Anwendungsfall Umgebungssensoren: Überwachung der Luftqualität in Innenräumen

Überwachung der Luftqualität in Innenräumen

Ronan Cooney für Mouser Electronics

Während der letzten zehn Jahre wurden bei der Sensortechnologie unablässig Fortschritte erzielt, woraus sich mehrere neue Applikationen und Anwendungsfälle ergaben. So haben sich beispielsweise die Umweltsensorik und die Überwachung der Luftqualität entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf der Luftqualität in Innenräumen liegt. Vor allem seit der COVID-19-Pandemie sind die Menschen sehr viel besorgter und sensibler geworden, was die Qualität der Luft in ihren Innenräumen angeht.

Bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen gibt es zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen, wie Kohlendioxid (CO2) und Feinstaubwerte (PM) sowie flüchtige organische Verbindungen (VOC). Trotz Fortschritten bei der Sensortechnologie ist die Überwachung der Luftqualität in Innenräumen aufgrund der Vielzahl an unterschiedlichen Messvariablen eine schwierige Aufgabe. Dies gilt insbesondere aus Sicht des Hardware-Systems, dessen Designer gezwungen sind, Kompromisse bei Leistung, Genauigkeit und Stromverbrauch einzugehen.

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit den unterschiedlichen Sensoren, die in Systemen zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen zum Einsatz kommen, den Herausforderungen des Systemdesigns und einzelnen Lösungsansätzen für die erwähnten Probleme.

Sensoren, die bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen zum Einsatz kommen

Bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen gilt es, diese drei vorrangigen Schadstoffe zu berücksichtigen: CO2, PM und VOC. Im Wesentlichen bedarf die Erfassung jedes einzelnen dieser Kontaminationsstoffe spezifischer Sensoren.
Bei CO2-Messungen kommen häufig nicht-dispersive Infrarotsensoren (NDIR), elektrochemische Sensoren oder Metall-Oxid-Halbleiter-Sensoren (MOS) zum Einsatz. Beispielsweise handelt es sich bei dem T6793 von Amphenol Advanced Sensors um einen NDIR-CO2-Sensor, der für die größtmögliche Genauigkeit bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen sorgt. Zu den erwähnenswerten Spezifikationen dieses Sensors gehören Genauigkeitswerte von ±45 ppm +3 Prozent der Messwerte im Messbereich zwischen 440 ppm und 2.000 ppm.

Im Gegensatz dazu zählt Feinstaub (PM) zu den kompliziertesten Luftkontaminanten, da er kein einheitliches Erscheinungsbild bietet und verschiedensten Quellen entstammen kann. Im Allgemeinen lässt sich PM einer dieser drei Kategorien zuordnen: Feinstaub (PM10), Feinststaub (PM2,5) und Ultrafeinstaub (PM0,1 - Partikel ≤0,1 µm im Durchmesser). Aufgrund dieser Vielfalt kommen bei PM-Sensoren viele unterschiedliche Erfassungstechniken zum Einsatz, darunter optische Partikelzähler und Volumenstreuung.

In ähnlicher Weise umfassen VOC viele verschiedene Kontaminanten, weshalb auch sie vielfältige Erfassungsmethoden notwendig machen. Zu den drei am weitesten verbreiteten Arten von VOC-Sensoren gehören Photoionisationsdetektoren, Flammenionisationsdetektoren und MOS-Sensoren. Diese Sensoren werden typischerweise mithilfe von Isobutylengas kalibriert, können jedoch abhängig vom tatsächlich gemessenen VOC ein breites Spektrum an Reaktionen bzw. Messwerten ergeben.

Neben diesen drei wichtigsten Kontaminationsstoffen stellen auch andere Faktoren wie die Temperatur oder der Feuchtigkeitsgehalt wichtige Messgrößen dar, da sie Toxine wesentlich beeinflussen.

Herausforderungen und Korrelationen der Umgebungserfassung

Angesichts der Vielfalt der verfügbaren Sensoren ist die Entscheidung, welche Sensoren für die richtige Applikation und Umgebung verwendet werden sollen, einer der schwierigsten Aspekte bei der Entwicklung von Geräten zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen. Im Wesentlichen hängt die Entscheidung für bestimmte Sensoren von zwei wesentlichen Erwägungen ab: Energie und Leistung.

Die meisten Systeme zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen verwenden einen speziellen Sensor zur Überwachung der Luftqualität zusammen mit einem Funksystem zur drahtlosen Übertragung der Sensordaten an einen zentralen Online-Hub, wo sie analysiert werden. Diese Systeme sind zumeist batteriebetrieben, um maximale Flexibilität und höchstmöglichen Nutzen sicherzustellen. Da die Batterielebensdauer enorm wichtig ist, müssen Systeme zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen insbesondere beim Stromverbrauch und der Leistung Abstriche in Kauf nehmen.

Im Normalfall bieten Umgebungssensoren eine höhere Leistung auf Kosten eines höheren Energieverbrauchs. Beispielweise sorgt eine höhere Abtastrate für eine gesteigerte Erfassung detaillierter Daten, führt jedoch zu einem signifikant höheren Energieverbrauch des Geräts. Dadurch entleeren sich Batterien schneller und haben unerwünschte Stillstände und Instandhaltungsmaßnahmen zur Folge.

Andererseits geht ein möglichst geringer Energieverbrauch häufig mit einer eingeschränkten Erfassungsleistung bzw. Verlässlichkeit der Funkkommunikation einher. Wird ein System zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen nur unzureichend mit Energie versorgt, leidet die Sensorgenauigkeit merklich.

Deshalb sorgt das ideale System zur Überwachung der Luftqualität in Innenräumen für ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Energieverbrauch, um sowohl eine annehmbare Batterielebensdauer als auch akkurate, angemessene und nützliche Daten zu liefern. Erreichen lässt sich das häufig durch die besonnene Auswahl von Bauelementen mit geringem Stromverbrauch, die intelligente Verwendung des Schlafmodus und die Entscheidung für die richtigen kabellosen Kommunikationsprotokolle für Datenübertragungen auf Basis von Applikations- bzw. Bereitstellungsstandorten.

Fazit

Wenn wir in einer Umgebung mit gesunder und unbelasteter Luft leben möchten, müssen wir in der Lage sein, die Luftqualität in unseren Innenräumen genauestens zu überwachen. Ausschließlich hochwertige und akkurate Daten führen zu wertvollen Erkenntnissen hinsichtlich der Güte unserer Atemluft. Mithilfe von wie in diesem Artikel beschriebenen Sensoren und dem richtigen Verhältnis zwischen Leistung und Energieverbrauch können wir eine Zukunft mit gesünderen Lebens- und Arbeitsumgebungen für alle Betroffenen sicherstellen.