Nowe czujniki CO2 Infineon XENSIV PAS

Im wyższa zawartość CO₂ w budynku, tym mniej komfortowy dla przebywających w nim osób. W słabo wentylowanych pomieszczeniach stężenie gwałtownie wzrasta. Na przykład, na czterech metrach kwadratowych powierzchni zajmowanej tylko przez jedną osobę, poziom CO2 wzrasta z 500 ppm (0,05%) do ponad 1000 ppm (0,1%) w zaledwie 45 minut. Przy takim stężeniu może powodować to bóle głowy, senność i słabą koncentrację. Od 2000 ppm (0,2%) wpływa nawet na zdolności poznawcze ludzi, a przy jeszcze większych stężeniach istnieje znaczne ryzyko dla zdrowia (rys. 1).

 

Rys. 1. Stężenie dwutlenku węgla powyżej 2000 ppm znacząco wpływa negatywnie na funkcje poznawcze człowieka

Aby monitorować i kontrolować jakość powietrza w pomieszczeniach można wykorzystać innowacyjne czujniki CO₂, takie jak XENSIV PAS CO₂ (rys. 2) firmy Infineon. Sensory te zapewniają dokładne pomiary koncentracji, przy niewielkim koszcie i małych wymiarach. Pozwalają zapewnić lepsze warunki życia i pracy.

 

Rys. 2. Czujnik CO2 z rodziny XENSIV PAS jest produkowany w obudowie o wymiarach 13,8×14×7,5 mm

Federalna Agencja Środowiska Niemiec i ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) opublikowały zalecenia, że w salach lekcyjnych i biurach poziom CO₂ nie powinien przekraczać 1000 ppm. Dla porównania, na świeżym powietrzu (na zewnątrz), stężenie dwutlenku węgla wynosi 400 ppm. Czujniki CO₂ mogą służyć do pomiaru stężenia dwutlenku węgla, a tym samym jakości powietrza w pomieszczeniach (rys. 3). Jednak, aby monitorowanie jakości powietrza stało się standardem, potrzebne są niezawodne i przystępne cenowo sensory. Obecnie istnieją dwie opcje: czujniki dokładne, ale nieporęczne i drogie lub małe, ale niedokładne. To może zmienić nowy XENSIV PAS, zapewniając dokładne pomiary przy małych wymiarach i niewielkiej cenie.

 

Rys. 3. Zmiana poziomu CO2 w jednej z sal konferencyjnych Infineona w ciągu tygodnia pracy

Oszczędność energii i kosztów

Kontrola jakości powietrza w budynkach ułatwia oszczędzanie energii związanej z klimatyzacją i wentylacją, co jednocześnie zmniejsza związane z tym koszty i emisję CO₂. Kraje takie jak USA wydają ponad 400 mld dol. rocznie na energię do zasilania budynków. Stanowi ona około 74% energii elektrycznej wytwarzanej w USA i 40% (rys. 4) łącznych wydatków na energię w tym kraju. Dzięki skutecznie działającej automatyce budynku obejmującej również wentylację typu DCV – sterowaną zapotrzebowaniem (demand-controlled ventilation), zużycie można zmniejszyć nawet o 20%. A jeśli budynki zostaną zaprojektowane i zbudowane od początku pod kątem DCV, ich efektywność energetyczną można zwiększyć nawet o 30% w stosunku do klasycznych systemów HVAC.

 

Rys. 4. Energia zużywana na potrzeby budynków w USA i Europie w podziale na obszary, w quad-BTU (quadrillion British thermal unit)

Zastosowania czujników CO₂

Informacje dostarczane przez sensory mogą być używane na wiele sposobów. Systemy DCV wykorzystują je do automatycznego ustalania proporcji mieszania powietrza znajdującego się w pomieszczeniu do zewnętrznego, aby utrzymać stężenie dwutlenku węgla poniżej określonej wartości, na przykład 1000 ppm zgodnie z wytycznymi ASHRAE. W salach lekcyjnych, biurach, salach gimnastycznych i barach, takie czujniki mogą wykrywać i sygnalizować złą jakość powietrza i wymuszać przewietrzanie.

Małe sensory nadają się m.in. do inteligentnych asystentów domowych i urządzeń IoT, takich jak oczyszczacze powietrza czy termostaty. W przyszłości mogą pojawić się inne zastosowania, takie jak monitorowanie niemowląt, kontrola jakości żywności, wspomaganie treningów lub w rolnictwie.

Ograniczenia istniejących rozwiązań

Aktualnie czujniki NDIR (niedyspersyjne czujniki podczerwieni) są często wykorzystywane w automatyce budynkowej. Składają się ze źródła światła podczerwonego, komory testowej, filtru oraz detektorów podczerwieni, przez co są stosunkowo duże i drogie. Chociaż zapewniają dokładne pomiary, ich duża obudowa utrudnia integrację i nie nadają się do IoT lub aplikacji inteligentnego domu.

Różnego typu zanieczyszczenia powietrza można również wykryć za pomocą sensorów eCO₂, ale w przeciwieństwie do NDIR nie dokonują one rzeczywistych pomiarów koncentracji. Zamiast tego używają algorytmów do obliczenia równoważnej wartości dwutlenku węgla i dostarczają wartości szacunkowe oparte na wielu założeniach, m.in. na podstawie tego, ile osób jest obecnych w obiekcie.

Prawdą jest, że obecnie na rynku nie ma porównywalnych rozwiązań, które zapewniają dokładne i prawdziwe pomiary oraz jednocześnie są małe i tanie.

Czujnik ze spektroskopią fotoakustyczną

Firmie Infineon udało się opracować czujnik CO₂ nowego typu oparty na spektroskopii fotoakustycznej (rys. 5) lub w skrócie PAS (photoacoustic spectroscopy) wykonany jako MEMS. Metoda pomiaru opiera się na efekcie fotoakustycznym wykorzystującym zjawisko absorpcji światła o określonej długości fali przez cząsteczki gazu. W przypadku dwutlenku węgla jest to 4,2 μm. Próbka gazu jest pobudzana za pomocą promieniowania o tej długości fali ze źródła z odpowiednim filtrem optycznym. Wywołuje to szybkie nagrzewanie, a następnie chłodzenie cząsteczek gazu i wywołuje zmianę ciśnienia, która może być rejestrowana przez detektor akustyczny zoptymalizowany pod kątem rejestracji niskich częstotliwości. Sygnał ten jest następnie mierzony za pomocą czułego detektora ciśnienia akustycznego (mikrofonu). Im jest silniejszy, tym większe jest stężenie dwutlenku węgla. Konstrukcja sensora jako MEMS zapewnia wymaganą miniaturyzację.

 

Rys. 5. Zasada pomiaru stężenia CO2 metodą spektroskop ii fotoakustycznej (PAS)

Architektura i problemy

Czujnik CO₂ firmy Infineon integruje przetwornik fotoakustyczny z detektorem, źródłem promieniowania podczerwonego i filtrem optycznym w małej obudowie. Do przetwarzania i obróbki sygnału wykorzystywany jest mikrokontroler, który jednocześnie steruje źródłem IR za pomocą MOSFET-a.

Z uwagi na małe wymiary, dużym problemem było doprowadzenie wydajności detektora do granic jego możliwości i zminimalizowanie zakłóceń, tj. odizolowanie detektora MEMS od szumu zewnętrznego, tak aby tylko zmiana ciśnienia pochodząca od CO2 w komorze została wykryta. Wymusiło to konieczność izolacji akustycznej komory absorpcyjnej oraz użycia innych rozwiązań technicznych wypracowanych przez Infineona na bazie doświadczenia w produkcji mikrofonów MEMS, np. modelowania odpowiedzi tego elementu na pobudzenie po to, aby zapewnić optymalne parametry detektora.

Zalety czujnika CO₂ MEMS

Czujnik XENSIV PAS (tab. 1) wykorzystuje bardzo czuły mikrofon MEMS firmy Infineon, który wykrywa zmiany ciśnienia pojawiające się przy oświetlaniu cząsteczek CO₂ światłem podczerwonym w komorze pomiarowej. Dzięki zintegrowanemu mikrokontrolerowi na wyjściu podaje bezpośrednio stężenie CO₂ w ppm. Do dokładnego oznaczenia wystarcza niewielka ilość gazu, stąd wielkość komory może być mała.

Sensor jest 4 razy mniejszy (14×13,8 ×7,5 mm) i 3 razy lżejszy (2 g) niż typowy czujnik NDIR, co daje ponad 75% oszczędności miejsca na PCB. Jest produkowany w wersji SMD i dostarczany jako standardowy element taśmowany na rolce. To spora zaleta, bo większość komercyjnie dostępnych NDIR-ów jest dostarczana w wersji ze złączem, a więc nie nadaje się do montażu automatycznego. Krótko mówiąc, nowy detektor zapewnia dużą dokładność przy małych wymiarach, co czyni go właściwym wyborem do aplikacji sterowania HVAC (DCV).

Dostępność i wsparcie projektowe

Czujniki PAS są produkowane przez firmę Infineon we własnym zakresie, co gwarantuje ich wysoką jakość. Producent planuje kontynuować rozwój technologii PAS w celu dalszego zmniejszania wymiarów i poprawy zdolności detekcyjnych. Jako wsparcie dostępne są zestawy projektowe do testowania czujników, płytki ewaluacyjne, biblioteki oprogramowania oraz obszerna dokumentacja, w tym noty aplikacyjne, aby ułatwić tworzenie aplikacji.

Infineon
www.infineon.com