Kohlendioxid (CO2) in der Luft wird normalerweise in Teilen pro Million (ppm) gemessen. Bei 1.000 ppm CO2 würde ein Luftvolumen mit einer Million Luftmolekülen eine Mischung aus 999.000 Luftmolekülen und 1.000 CO2-Molekülen enthalten.
Das Luftvolumen, das erforderlich ist, um eine Million Luftmoleküle zu enthalten, wird durch die Lufttemperatur und den Luftdruck, auch barometrischer Druck genannt, beeinflusst. Wenn der Druck abnimmt, nimmt das Volumen zu, das für eine Million Luftmoleküle erforderlich ist. Bei der Temperatur verhält es sich umgekehrt. Wenn die Temperatur sinkt, verringert sich das Luftvolumen, das benötigt wird, um eine Million Moleküle zu enthalten. Obwohl das Luftvolumen von Temperatur und Druck beeinflusst wird, wird die CO2-Konzentration nicht beeinflusst. Wenn man mit 1.000 ppm CO2 begonnen hat, dann hat man trotz der Änderungen des Luftvolumens auch am Ende 1.000 ppm CO2.
Die gebräuchlichsten CO2-Sensoren sind unter dem technischen Begriff Non-Dispersive InfraRed (NDIR) bekannt. Ein NDIR-CO2-Sensor strahlt Infrarotlicht durch eine Gasprobe in einer Probenkammer. Empfindliche Fotodetektoren messen die Intensität des Infrarotlichts, nachdem es die Gasprobe durchquert hat. CO2-Moleküle sind für Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 4,26 Mikrometern undurchlässig, die übrigen Luftmoleküle dagegen nicht. Daher wird die Intensität des Infrarotlichts proportional zur Anzahl der vorhandenen CO2-Moleküle abgeschwächt. Die Messung der resultierenden Lichtintensität gibt Aufschluss über die Anzahl der vorhandenen CO2-Moleküle.
Die Größe der NDIR-Probenahmekammer ist festgelegt und zur Atmosphäre hin offen, so dass Luft ein- und ausströmen kann. Wie oben erläutert, wird die Anzahl der Luftmoleküle in einem bestimmten Volumen von der Temperatur und dem Luftdruck beeinflusst, nicht aber die CO2-Konzentration. Bei niedrigem Druck oder hohen Temperaturen befinden sich weniger Luftmoleküle in der Probenkammer, so dass auch weniger CO2-Moleküle vorhanden sind, obwohl sich die ppm des CO2 nicht verändert haben. Weniger CO2-Moleküle täuschen" dem Sensor vor, dass die CO2-Konzentration niedriger ist als sie tatsächlich ist. Bei hohem Druck oder niedrigen Temperaturen befinden sich mehr Luftmoleküle in der Probenkammer und mehr CO2-Moleküle, obwohl sich die CO2-Konzentration nicht geändert hat. Mehr CO2-Moleküle täuschen" dem Sensor vor, dass die CO2-Konzentration höher ist als sie tatsächlich ist. Daher ist eine CO2-Sensorkalibrierung nur bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Luftdruck genau.
Berechnung der Auswirkungen von Temperatur und Luftdruck auf die CO2-Messung
Die folgende, aus dem idealen Gasgesetz abgeleitete Formel setzt Änderungen des Luftvolumens mit Temperatur, Druck und der Anzahl der vorhandenen Moleküle in Beziehung:
ppm CO2 korrigiert = ppm CO2 gemessen * ((Tgemessen*Pref) / (pgemessen*Tref))
- pmeasured = Aktueller Druck, in der gleichen Einheit wie der Referenzdruck (nicht auf Meereshöhe korrigiert)
- Tref = Referenztemperatur, in der Regel 25°C, 77°F, umgerechnet in absolut (298,15 für °C, 536,67 für °F)
- Tmeasured = Aktuelle absolute Temperatur, °C + 273,15, °F +459,67
- pref = barometrischer Referenzdruck, normalerweise Meereshöhe, 29,92 in Hg, 760 mm Hg, 1013,207 hPa oder 14,6959 psi
Tabelle 1 zeigt anhand der obigen Formel des idealen Gasgesetzes, wie sich die unkompensierte CO2-Messung bei Temperaturen von 32 °F bis 110 °F verändern würde. Die Ausgangsbedingungen sind 1.000 ppm CO2, 77°F und barometrischer Druck auf Meereshöhe. Wie in Tabelle 1 zu sehen ist, schwankt die CO2-Konzentration um 150 ppm.
Der barometrische Druck wird direkt von der Höhe beeinflusst, und Tabelle 2 zeigt anhand der Formel des idealen Gasgesetzes, wie sich die unkompensierte CO2-Messung bei Höhen von 1.000 bis 10.000 Fuß ändern würde. Die Ausgangsbedingungen sind 77°F und 1.000 ppm CO2 auf Meereshöhe. Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, schwankt die CO2-Konzentration um 349 ppm.
Wettereinflüsse auf Luftdruck- und CO2-Messungen
Die in unsere Atmosphäre eindringende Wärme erzeugt Wettermuster, und diese Muster beeinflussen den Luftdruck, indem sie Hoch- und Tiefdrucksysteme bilden. Schnell ziehende Stürme können den atmosphärischen Druck und die effektive Höhe in nur wenigen Minuten drastisch verändern.
Etwa 15 Meilen vom BAPI-Hauptsitz entfernt befindet sich eine internetfähige Wetterstation an den Klippen des Mississippi oberhalb der Kleinstadt DeSoto. Ein Blick auf die historischen Daten dieser Wetterstation von 2003 bis 2011 zeigt den höchsten Druck, den niedrigsten Druck und die größte eintägige Druckschwankung in Tabelle 3.
Wenn der tatsächliche CO2-Gehalt auf Meereshöhe 1.000 ppm betragen würde, dann zeigt Tabelle 3, wie hoch die gemessene CO2-Konzentration in DeSoto an diesen Tagen wäre. Vom 15. Januar 2005 bis zum 26. Oktober 2010 änderten allein die Wetterverhältnisse die CO2-Messung um 75 ppm, was der gesamten Genauigkeitsspezifikation für einen typischen NDIR-CO2-Sensor entspricht.
An einem einzigen Tag, dem 18. Januar 2005, veränderten die Wetterbedingungen die CO2-Messung um 35 ppm, was fast 50 % der spezifizierten Genauigkeitsspezifikation eines typischen NDIR-CO2-Sensors entspricht.
Der kombinierte Einfluss von Temperatur und Luftdruck auf die CO2-Messung
Temperatur und Luftdruck beeinflussen die CO2-Messung sowohl einzeln als auch in Kombination. Tabelle 4 zeigt die gemessene CO2-Konzentration für den Bereich der in DeSoto von 2005 bis 2010 aufgezeichneten barometrischen Drücke zusammen mit Temperaturen von 50 bis 90°F.
Wenn die tatsächliche CO2-Konzentration bei 77°F und auf Meereshöhe 1.000 ppm beträgt, würde die gemessene CO2-Konzentration in den verschiedenen Temperatur- und Luftdruckbereichen um 161 ppm schwanken. Diese Abweichung ist größer als die angegebene Genauigkeit des NDIR-CO2-Sensors.
Dynamische CO2-Messung Kompensation
Aufgrund der sich ständig ändernden Natur des barometrischen Drucks und der Temperatur und ihrer Auswirkungen auf die CO2-Messung ist die einzige Möglichkeit, mit einem NDIR-Sensor eine genaue CO2-Messung zu erhalten, die Kompensation von Temperatur und barometrischem Druck. Aus diesem Grund haben alle BAPI-CO2-Sensoren einen eingebauten Luftdrucksensor und einen Temperatursensor.
Alle acht Sekunden nimmt der BAPI-Sensor einen CO2-Messwert auf und kompensiert diesen Wert dann auf der Grundlage der aktuellen Temperatur und des barometrischen Drucks. Das ist ein Grund, warum die CO2-Sensoren von BAPI die genauesten in der HLK/R-Industrie sind. Außerdem muss ein HLK-Techniker keine wertvolle Zeit damit verbringen, den Höhenwert für den Standort manuell in jeden einzelnen Sensor einzugeben, wenn er installiert wird. Dies macht den BAPI-CO2-Sensor zu einem der am einfachsten zu installierenden Sensoren und spart Zeit und Geld.
Wenn Sie weitere Fragen haben, wenden Sie sich bitte an Ihren BAPI-Vertreter.
