Il biossido di carbonio (CO2) nell'aria viene normalmente misurato in parti per milione (ppm). A 1.000 ppm di CO2, un volume d'aria contenente un milione di molecole d'aria conterrebbe una miscela di 999.000 molecole d'aria e 1.000 molecole di CO2.
Il volume d'aria necessario per contenere un milione di molecole d'aria è influenzato dalla temperatura e dalla pressione dell'aria, detta anche pressione barometrica. Quando la pressione diminuisce, il volume necessario per contenere un milione di molecole d'aria aumenta. L'opposto è vero per la temperatura. Quando la temperatura diminuisce, il volume d'aria necessario per contenere un milione di molecole diminuisce. Sebbene il volume dell'aria sia influenzato dalla temperatura e dalla pressione, la concentrazione di CO2 non è influenzata. Se si è partiti con 1.000 ppm di CO2, si finisce con 1.000 ppm di CO2 nonostante i cambiamenti nel volume dell'aria.
I sensori di CO2 più comuni sono noti con il termine ingegneristico di Non-Dispersive InfraRed, o NDIR. Un sensore di CO2 NDIR emette luce infrarossa attraverso un campione di gas in una camera di campionamento. I fotorilevatori sensibili misurano l'intensità della luce infrarossa dopo il suo passaggio attraverso il campione di gas. Le molecole di CO2 sono opache alla luce infrarossa di 4,26 micron, mentre il resto delle molecole d'aria non lo sono. Pertanto, l'intensità della luce infrarossa diminuisce proporzionalmente al numero di molecole di CO2 presenti. La misurazione dell'intensità luminosa risultante misura il numero di molecole di CO2 presenti.
La dimensione della camera di campionamento NDIR è fissa ed è aperta all'atmosfera in modo che l'aria possa entrare e uscire. Come spiegato in precedenza, il numero di molecole d'aria in un determinato volume è influenzato dalla temperatura e dalla pressione dell'aria, ma non dalla concentrazione di CO2. A basse pressioni o alte temperature, ci saranno meno molecole d'aria nella camera di campionamento, quindi ci saranno anche meno molecole di CO2, anche se la ppm di CO2 non è cambiata. Un minor numero di molecole di CO2 "inganna" il sensore facendogli credere che la concentrazione di CO2 sia inferiore a quella reale. Ad alte pressioni o basse temperature, nella camera di campionamento sono presenti più molecole d'aria e più molecole di CO2, anche se la concentrazione di CO2 non è cambiata. Un numero maggiore di molecole di CO2 "inganna" il sensore facendogli credere che la concentrazione di CO2 sia superiore a quella reale. Pertanto, la calibrazione di un sensore di CO2 sarà accurata solo a una temperatura e a una pressione dell'aria.
Calcolo degli effetti della temperatura e della pressione barometrica sulla misurazione della CO2
La seguente formula, derivata dalla legge dei gas ideali, mette in relazione le variazioni di volume dell'aria con la temperatura, la pressione e il numero di molecole presenti:
ppm CO2 corretto = ppm CO2 misurato * ((Tmisurato*pref) / (pmisurato*Tref))
- pmeasured = pressione attuale, nelle stesse unità della pressione di riferimento (non corretta al livello del mare)
- Tref = temperatura di riferimento, di solito 25°C, 77°F, convertita in assoluto (298,15 per °C, 536,67 per °F)
- Tmisurata = temperatura assoluta attuale, °C + 273,15, °F +459,67
- pref = pressione barometrica di riferimento, solitamente al livello del mare, 29,92 in Hg, 760 mm Hg, 1013,207 hPa o 14,6959 psi
La Tabella 1 utilizza la formula della Legge dei Gas Ideali sopra riportata per mostrare come la misurazione della CO2 non compensata cambierebbe con temperature da 32 °F a 110 °F. Le condizioni iniziali sono 1.000 ppm di CO2, 77°F e pressione barometrica al livello del mare. Come si vede nella Tabella 1, la concentrazione di CO2 varia di 150 ppm.
La pressione barometrica è direttamente influenzata dall'altitudine e la Tabella 2 utilizza la formula della Legge dei Gas Ideali per mostrare come la misurazione della CO2 non compensata cambierebbe con altitudini comprese tra 1.000 e 10.000 piedi. Le condizioni iniziali sono 77°F e 1.000 ppm di CO2 al livello del mare. Come si vede nella Tabella 2, la concentrazione di CO2 varia di 349 ppm.
Effetti del tempo sulla pressione barometrica e sulla misurazione della CO2
Il calore che entra nell'atmosfera crea modelli meteorologici che influenzano la pressione barometrica formando sistemi di alta pressione e sistemi di bassa pressione. Le tempeste in rapido movimento possono cambiare drasticamente la pressione atmosferica e l'altitudine effettiva in pochi minuti.
A circa 15 miglia dalla sede del BAPI si trova una stazione meteorologica collegata a Internet sulle scogliere del fiume Mississippi sopra la cittadina di DeSoto. Esaminando i dati storici di questa stazione meteorologica dal 2003 al 2011, la pressione più alta, la pressione più bassa e la maggiore oscillazione di pressione di un giorno sono mostrate nella Tabella 3.
Se il livello effettivo di CO2 fosse di 1.000 ppm al livello del mare, la Tabella 3 mostra quale sarebbe la concentrazione di CO2 misurata a DeSoto in quei giorni. Dal 15 gennaio 2005 al 26 ottobre 2010, le sole condizioni meteorologiche hanno modificato la misurazione della CO2 di 75 ppm, ovvero l'intera specifica di accuratezza di un tipico sensore NDIR di CO2.
Nella singola giornata del 18 gennaio 2005, le condizioni meteorologiche hanno modificato la misurazione della CO2 di 35 ppm, pari a quasi il 50% dell'accuratezza specificata di un tipico sensore NDIR di CO2.
L'effetto combinato di temperatura e pressione barometrica sulla misurazione della CO2
La temperatura e la pressione barometrica influiscono sulla misurazione della CO2 sia singolarmente che in combinazione. La Tabella 4 mostra la concentrazione di CO2 misurata per la gamma di pressioni barometriche registrate a DeSoto dal 2005 al 2010 e le temperature da 50 a 90°F.
Se la concentrazione effettiva di CO2 fosse di 1.000 ppm a 77°F e al livello del mare, la concentrazione di CO2 misurata varierebbe di 161 ppm nei vari intervalli di temperatura e pressione barometrica. Questa variazione è superiore all'accuratezza specificata del sensore NDIR CO2.
Compensazione dinamica della misura di CO2
A causa della natura costantemente mutevole della pressione barometrica e della temperatura e del loro effetto sulla misurazione della CO2, l'unico modo per ottenere una misurazione accurata della CO2 con un sensore NDIR è la compensazione della temperatura e della pressione barometrica. Ecco perché tutti i sensori di CO2 BAPI sono dotati di un sensore di pressione barometrica e di un sensore di temperatura integrati.
Ogni otto secondi il sensore BAPI effettua una lettura di CO2 e compensa il valore in base alla temperatura corrente e alla pressione barometrica. Questo è uno dei motivi per cui i sensori di CO2 BAPI sono i più precisi nel settore HVAC/R. Inoltre, non è necessario che un tecnico HVAC spenda tempo prezioso per inserire manualmente il valore dell'altitudine per il luogo in cui si trova in ogni singolo sensore quando viene installato. Questo rende il sensore di CO2 BAPI uno dei più facili da installare, facendo risparmiare tempo e denaro.
Se hai altre domande, chiama il tuo rappresentante BAPI.
