Kalibrierungsmethoden für ein- und zweikanalige CO2-Sensoren - Anwendungshinweis


Kohlendioxid (CO2) in der Luft wird normalerweise in Teilen pro Million (ppm) gemessen. Bei 1.000 ppm CO2 würde eine Million Luftmoleküle eine Mischung aus 999.000 Luftmolekülen und 1.000 CO2-Molekülen enthalten. Die gebräuchlichsten CO2-Sensoren sind unter dem technischen Begriff Non-Dispersive InfaRed (NDIR) bekannt. Ein NDIR-CO2-Sensor strahlt Infrarotlicht durch eine Gasprobe in einer Probenkammer (siehe Abbildung 1). Empfindliche Fotodetektoren messen die Intensität des Infrarotlichts, nachdem es die Gasprobe durchquert hat.

Abb. 1: Einkanaliger CO2-Sensor

CO2-Moleküle sind für Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 4,26 Mikrometern undurchlässig, die übrigen Luftmoleküle dagegen nicht. Die Intensität des infraroten Lichts wird also proportional zur Anzahl der vorhandenen CO2-Moleküle abgeschwächt. Die Messung der resultierenden Lichtintensität gibt Aufschluss über die Anzahl der vorhandenen CO2-Moleküle.

Sensor Drift

Die gebräuchlichste Lichtquelle für NDIR-Sensoren ist eine Glühbirne. In diesen Glühbirnen fließt ein elektrischer Strom durch einen Metalldraht und erhitzt ihn, bis er zu glühen beginnt. Der glühende Faden ist extrem heiß, und einige der Metallatome lösen sich vom Faden und fliegen im Inneren der Glühbirne umher. Die meisten dieser Atome haften wieder an der Glühwendel, wenn der Strom abgeschaltet wird, aber einige bewegen sich weit genug von der Glühwendel weg, so dass sie auf der Glasumhüllung kondensieren. Mit der Zeit verringert diese dünne Metallschicht die von der Glühbirne ausgestrahlte Lichtmenge leicht. Diese Verringerung wird vom Sensor als eine Erhöhung der CO2-Konzentration wahrgenommen. Wenn die Metallatome wieder an der Glühwendel kondensieren, können sie außerdem das Spektrum des emittierten Lichts langsam verschieben, was die wahrgenommene Infrarotlichtintensität und die CO2-Konzentration beeinflussen kann.

Automatische Hintergrundkalibrierung

Eine Möglichkeit, die Sensordrift auszugleichen, ist die automatische Hintergrundkalibrierung. Der CO2-Gehalt im Freien liegt im Allgemeinen bei etwa 400 ppm. Da der Mensch die Hauptquelle für CO2 in einem Gebäude ist, sinkt der CO2-Gehalt, wenn das Gebäude 4 bis 8 Stunden lang unbewohnt ist, auf den Außenwert. Bei der automatischen Hintergrundkalibrierung speichert der eingebaute Mikroprozessor des Sensors die niedrigste CO2-Konzentration, die alle 24 Stunden auftritt. Der Sensor geht davon aus, dass dieser niedrigste Wert der CO2-Konzentration im Freien entspricht.

Der Sensor ist auch intelligent genug, um periodisch erhöhte Messwerte zu vernachlässigen, die auftreten, wenn ein Raum über einige Tage hinweg 24 Stunden am Tag belegt ist. Sobald der Sensor 14 Tage lang Perioden mit niedriger CO2-Konzentration erfasst hat, führt er eine statistische Analyse durch, um festzustellen, ob es kleine Veränderungen bei den Messwerten der Hintergrundwerte gab, die auf eine Sensordrift zurückzuführen sein könnten. Wenn die Analyse ergibt, dass eine Drift vorliegt, wird die Sensorkalibrierung mit einem kleinen Korrekturfaktor versehen, um diese Veränderung auszugleichen. Diese automatische Kalibrierung setzt voraus, dass an mindestens drei der letzten 14 Tage CO2-Werte im Raum gemessen wurden, die für eine Stunde oder länger 400 ppm erreichen.

Der kombinierte Einfluss von Temperatur und Luftdruck auf die CO2-Messung

Eine weitere Möglichkeit, die Sensordrift zu kompensieren, ist ein Zweikanalaufbau. Bei diesem Aufbau werden ein Fotodetektor und ein Filter für die CO2-Messung verwendet und funktionieren genauso wie bei einem Einkanaldesign. Der zweite Fotodetektor und Filter dient als Referenz und verwendet eine Wellenlänge, die nicht von Luftmolekülen beeinflusst wird. Etwa einmal pro Tag misst der Sensor mit dem Referenzkanal. Jede Veränderung dieser Referenzmessung deutet auf eine Veränderung der Optik des Sensors hin, die zu einer Drift führen kann. Der Sensor korrigiert dann automatisch die CO2-Messung des ersten Kanals, um die Drift zu verhindern.

Abbildung 2: Zweikanal-CO2-Sensor

Während der Referenzkanal Veränderungen im Laufe der Zeit korrigiert, stellt eine Feldkalibrierung mit Stickstoffgas sofort die höchste Genauigkeit wieder her.

Wenn Sie weitere Fragen haben, wenden Sie sich bitte an Ihren BAPI-Vertreter.


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