na principu:
    • GSE (rozsahy cca 0 až 25/500 ppm, rozlišení od 0,01 / 1 ppm),
    • GSS/MOS (rozsahy cca 0 až 1000 ppm, rozlišení od 1 ppm),
    • NDIR (rozsahy cca 0 až 2000 ppm, rozlišení od 1 ppm).
  • Detekce NOx - senzory na principu:
    •  GSE (rozsah cca 0 až 1 ppm, rozlišení od 0,001 ppm).
  • Detekce Formaldehydu (VOC) - senzory na principu:
    •  GSE (rozsahy cca 0 až 1 / 10 / 100 ppm, rozlišení od 0,001 / 0,01 / 0,1 ppm).
  • Detekce Benzenu (VOC) - senzory na principu:
    • PID (rozsahy 0,01 až 10 / 50 /100 ppm, rozlišení od 0,01 / 0,1 / 1,0 ppm),
    • GSS/MOS (rozsahy 0 až 10 / 300 ppm, rozlišení od 0,01 ppm).
  • Detekce Benzo(a)pyrenu - PAH (VOC) - senzory na principu:
    • PID (rozsahy cca 0 až 10 / 500 ppm, rozlišení od 0,005 / 1,0 ppm).
  • Detekce Naftalenu - PAH (VOC) - senzory na principu:
    • PID (rozsahy cca 0 až 10 / 100 ppm, rozlišení od 0,005 / 0,1 ppm),
    • GSS/MOS (rozsahy cca 0,001 až 5 ppm, rozlišení od 0,005).
  • Detekce Trichlorethylen (TCE - VOC) - senzory na principu:
    • PID (rozsah cca 0 až 200 / 500 ppm, rozlišení od 0,1 / 1 ppm),
    • GSS/MOS (rozsah cca 0 až 200 ppm, rozlišení od 1 ppm).
  • Detekce Tetrachlorethylen / Perchlor (PCE / PER - VOC) - senzory na principu:
    • PID (rozsah cca 0 až 100 ppm, rozlišení od 0,1 ppm),
    • GSS/MOS (rozsah cca 0 až 200 ppm, rozlišení od 1 ppm).

Poznámka: Uvedené rozsahy a rozlišení jsou jen velmi orientační. Různí výrobci senzorů plynů mají různé rozsahy a přesnosti v závislosti na použité konstrukci, kvalitě senzorů  a zvolené cílové aplikaci.

Přepočet koncentrace ppm - mg/m3:

Jak jste si mohli všimnou výše, výrobci většinou uvádějí měřící rozsahy a rozlišení senzorů plynů v poměrových jednotkách ppm (počet prvků v miliónu). Naopak v zákonech a nařízeních bývají často dovolené limity koncentrací uváděny v hmotnostních jednotkách mg/m3 nebo µg/m3. Jaký je ovšem přepočet mezi těmito dvěma různými jednotkami?

Přesný přepočet využívá hodnoty tzv. "molární hmotnosti látky M" , která se pro jednotlivé základní materiály uvádí v periodické tabulce prvků:

  • Přepočet z X koncentrace v "ppm" na Y koncentraci v "mg/m3": Y (mg/m3) = X (ppm) * M / 24,45 (při 25oC a 101,325 kPa).
  • Přepočet z Y koncentrace v "mg/m3" na X koncentraci v "ppm": X (ppm) = Y (mg/m3) * 24,45 / M (při 25oC a 101,325 kPa).

Konkrétně pak například:

  • CO: 1,17 mg/m3= 1 ppm.
  • NO2: 1,88 mg/m3 = 1 ppm.
  • Formaldehyd: 1,23 mg/m3 = 1 ppm.
  • Naftalen: 5 mg/m3 = 1 ppm.
  • Benzen:  3,2 mg/m3= 1 ppm .
  • Benzo(a)pyren:  10,3 mg/m3= 1 ppm .
  • Trichlorethylen: 5,38 mg/m3 = 1 ppm.
  • Tetrachlorethylen: 6,78 mg/m3 = 1 ppm.

Závěr 2. dílu

V tomto 2. díle jsem se pokusil co nejpřehledněji a nejjednodušeji "nastínit" základní problematiku typů senzorů měření plynů a jejich použití pro měření složek vzduchu nejen v místnostech. I z výše uvedeného je však patrné, že problematika senzorů plynů je velmi rozsáhlá a komplexně se v ní zorientovat je poměrně náročné.

Zatím bohužel nebyl nalezen "univerzální měřícící princip", který by poskytoval ideální měření pro široké spektrum plynů. V tomto oboru tak zatím stále probíhá velký výzkum a vývoj a velké naděje jsou kladeny do budoucího použití nanomateriálů umožňující zachytávat a detekovat jednotlivé molekuly plynů. K tomu se pokusím vrátit v některém z pozdějších dílů.

Ve 3. díle se podíváme na příklady zajímavých prodávaných stacionárních i přenosných přístrojů přímo navržené pro monitorování kvality vzduchu v místnostech, tzv. Indoor Air Quality Detectors, které ve svém nitru využívají zde dnes uvedené typy senzorů.

Odkazy:

Hodnocení článku: 

Související články

Komentáře

Radim Pechal (neověřeno) - 28. Říjen 2020 - 22:10

Chtěl bych poděkovat za moc pěkný článek a vlastně za celý seriál. Mám jen fyzikální připomínku. U PID detektorů záporné ionty prakticky vznikat nebudou (záporné ionty jsou velmi nestabilní). Vznikají zde kladné ionty a volné elektrony, které pak po dopady na elektrody generují elektrický proud. Je to znázorněno i na ilustrativním obrázku v 11. díle, kde je jasně uvedeno, že zde vznikl kladný iont a elektron (https://automatizace.hw.cz/files/styles/clanek-300/public/story_automat/...).