Jste zde

Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 11. principy TVOC/VOC senzorů

Antonín Vojáček, 6. Říjen 2020 - 14:08

Na jakém principu pracují různé typ VOC/TVOC senzorů? A jaké díky tomu mají provozní vlastnosti? V článku se dozvíte jaké jsou i základní výhody a nevýhody každého principu a příklady výrobců a typů.

V minulém díle "Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 10. TVOC" jsem si přiblížili okolnosti, proč je zajímavé měřit organické těkavé látky VOC, resp. jejich celkovou složku TVOC. Dnes se blíže podíváme, jak a čím TVOC konkrétně měřit, tedy jaké principy senzorů se pro různou oblast praxe a využití. Každý princip měření VOC/TVOC se totiž poměrně dost odlišuje svými provozními vlastnostmi.

Principy měření TVOC

Pro měření organických těkavých látek se v zásadě využívají následující 3 typy:

MOS/MOX senzory
PID senzory
Elektrochemické senzory

Existuje více principů, jako např. infračervené kamerové senzory, ale ty nejsou zatím zcela masově používaném, takže se v tomto článku nebudu dále zabývat a trochu si popíšeme obecnou funkci a možnosti výše uvedených 3 typů.

MOS / MOX senzory

MOS či MOX senzory plynů využívají 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 atd.). Na povrchu tohoto materiálu se vytvoří ve vzduchu rovnovážný stav s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší a způsobí změnu vodivosti. Ta je elektricky měřena a dále přepočítávána na hodnotu koncentrace. Pro některé plyny je tato snímací vrstva vytápěná na teploty 200°C až 450°C. Vlastnosti materiálu tvořící snímací plošku je pak hlavním klíčem přesnosti a citlivosti senzoru.

Princip funkce MOS/MOX senzorů TVOC je založen na změně odporu měřící plošky způsobený chemickou reakcí VOC látek s molekulami kyslíku.

MOS/MOX senzory jsou obecně uživatelsky nenáročné a lze jej velmi dobře miniaturizovat a masově vyrábět. Z pohledu měření koncentrace TVOC jsou však MOS/MOX senzory velmi často využívány právě pro různé komerční "krabičky" interiérové kvality vzduchu IAQ, kde nevadí, že princip nedovoluje detekovat přímo jednotlivé VOC látky, ale jen jejich směs. Tedy přesněji samotný senzor uvnitř neměří ani tu celkovou směs VOC, ale jen obvykle koncentraci ethanolu (případně ještě i vodíku H₂), pro které existují vhodné snímací materiál oxidu kovu, jejichž hodnoty jsou následně matematicky algoritmy ve výpočetním procesoru přepočítávány na ekvivalentní koncentraci TVOC v jednotkách ppb, či dnes stále častěji spíše na tzv. VOC indexu.

Jde o to, že z principu své funkce MOS/MOX senzory umí ethanol dostatečně přesně měřit a zároveň bylo pokusy zjištěno, že průběh koncentrace ethanolu dostatečně aproximuje / odpovídá průběhu koncetrace směsi 40 VOC látek, tzv. VOC mix (n-octane + m-xylene) dle standard ISO 16000-29:2014. V důsledku tak MOS/MOX senzory pro TVOC jsou vlastně jen senzory ethanolu, jejichž výstup / výsledky měření jsou kalibrovány / přepočítávány na ekvivalent koncetrace TVOC. Ke kalibrace se obvykle využívá plyn isobutylen nebo i opět přímo ethanol, který je z pohledu detekce TVOC dle studie Mølhave et al. definují “Typical IAQ Mix” 22 VOC látek nejčastěji se vyskytující s pro v běžných místnostech (v bytových a kancelářských prostorách) opět dostatečně reprezentativní.

Výhody MOS/MOX:

miniaturní rozměry (jednotky milimetrů),
dostatečný rozsah do cca 60 000 ppb = 60 ppm,
nízká cena a zcela bezúdržbový provoz,
dlouhá životnost (i více než 5 let, měření nedegraduje funkci senzoru).

Nevýhody MOS/MOX:

měří jen ekvivalent koncetrace TVOC (např. z koncentrace ethanolu) = měří jen "přibližně",
menší přesnost než PID i elektrochemické senzory,
malá rychlost odezvy měření než PID i elektrochemické (cca desítky minut).

Příklady výrobců / typů MOS TVOC senzorů:

PID senzory

Princip foto-ionizačních detektorů (PID) je založený na měření počtu excitovaných iontů molekul ionizovaných plynů vlivem energie dodané fotony ultrafialového záření. Vzniklé kladné a záporné ionty jsou pak sbírány na měřících elektrodách, kde generují elektrický signál. Ten je následně zpracován a elektricky zesílen v zesilovači. Velikost signálu pak je kalibrována tak, aby odpovídala koncentraci VOC v ovzduší daného měřeného místa. V případě zapojení do digitálního měřícího zařízení se následně signál digitalizuje a přepočítává v nadřazeném MCU na hodnoty ppm.

Ultrafialové záření se generuje speciálními UV lampami, kterou jsou ocejchované v hodnotách ionizační energie v jednotkách eV (elektronVoltů), které ozářeným molekulám plynu dodávají. Běžně jsou k dispozici UV lampy poskytující ionizační energii 9,8 / 10,6 nebo 11,7 eV. Molekuly plynu procházející generovaným světlem jsou 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 IPA s ionizační energií 10,1 eV). 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.

Princip funkce PID optického měření koncentrace VOC.

Z pohledu VOC látek tak lze PID princip využít jak pro měření / detekci jednotlivých VOC látek, tak i směs TVOC. Vše hlavně závisí na vhodně zvolené typu UV lampy a kalibraci. V případě TVOC provedení se obvykle ke kalibraci využívá plyn isobutylen nebo nějaká pro daný účel konkrétně vytvořená směs.

V porovnání s MOS/MOX senzory i případně elektrochemickými senzory je pak u PID senzorů velká výhoda ve relativně velmi krátké odezvě měření v řádu desetin nebo max. několika sekund a také v téměř nelimitovaném měřícím rozsahu koncentrací. Vysoké koncentrace či překročení měřícího rozsahu PID totiž nezpůsobí jeho zničení či zkrácení jeho životnosti, jako je to právě u elektrochemických senzorů. To je dáno bezkontaktním optickým principem měření, kdy plyn při měření přímo nereaguje s jinou látkou.

Nevýhodou je životnost senzoru je dána životností samotné UV lampy generující měřící záření. Negativní vlastnost v podobě vlivu teploty a vlhkosti, která vytváří rušivé signálové pozadí a zamezuje UV světlo v přístupu k plynu, se dnes již přímo v senzoru kompenzuje současným měřením teploty a vlhkosti analyzovaného vzduchu a zpracováním ve vestavěném MCU.

Výhody PID:

mohou měřit koncentraci jednotlivých VOC i jejich směs,
větší přesnost / rozlišení měření než MOS senzory (jednotky ppb) ,
velký měřící rozsah koncentrací od cca 1 ppb až do 10 000 ppm (dle provedení),
velmi rychlá odezva senzoru (jednotky sekund).

Nevýhody PID:

větší rozměry než MOS senzory (z důvody velikosti lampy),
menší životnost než MOS senzory (cca 3 až 5 let z důvodu degradace lampy),
při dlouhodobém použivání je nutné údržba (měření degraduje funkci senzoru).
vyšší cena než MOS senzory.

Příklad výrobců / typů PID VOC senzorů:

Elektrochemické senzory

Elektrochemické senzory plynu jsou jednou z nejstarších známých technologií pro měření koncentrace plynů a využívají principu elektrochemických článků. U elektrochemických senzorů existují různé základní principy: potenciometrické senzory, pokud se měří rozdíl potenciálů, nebo ampérometrické, pokud se měří el. proud redoxní (oxidačně-redukční) reakce. Elektrochemická reakce je způsobena přenosem náboje z měřící elektrody na elektrolyt, který může být pevný, gelový, kapalný nebo plynný. Proces je pak založen na chemické reakci molekul plyn na elektrodě a přenosu nábojů v elektrolytu, což produkuje vnitřní el. proud úměrný koncentraci plynu podle Nernstova zákona pro elektrochemické reakce. Pro základní princip jsou vyžadovány vždy alespoň dvě elektrody, ale v dnešní době většina ampérometrických senzorů pro měření na nízkých úrovních koncentrací obsahuje tři elektrody (hlavní měřicí / pracovní elektrodu, měřící protielektrodu a referenční elektrodu). Někteří výrobci také přidávají čtvrtou elektrodu pro monitorování fyzických změn a driftu.

Elektrochemické senzory jsou svými rozměry, cenou i spotřebou cca odpovídá PID senzorům. Jsou tedy větší než moderní MOS/MOX senzory. Svým rozlišením (desítky ppm) i rychlostí odezvy (desítky sekund) jsou na tom lepší než MOS/MOX senzory, ale horší než PID senzory. Hlavní nevýhodou je však obvykle velmi omezený měřící rozsah daný použitím typem elektrolytu a malá odolnost proti přetížení (překročení měřícího rozsahu), kdy se mohou i nevratně poškodit.

Příklad porovnání výstupu elektrochemického senzoru formaldehydu (koncentrace v ppb) a MOX TVOC senzoru (kvalita vzduchu jako VOC index).

Z pohled měření / detekce VOC jsou elektrochemické senzory, na rozdíl od MOS/MOX senzorů, které umí detekovat jen celkovou směs TVOC, obvykle realizovány jen pro konkrétní plyny (např. formaldehyd či ethylen oxid). Tedy se obvykle nepoužívají jako celkové snímače kvality vzduchu. Vzhledem k tomu, že obecně elektrochemické senzory mají v porovnání s principy MOS a PID nekratší životnost a také obvykle nejmenší měřící rozsah, jsou obvykle využívány jen pro specializované průmyslové nebo kalibrační přístroje detekce konkrétních VOC látek. Například Alphasense elektrochemický senzor ethylenoxidu je vhodný pro aplikace fumigace určitých zemědělských produktů a sterilizace lékařských zařízení.

Výhody elektrochemických senzorů:

umí přímo měřit koncentrace konkrétních VOC (které neumí PID ani MOS),
větší přesnost / rozlišení měření než MOS senzory (desítky ppb) ,
rychlejší odezva senzoru než MOS senzory (cca jednotky minut).

Nevýhody elektrochemických senzorů:

větší rozměry než moderní MOS senzory (cca stejné jako PID),
menší rozsah měření koncentrací než MOS i PID senzory,
menší životnost než MOS i PID senzory (cca 1 až 2 roky než se vyčerpá elektrolyt),
vyšší cena než MOS senzory (cca stejná jako PID).

Příklady výrobců / typů VOC senzorů:

Alphasense Exotics

Závěr

Z výše uvedeného je patrné, že i když elektrochemické senzory organických těkavých látek tu byly nejdříve, jejich omezení v životnosti a měřícím rozsahu je prakticky odsoudily na použití jen v profesionální oblasti měření, kde tyto omezení tolik nevadí (školený uživatel si jich je vědom) a naopak se velmi hodí přesnost, poměrně rychlá reakce a velká selektivnost při měření některých konkrétních VOC. Hodí se tedy pro profesionální ruční přístroje.

Naopak rychlý vývoj technologie integrovaných miniaturních odporových senzorů na bázi oxidu kovu MOS/MOX je v posledních letech dostal na čelo použití v oblasti spotřebních a dlouhodobých kontrolních snímačů / detektorů kvality vzduchu IAQ pro domácí i komerční prostory. Zde jejich zcela bezúdržbový provoz a dlouhá životnost hraje hlavní prim a z pohledu přesnosti měření obvykle zcela dostačují potřebě jen porovnávat celkovou kvalitu vzduchu mezi jednotlivými dny.

PID senzory jsou pak někde mezi oběma výše uvedenými skupinami a využívají se jak v oblasti profesionálního měření koncentrací jednotlivých VOC látek i jejich konkrétních směsí prostřednictvím příručních přístrojů, tak díky dnes již i poměrně dlouhé životnosti UV lampy (až 5 let) i v oblasti dlouhodobého přesného měření VOC s rychlou reakcí na změny, například pro průběžnou kontrolu výskytu konkrétních VOC látek při průmyslové či zpracovatelské výrobě.

V příštím díle se podíváme na příklad výsledků měření VOC běžnými MOS/MOX senzory v domácím / kancelářském prostředí a také co konkrétně znamenají hodnoty tzv. VOC indexu či CO2ekv.