Революция в технологии датчиков CO₂

Введение

Повышение экологической сознательности влияет не только на то, как люди живут, куда отправляются в путешествие и что едят, но и на то, как проектируют и обустраивают здания. Современные дома стремятся к максимальной энергоэффективности для минимального использования природных ресурсов, которые в основном расходуются для отопления. Одно из следствий этого процесса — тенденция к созданию воздухонепроницаемых зданий, которые имеют лучшую изоляцию, чем старые постройки. Воздухонепроницаемость зданий уменьшает воздухообмен через крыши, окна, трещины и т. д., что отрицательно сказывается на качестве воздуха внутри. Снижение качества воздуха в помещении, в свою очередь, негативно отражается на производительности и благополучии людей. В конечном итоге для этого требуется активная система вентиляции, которая обеспечивает регулярный приток свежего воздуха для здорового и продуктивного климата в помещении. А поскольку системам вентиляции необходимо большое количество энергии для кондиционирования и подачи свежего воздуха, важно обеспечить высокую энергоэффективность систем, что стало возможным благодаря планированию вентиляций, регулирующих воздухообмен в зависимости от состояния окружения.

Люди становятся основным источником повышенной концентрации CO₂ и других загрязнений в помещениях, поэтому потребность в свежем воздухе зависит от количества людей, находящихся в комнате, и их деятельности (например, приготовление пищи, спорт, отдых). Если люди находятся в закрытых помещениях, концентрация CO₂ начинает расти, а качество воздуха, соответственно, понижаться. Поэтому концентрацию углекислого газа используют как индикатор качества воздуха и как контрольный параметр для систем вентиляции: на основе измерения концентрации в помещении может быть при необходимости включен воздухообмен, что обеспечивает здоровую и комфортную среду и высокую энергоэффективность.

Компания Sensirion произвела революцию на рынке датчиков CO₂, представив новый прибор SCD4x (рис. 1), основанный на уникальной технологии PASens собственной разработки. Данная технология использует принцип фотоакустических измерений и предлагает рекордную миниатюризацию форм-фактора датчика CO₂ — 10,1×10,1×6,5 мм (по сравнению с предыдущими размерами датчиков SCD30 35×23×7 мм) без ущерба для его характеристик. Возможность такого уменьшения размеров появилась из-за того, что чувствительность датчика не зависит от размера оптической полости в отличие от принципа измерения NDIR, обычно используемого сегодня. Это позволяет клиентам добиться экономичной, гибкой и компактной интеграции и использовать детекторы CO₂ в тех местах и устройствах, где ранее не было достаточно места для установки подобных приборов. Кроме того, количество встроенных электрических компонентов удалось значительно сократить, благодаря чему удалось снизить цену в несколько раз при неизменно точных показателях. Также применение усовершенствованной технологии позволило увеличить диапазон измерения от 0 частиц на 1 млн до 40 000. Миниатюризация датчика и привлекательная стоимость открывают многочисленные новые возможности для интеграции SCD4x в новые продукты и применения с большими объемами, такими как компактные системы вентиляции, воздухообменники, зонды воздуховодов, очистители воздуха, термостаты, кондиционирование воздуха, установки и мониторы качества воздуха.

Рис. 1. Сравнение размеров SCD30 (NDIR) и SCD4x (технология PASens) [1]

Эффект повышения концентрации CO₂ в воздухе помещений

Углекислый газ является одним из центральных продуктов метаболизма человека, с помощью которого углекислые гидраты, жиры и белки преобразуются при поступлении кислорода, в частности, в СО₂. Хотя он быстро растворяется на открытом воздухе, концентрация CO₂ может интенсивно увеличиваться в закрытых помещениях. В часто посещаемых многолюдных местах, вроде помещений для семинаров или учебных аудиторий, или в небольших помещениях, таких как, например, кабина автомобиля, концентрация CO₂ может всего за несколько минут увеличиться в 10 раз. В то время как концентрация CO₂ в атмосфере составляет в среднем около 400 ppm (частей на миллион), в помещении при недостаточной вентиляции может достигать 5000 ppm. Накопление СО₂ затрудняет обмен веществ; уже при концентрации CO₂ 1000 ppm могут возникнуть сонливость и другие нарушения.

Из-за негативного воздействия углекислого газа на метаболизм человека имеет смысл отслеживать количество CO₂ в окружающем воздухе. Для этого подходит метод селективного возбуждения относительных колебаний отдельных атомов, которое достигается путем поглощения инфракрасного света. На рис. 2 показаны различные полосы поглощения типичных газов, встречающихся в атмосфере.

Рис. 2. Полосы поглощения типичных газов, встречающихся в атмосфере [2]

На графике видно, что по сравнению с другими газами СО₂ имеет очень выраженную линию поглощения на длине волны 4,26 мкм, что хорошо подходит для селективного измерения. В отличие от газовых датчиков на основе NDIR, таких как SCD30, фотоакустические датчики измеряют не количество проходящего света, а количество света, поглощенного газом. Это делается косвенно, с помощью фотоакустического эффекта, который обычно описывает увеличение давления после поглощения света в газе.

Возбужденные ИК-излучением молекулы передают колебательное возбуждение другим молекулам, что приводит к увеличению кинетической энергии, то есть к локальному повышению температуры. В замкнутом объеме увеличение кинетической энергии приводит к увеличению давления, которое может быть обнаружено датчиком давления. Общая конструкция нерезонансного фотоакустического датчика газа показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки нерезонансного фотоакустического датчика газа [1]

Технология PASens

Ключевыми компонентами фотоакустического датчика являются преимущественно закрытый измерительный объем, освещаемый узкополосным инфракрасным светом, микрофон для обнаружения изменений давления в измерительном объеме и отверстие измерительной ячейки во внешнее пространство, через которое происходит газообмен с окружающей областью. Узкополосный ИК-свет генерируется широкополосным излучателем, пропускающим излучаемый свет через оптический полосовой фильтр.

При помощи фотоакустического датчика, такого как SCD4x, генерируется сигнал, который определяет концентрацию CO₂ следующим образом:

1. Источник ИК-света включен и излучает узкополосный ИК-свет в измерительный объем. Это приводит к колебательным возбуждениям измеряемых молекул газа, в данном случае CO₂.
2. Через короткое время (обычно несколько миллисекунд) колебания стихают, что приводит к повышению температуры, а следовательно, и к увеличению давления.
3. По сравнению со временем возбуждения и снятия возбуждения молекул газа давление внутри измерительной камеры быстро уравновешивается, так что повышение давления может быть зарегистрировано при помощи очень чувствительного микрофона, подключенного к измерительной камере.
4. Через несколько десятков миллисекунд источник света отключается, в результате температура и давление измерительной ячейки уравновешиваются с окружающей средой, и система возвращается в исходное состояние.

Для увеличения отношения сигнал/шум генерируемого сигнала вышеуказанный цикл измерения повторяется несколько раз. С этой целью источник света модулируется, а генерируемые периодические изменения давления можно рассматривать как звуковые волны. В отличие от SCD30, для которого лампа накаливания была первым выбором, для SCD4x был выбран излучатель на основе MEMS, разработанный Sensirion. Его можно быстро модулировать, и он имеет лучшую долгосрочную стабильность благодаря активному управлению. Для миниатюризации и защиты датчика от воздействия окружающей среды все компоненты SCD4x устанавливаются внутри измерительной ячейки (рис. 4).

Рис. 4. Ключевые компоненты, разработанные Sensirion для технологии PASens [1]

Заключение

И снова Sensirion находится в авангарде инноваций в области экологического контроля, чтобы создавать более здоровую и продуктивную среду. Прогресс в технологии спектроскопического инфракрасного детектирования датчиков SCD30 совершенствуется благодаря миниатюризации больше чем в 8 раз и втрое увеличенному диапазону измерений у SCD4x.

SCD4x является первым датчиком CO₂ размером в 1 см³, что позволяет интегрировать его в различные устройства в домах без ущерба для производительности по сравнению с традиционными устройствами на основе NDIR-датчиков. На рис. 5 показаны примеры приложений/устройств, которые могут быть оснащены инновационным датчиком CO₂ от Sensirion.

Рис. 5. Обзор приложений в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха [1]

Новая технология для измерения параметров окружающей среды подтверждает статус эксперта Sensirion в области сенсорных технологий и скоро ожидается в продаже. Высокая степень инновационности датчика CO₂ SCD4x отмечена различными номинациями: «Лучший из датчиков» на выставке SensorsExpo‑2019, «Самый инновационный продукт» на выставке AHR2020, финалист премии AMA Innovation Award‑2020.