Jste zde

Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 8. Principy senzorů CO2

Antonín Vojáček, 3. Květen 2020 - 17:40

Na jakém principu senzory CO₂ skutečně pracují? V praxi se dnes obvykle využívá infračervený optický, elektrochemický nebo polovodičový princip. Každý z nich má rozdílné vlastnosti a rozdílná použití. Pojď me si je blíže popsat...

V minulém 7. díle seriálu o kvalitě vzduchu v uzavřených místnostech jsme se zabývali problematikou množství CO₂ v místnosti a jeho vlivu na výkonnost / zdraví člověka. V dnešním díle navážeme uvedením principů měření koncetrace CO₂, bez kterých samozřejmě nejsme schopni přesně zjistit, jak to s tou koncentrací v dané místností vlastně vypadá.

Základní rozdělení senzorů CO₂

Podle použití a umístění lze senzory či lépe řečeno celé měřící přístroje koncentrace CO₂ rozdělit na:

Přenosné - vyznačují se kompaktními rozměry pro snadné přenášení či přímo měření v ruce, snadným zprovozněním i pro technicky laickou obsluhu. Elektronická provedení jsou obvykle napájené bateriově, případně snadno připojitelná na napájecí adaptér 5 či 12 VDC nebo do USB. Pro úspěšné zprovoznění měření je obvykle stačí jen zapnout. Jejich pouzdra obvykle mají pěkný design pro snadné držení v ruce nebo případně pro pěkný vzhled na stole v kancelářích či laboratořích apod. Přesnost jejich měření obvykle závisí na tom, zda jsou určeny pro domácí použití a základní kontrolu nebo pro přesné inspekční a laboratorní měření. Informace o naměřených hodnotách jsou obvykle zobrazovány na displejích zařízení a případně sofistikovanější provedení poskytují USB nebo Ethernet výstup pro připojení na běžné PC.
Stacionární - vyznačují se designem pouzdra navrženým pro pevnou instalaci do místností nebo jiných větších zařízení. Pokud jsou určeny do kanceláří a místností, obvykle mají pěkně vypadající plastová pouzdra, pokud do průmyslového prostředí, tak obvykle hlavně odolná pouzdra (kovová i plastová) s vyšší stupněm krytí. Napájecí obvykle je z externího zdroje 230 VAC nebo 24 VDC. Informace o naměřené koncentraci se obvykle přenáší do nějakého nadřazeného vyhodnocovacího / zobrazovacího systému LAN nebo průmyslovou komunikační sběrnicí.

Podle svého základního principu funkce na:

chemicko-mechanické (neelektronické) senzory - měření se provádí bez potřeby elektronických senzorů,
elektronické senzory - měření se provádí některým typem elektronického čidla.

Podle systému měření na:

jednorázové krátkodobé měření - po aktivaci /spuštění měření dojde v během několika sekund či minut změření aktuální koncentrace.
opakované / kontinuální dlouhodobé měření - měření lze provádět stejným senzorem opakovaně - periodicky nebo měřit/monitorovat CO₂ průběžně (trvale).

Chemicko-mechanické (neelektronické) senzory

Mezi senzory CO₂ nevyžadující žádný zdroje elektrické energie patří chemické detekční trubice. Ty poskytují výsledky bezprostředně provedení měření, kdy je možné naměřenou úroveň koncetrace 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 měřícího režimu již trubici nelze dále využít. Pro aplikace, ve kterých jednotlivá nebo méně pravidelná měření, jsou však měřící trubice dostatečné.

Podle rychlosti měření trubice je lze rozdělit na:

Krátkodobé měřící trubice - měření trvá v řádu desítek sekund až jednotek minut, ale k rychlému "natažení" měřeného vzduchu / plynu trubice je nutné použít malé mechanické či případně elektrické pumpy.
Dlouhodobé měřící trubice - měření trvá v řádu hodin a využívá se postupné samovolné difůze plynu do trubice podle Fickova prvního zákona, kdy vnější molekuly měřeného plynu je vtahovány do trubice na základě koncentračního rozdílu mezi okolím vzduchem a vnitřek trubice.

Příklad měřících trubic pro použití krátkodobé s pumpu i pro dlouhodobé bez pumpy.

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 měřící 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 měřících trubic. I nejmenší množství plynu jsou dostatečné k vyvolání reakce. Měřítko na trubici umožňuje uživateli vyhodnotit koncentraci nebezpečná látka bezprostředně po měření.

Příklady současných testovacích trubic na CO₂:

DrägerSensor® Tubes:
- typ 100/a - rozsah měření: 100 až 3 000 ppm,
- typ 0,1%/a - rozsah měření: 1 000 až 15 000 ppm,
- typ 0,5%/a - rozsah měření: 5 000 až 100 000 ppm,
- typ 1,0%/a - rozsah měření: 10 000 až 200 000 ppm.

Elektronické senzory

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, % ). I když na vnější pohled mohou vypadat všechny tyto měřící zařízení podobně, existuje několik principů měření, které se vzájemně dost liší. I když elektronických principů měření koncetrace CO₂ je poměrně mnoho, v praxi se nejvíce využívají následují tři typy:

Optické IR / NDIR senzory CO₂

Infračervené senzory, jinak také označované jako IR nebo NDIR, jsou v současné době asi nejpoužívanější princip pro měření koncetrace CO₂. Současní moderní provedení se totiž v běžných měřících 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. Proto většina kvalitních domácích kancelářských i průmyslových měřičů CO₂ využívá právě tento princip.

IR/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 diody) a přijímačem světla (fotodioda), tím méně více světla (fotonů) projde molekulami CO₂ a tím méně světla dopadne na přijímač. 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. Tento jen určuje vždy maximální měřící rozsah.

Příklady dvou různých provedení IR senzorů CO₂ v nabídce společnosti Dräger.

V praxi se využívá infračerveného světla z LED zdroje, někdy pak opakovaně odráženého od zrcadel v měřící 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 měřící detektor je ozařován světlem procházející měřeným vzduchem s CO₂, který část záření absorbuje a měřící detektor tak vygeneruje jen malý elektrický signál, signál referenčního detektoru nezůstává nezměněn, protože na něj dopadající světlo není neprochází měřeným vzduchem. Vzájemným odečtením signálu měřícího 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 měřící komory. Stejně tak i eliminuje neměřené "poruchy" okolního vzduchu způsobené prachem nebo aerosoly, které pak ovlivňují oba detektory ve stejné míře.

Příklady současných IR/NDIR senzorů:

DrägerSensor® Smart IR CO₂:
- rozsah měření: 0,01 až 5 Vol.% = 100 až 50 000 ppm,
- rozlišení měření: 100 ppm,
- přesnost měření: +/- 1 až 10% měřené hodnoty.
Alphasense IRC-A1 CO₂ AIQ:
- rozsah měření: 0 až 5 000 ppm,
- rozlišení měření: 15 ppm,
- přesnost měření: +/- 50 ppm.
Sensirion SCD30:
- rozsah měření: 400 až 10 000 ppm,
- rozlišení měření: 10 ppm,
- přesnost měření: +/- 30 ppm.
Alphasense IRC-A1 CO₂ 5% Vol.:
- rozsah měření: 100 až 50 000 ppm,
- rozlišení měření: 100 ppm,
- přesnost měření: +/- 500 ppm.
Aeroqual Series 500:
- rozsah měření: 0 až 5 000 ppm,
- rozlišení měření: 1 ppm,
- přesnost měření: +/- 10 ppm.
Senseair K30 CO2:
- rozsah měření: 400 až 5 000 ppm,
- přesnost měření: +/- 30 ppm.

Elektrochemické senzory CO₂

Elektrochemické senzory CO₂, někdy označované jako GSE či EC, se v dřívějších dobách využívaly hlavně v průmyslových aplikacích, protože poskytovali 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. Navíc když moderní NDIR senzory již také umožňují přesně měřit i vysoké koncentrace, tak používání CO₂ chemických senzorů se výrazně omezilo jen na univerzální příruční přenosná měřící zařízení, kde snadnou výměnou "měřící patrony" opakovaně životnost senzoru prodlužovat.

Základní princip funkce spočívá ve vytváření elektrického signálu úměrného koncentraci CO₂ vlivem reakce molekul měřeného plynu s elektrolytem uvnitř senzoru. Elektrochemický senzor tak v principu své funkce se skládá z nejméně dvou elektrod ( měřící 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. Elektrody jsou vyrobeny ze speciálního materiálu, který má katalytické vlastnosti, což umožňuje určité požadované chemické reakce mezi měřeným plynem a elektrolytem.

Základní provedení s dvěma elektrodami (měřicí elektroda a protielektroda) 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, v může vést k produkci nepoužitelných měřicích signálů nebo v nejhorším případě chemická reakce v senzoru, který jde 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 měřící elektrodě, kterou lze korigovat pomocí senzoru zlepšení vnitřní kontroly. To výrazně zlepšuje přesnost měření a současně vede k delší životnosti.

Příklady současných GSE/EC senzorů:

DrägerSensor XS EC CO2:
- rozsah měření: 0,01 až 5 Vol.% = 100 až 50 000 ppm,
- rozlišení měření: 100 ppm,
- přesnost měření: +/- 20% měřené hodnoty.

Polovodičové senzory CO₂

Polovodičové senzory CO₂, označované jako MOX či MOS, najdete zejména v levných měřících zařízeních nebo někdy jen indikátorech pro obytné místnosti a kanceláře. Zařízení využívající polovodičové senzory dost často nemají zobrazení konkrétní hodnoty koncentrace, ale jen ukazují například indikačními LED diodami prostředí vyhovující, již mírně zamořené, nevyhovující apod.

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. Tím se vyhodnotí i změna koncentrace CO₂. Někdy se však přímo neměří vliv CO₂, ale vypočítává ekvivalentní koncentrace CO₂ z naměřené koncentrace H₂, což je v praxi daleko přesnější metoda.

Příklad provedení MOX/MOS polovodičových senzorů plynů.

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. I když v tomto systému polovodičových senzorů s intenzivně pracuje na vylepšení vlastností, takže kvalita měření se postupně v budoucnu může velmi zlepšovat.

Příklady současných MOX senzorů CO₂:

Sensirion SGP30 - měří CO₂ jako ekvivalent koncentrace H₂:
- rozsah měření: 0,04 až 6 Vol.% = 400 až 60 000 ppm,
- rozlišení měření: 1 až 30 ppm (v závislosti, kde se v širokém rozsahu měří),
- přesnost měření: +/- 20% měřené hodnoty.

Závěr

Infračervené senzory oxidu uhličitého jsou dnes nejběžnější systém pro měření jeho koncentrace. Moderní provedení již i eliminovalo dřívější omezení v malém měřícím 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. V praxi je však vhodné zvolení měřícího rozsahu podle konkrétní aplikace, protože provedení s velkým rozsahem až do 50 000 ppm mohou mít rozlišení jen na cca 100 ppm, zatímco provedení s 10x nižším rozsahem do 5 000 ppm už i rozlišení na 1 ppm.

Pole působnosti pro elektrochemický systém měření CO₂ již prakticky zůstal jen v oblasti přenosných profesionálních systémů, kde se využívá jednoho měřícího přístroje, které lze vybavit různými vyměnitelnými elektrochemickými měřícími "patronami" pro různé plyny. Takový systém například nabízí společnost Dräger pod označením Dräger X-am 7000, kde ve stejném uživatelském přístroji lze vždy vložit současně až 5 z 36 nabízených senzorových "patron", každou určenou pro jiný typ plynu nebo snímací rozsah.

Příklad přenosného měřící zařízení Dräger X-am 7000, které lze libovolně osadit různými měřícími senzory - patronami pro různé plyny.

Do budoucna však mohou významně zasáhnout MOX polovodičové senzory, protože se předpokládám, že vývoj materiálů vhodných pro kontakt s polovodičovou strukturou, které dobře reagují na CO₂, určitě dost postoupí.

V příštích dalších dílech seriálu o kvalitě vzduchu se pak budeme věnovat praktického měření CO₂ a také vlivu vlhkosti vzduchu na dýchací pohodu v místnosti.