Kohlendioxidsensoren werden in vielen Gassensoren und -detektionsgeräten eingesetzt. Sie werden häufig als CO₂-Sensoren oder CO₂-NDIR-Sensoren bezeichnet. Diese Sensoren basieren auf einer Infrarotquelle (Lampe) und einer Fotodiode, die die Absorption der Infrarotstrahlung misst und daraus die CO₂-Konzentration ableitet.
Vorteile |
Nachteile |
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✅ Niedrige Kosten : Größe und Kosten haben sich in den letzten 5 Jahren verringert, <20 $ pro NDIR-Sensor. ✅ Anwendungsgebiete : Wichtig für die Raumluftqualität, die Steuerung von Inkubatorzellen, die Hydrokultur und die Sicherheit. ✅ Lebensdauer > 5 Jahre : CO2-NDIR-Sensoren halten über 5 Jahre. |
⛔ Größe: Kann groß und sperrig werden und ist nicht so klein wie ein Dünnschicht-Halbleiter-Metalloxidsensor. ⛔ ppm oder %vol : Kann in PPM oder %vol gemessen werden. ⛔ In die Elektronik integriert : Benötigt zusätzliche Elektronik zur Integration. Der CO2-NDIR-Sensor kann einen Ausgang von 4-20 mA, UART, PWM oder 0-5 V haben. |
Was ist das Prinzip der nichtdispersiven Infrarotspektroskopie?
NDIR steht für nichtdispersives Infrarot. Es ist die am weitesten verbreitete Technologie zur CO₂-Gasmessung. Da CO₂ inert ist, können andere chemische Verfahren (wie z. B. elektrochemische Sensoren) nicht zur CO₂-Messung eingesetzt werden. Diese Sensoren funktionieren, indem sie Infrarotlicht durch ein Rohr oder einen Hohlraum aussenden, der die zu untersuchende Luftprobe enthält. Die Luft strömt auf einen optischen Filter zu, der vor einem IR-Detektor angeordnet ist. Dieser misst das durch den Filter hindurchtretende Licht.
NDIR-CO₂-Sensoren emittieren Infrarotstrahlung im Bereich von 4,26 Mikrometern, einer Wellenlänge, die von CO₂-Molekülen spezifisch absorbiert wird. Beim Durchgang des Lichts durch das Probenröhrchen absorbieren die CO₂-Moleküle ihre charakteristische Infrarotstrahlung, während andere Wellenlängen unbeeinflusst passieren.
Am Ende des Röhrchens blockiert ein optischer Filter alle Wellenlängen außer 4,26 Mikrometer. Der IR-Detektor misst anschließend die verbleibende Lichtintensität. Die Reduktion des transmittierten IR-Lichts korreliert direkt mit der CO₂-Konzentration in der Probe und ermöglicht so eine präzise Messung des CO₂-Gehalts.
Aus welchen Komponenten besteht ein NDIR-Sensor?
CO2-IR-Lichtquelle
Als CO₂-IR-Lichtquelle dient typischerweise eine Infrarot-LED oder -Lampe, die Strahlung mit spezifischen Wellenlängen aussendet und so die für die Wechselwirkung der CO₂-Moleküle benötigte Energie liefert. Die Gasprobenzelle, eine Kammer, durch die das Probengas strömt, ermöglicht die Wechselwirkung von Infrarotlicht mit den CO₂-Molekülen.
Optische Filter & IR-Sensor (üblicherweise pyroelektrischer Sensor)
Optische Filter wählen spezifische Infrarotlichtwellenlängen aus, die bekanntermaßen von CO₂-Molekülen absorbiert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass nur die Wellenlängen von 4,26 Mikrometern den IR-Sensor erreichen, was die Messgenauigkeit erhöht. Der Detektor, eine entscheidende Komponente, misst die Menge an Infrarotlicht, die nach der Wechselwirkung mit CO₂-Molekülen die Gasprobe durchdringt. Das Signal gibt die CO₂-Konzentration an.
CO2-Pyroelektrischer Sensor
Das Prinzip eines pyroelektrischen Sensors basiert auf dem pyroelektrischen Effekt, der in bestimmten Materialien auftritt und bei Temperaturänderungen ein temporäres elektrisches Potenzial erzeugt. Der pyroelektrische Sensor verfügt über einen Filter, der CO₂ nur bei einer Wellenlänge von 4,26 Mikrometern absorbiert. Beim Eintritt von Infrarotstrahlung steigt die Temperatur umgekehrt proportional zur CO₂-Konzentration.
Was ist ein CO2-NDIR-Sensor der Serie 4?
Hierbei handelt es sich um standardisierte CO₂-Sensoren, die in vielen CO₂-Messgeräten, CO₂-Detektoren und CO₂-Analysatoren eingesetzt werden. Sie sind klein, verbrauchen wenig Energie und ermöglichen ein standardisiertes Design mit UART-Ausgangssignal.
Fallstudie – NDIR-CO2-Sensorschaltung
Die untenstehende Schaltung veranschaulicht ein Beispiel für einen NDIR-Gassensor mit Thermosäulendetektor. Obwohl er für die CO₂-Detektion optimiert ist, kann diese vielseitige Schaltung durch einfaches Austauschen des optischen Filters der Thermosäule verschiedene Gase präzise messen. Dank dieser Anpassungsfähigkeit eignet er sich für ein breites Spektrum an Gassensoranwendungen, das weit über die CO₂-Überwachung hinausgeht.
Wie wird der CO2-Gehalt berechnet?
Das Lambert-Beer-Gesetz ist grundlegend für die CO₂-Detektion mittels Infrarotsensoren und die Berechnung von CO₂-Konzentrationen. Es besagt, dass die Lichtabsorption direkt proportional zur Konzentration der absorbierenden Spezies und zur Schichtdicke der Probe ist. Bei der CO₂-Detektion durchdringt Infrarotlicht einer spezifischen Wellenlänge (typischerweise 4,26 μm) eine Probenkammer. CO₂-Moleküle absorbieren dieses Licht und reduzieren so dessen Intensität. Durch Messung der Differenz zwischen emittierter und empfangener Lichtintensität kann der Sensor die CO₂-Konzentration berechnen. Höhere CO₂-Konzentrationen führen zu einer stärkeren Lichtabsorption und ermöglichen somit eine präzise Quantifizierung.
Was besagt das Beer-Lambert-Gesetz für CO2-NDIR-Messungen?
Die Beer-Lambert-Gleichung zur CO2-Detektion kann wie folgt ausgedrückt werden:
A = -log(I/I₀) = ε * c * l
Dabei gilt: A = Extinktion, I = Intensität des transmittierten Lichts, I₀ = Intensität des einfallenden Lichts, ε = molarer Extinktionskoeffizient (spezifisch für CO₂ bei der gegebenen Wellenlänge), c = CO₂-Konzentration, l = Schichtdicke der Probe
Bei CO2-Sensoren wird diese Gleichung oft umgestellt, um die Konzentration zu berechnen:
c = -ln(I/I₀) / (ε * l)
Mithilfe dieser Gleichung lässt sich die CO2-Konzentration anhand der gemessenen Lichtintensitäten berechnen.
CO2-NDIR-Sensor-Anschluss an die Elektronik
Elektronikingenieure verwenden meist CO2-NDIR-Sensoren der Serie 4 über UART- oder mA-Anschluss.
UART CO2 NDIR-Sensor
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ist ein weit verbreitetes serielles Kommunikationsprotokoll zur Verbindung von Sensoren mit Mikrocontrollern. Um einen UART-Sensor anzuschließen, identifizieren Sie zunächst die TX- (Senden) und RX-Pins (Empfangen) sowohl am Sensor als auch am Mikrocontroller. Verbinden Sie diese Pins: TX des Sensors mit RX des Mikrocontrollers und RX des Sensors mit TX des Mikrocontrollers. Stellen Sie sicher, dass die Masseanschlüsse verbunden sind. Passen Sie die Baudraten beider Geräte an, um eine korrekte Kommunikation zu gewährleisten, und überprüfen Sie die Kompatibilität der Spannungspegel. Mit diesen Schritten stellen Sie eine zuverlässige UART-Verbindung für den Datenaustausch her.
4-20mA CO2-NDIR-Sensor
Die 4-20-mA-Stromschleife ist ein Standardverfahren zur Übertragung von Sensordaten in industriellen Anwendungen. In diesem System wandelt ein Sensor seine Messwerte in einen proportionalen Strom zwischen 4 mA (niedrigster Wert) und 20 mA (höchster Wert) um. Zum Anschluss eines 4-20-mA-Sensors werden üblicherweise ein Netzteil (meist 24 V DC) und ein Widerstand benötigt. Der Sensor wird in Reihe mit dem Netzteil und dem Widerstand geschaltet. Der Spannungsabfall am Widerstand wird gemessen, um den Strom zu bestimmen, der anschließend wieder in den Sensorwert umgerechnet werden kann. Dieses Verfahren wird in industriellen Umgebungen aufgrund seiner Störfestigkeit und der Fähigkeit, Anschlussfehler zu erkennen (da 0 mA einen unterbrochenen Stromkreis anzeigen), bevorzugt.
Warum ist ein Durchmesser von 4,26 Mikrometern für den CO2-Nachweis wichtig?
Die Wellenlänge von 4,26 Mikrometern ist für den CO₂-Nachweis in NDIR-Sensoren entscheidend, da sie einer starken Absorptionsbande von Kohlendioxidmolekülen entspricht. Bei dieser spezifischen Wellenlänge absorbiert CO₂ Infrarotstrahlung sehr effizient und erzeugt so einen einzigartigen „Fingerabdruck“ für den Nachweis. Diese Wellenlänge wurde gewählt, um die Empfindlichkeit zu maximieren und Störungen durch andere Gase zu minimieren. Wenn Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 4,26 Mikrometern eine Gasprobe durchdringt, ist die absorbierte Menge direkt proportional zur CO₂-Konzentration. Diese präzise Ausrichtung ermöglicht es NDIR-Sensoren, CO₂-Konzentrationen auch in komplexen Gasgemischen oder bei niedrigen Konzentrationen genau zu messen.
Wie verbessern optische Filter die Genauigkeit von CO2-NDIR-Sensoren?
Optische Filter in CO₂-NDIR-Sensoren verbessern die Messgenauigkeit deutlich, indem sie die spezifische Wellenlänge des von CO₂ absorbierten Lichts, typischerweise 4,26 Mikrometer, isolieren. Diese Filter fungieren als selektive Barrieren, die nur die relevante Wellenlänge durchlassen und andere blockieren. Diese Selektivität reduziert Störungen durch andere Gase oder Umwelteinflüsse, die die Messwerte verfälschen könnten. Durch die Verringerung des Detektionsbereichs erhöhen optische Filter das Signal-Rausch-Verhältnis und machen den Sensor empfindlicher für geringe Änderungen der CO₂-Konzentration. Darüber hinaus tragen sie zu einer gleichbleibenden Leistung unter verschiedenen Bedingungen bei und gewährleisten so zuverlässige Messungen in unterschiedlichen Umgebungen und Anwendungen.
Was ist ein Wellenleiter in einem CO2-NDIR-Sensor?
In NDIR-Sensoren ist ein Wellenleiter ein speziell entwickelter Pfad, der Infrarotlicht von der Quelle zum Detektor leitet. Er ist eine entscheidende Komponente, die die Miniaturisierung von Sensoren bei gleichzeitig hoher Genauigkeit ermöglicht. Wellenleiter nutzen häufig reflektierende Oberflächen oder gekrümmte Strukturen, um die optische Weglänge auf kleinem Raum zu verlängern. Dieser verlängerte Weg verstärkt die Wechselwirkung zwischen Licht und CO₂-Molekülen und erhöht somit die Empfindlichkeit. Moderne Wellenleiter verwenden gefaltete Optiken oder innovative Formen wie beispielsweise „Bananen“-Designs, um die Weglänge auf minimalem Raum zu maximieren. Durch die Ermöglichung längerer Lichtwege in kleineren Gehäusen haben Wellenleiter maßgeblich zur Entwicklung kompakter und dennoch hochempfindlicher NDIR-CO₂-Sensoren beigetragen.
Welche Funktion hat der Referenzkanal in einem CO2-NDIR-Sensor?
Der Referenzkanal in NDIR-Sensoren dient als Basislinie für präzise CO₂-Messungen. Er nutzt typischerweise eine Wellenlänge, die von CO₂ nicht absorbiert wird, und liefert so ein konstantes Vergleichssignal. Dieser Kanal hilft, Schwankungen der Lichtquellenintensität, der Detektorempfindlichkeit und der Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Druck auszugleichen. Durch den Vergleich des Messkanals (der CO₂ absorbiert) mit dem Referenzkanal kann der Sensor den Einfluss der CO₂-Absorption von anderen Faktoren isolieren. Dieser Zweikanalansatz verbessert die Genauigkeit, Stabilität und Langzeitstabilität des Sensors. Der Referenzkanal unterstützt zudem die Selbstkalibrierung und trägt so dazu bei, die Sensorleistung über die Zeit ohne häufige manuelle Justierungen aufrechtzuerhalten.
Wie wird die Kalibrierung von NDIR-Sensoren aufrechterhalten?
NDIR-Sensoren halten ihre Kalibrierung durch verschiedene Mechanismen aufrecht. Viele verfügen über Selbstkalibrierungsalgorithmen, die die Basislinienwerte periodisch anpassen, wobei häufig der niedrigste gemessene CO₂-Wert als Referenzpunkt dient. Zweikanalige Designs mit einer Referenzwellenlänge helfen, Abweichungen in der Lichtquellenintensität oder der Detektorempfindlichkeit auszugleichen. Einige Sensoren verwenden versiegelte Referenzzellen mit bekannten Gaskonzentrationen zum Vergleich. Temperatur- und Druckkompensationsalgorithmen passen die Messwerte an die Umgebungsbedingungen an. Moderne Sensoren können automatische Basislinienkorrekturfunktionen beinhalten. Regelmäßiger Kontakt mit Frischluft kann bei einigen Designs zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit beitragen. Für hochpräzise Anwendungen kann eine regelmäßige manuelle Kalibrierung mit zertifizierten Gasmischungen weiterhin erforderlich sein, um die langfristige Genauigkeit zu gewährleisten.
Wie schneiden NDIR-Sensoren im Vergleich zu anderen CO2-Detektoren ab?
NDIR-Sensoren bieten gegenüber anderen CO₂-Messmethoden mehrere Vorteile. Im Vergleich zu elektrochemischen Sensoren weisen sie eine längere Lebensdauer auf und sind weniger anfällig für Störungen durch andere Gase. Sie sind stabiler als chemische Sensoren und müssen seltener kalibriert werden. NDIR-Sensoren sind schneller und genauer als Wärmeleitfähigkeitsdetektoren für CO₂. Obwohl sie etwas weniger präzise als gaschromatographische Verfahren sind, sind NDIR-Sensoren kompakter und eignen sich für die kontinuierliche Überwachung. Sie sind kostengünstiger und robuster als abstimmbare Diodenlasersensoren für viele Anwendungen. Die NDIR-Technologie bietet ein optimales Verhältnis von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten und ist daher die bevorzugte Wahl für viele CO₂-Überwachungsszenarien.
Wie werden CO2-NDIR-Sensoren im realen Leben eingesetzt?
Sie sind in verschiedene CO2-Detektoren, CO2-Analysatoren und CO2-Geräte für unterschiedliche Anwendungen integriert. Dazu gehören:
- Industrielle Situationen wie z. B. die CO2-Sicherheit in Brauereien
- Laboranwendungen wie der Betrieb von Inkubatoren
- Für Unternehmen und Privathaushalte: Innenraumluftqualität
- Anwendungen zur Leckageerkennung
- Lebensmittel und Verpackungen für die Headspace-Analyse
- Sicherheit bei berufsbedingter CO2-Exposition
- Arbeitssicherheit, Kältetechnik und CO2-Trockeneis
Kann das NDIR-CO2-Sensorsystem (nichtdispersives Infrarot) einen wahrnehmbaren Geruch erzeugen?
Nein, NDIR-CO₂-Sensorsysteme erzeugen im Betrieb keinen Geruch. Diese auf Infrarot basierenden Detektionssysteme arbeiten durch Lichtabsorption und nicht durch chemische Reaktionen.
Schlussworte
- NDIR-CO2-Sensoren bieten eine zuverlässige und genaue CO2-Messung mittels Infrarotabsorption bei 4,26 Mikrometern.
- Technologische Fortschritte haben zu kompakten, energieeffizienten und vielseitigen Sensorkonstruktionen geführt.
- Zu den Innovationen gehören LED-Lichtquellen, verbesserte Wellenleiter und fortschrittliche Signalverarbeitung.
- Umweltprobleme werden durch Kompensationsalgorithmen und Referenzkanäle angegangen.
- Verbesserte Fertigungsprozesse machen NDIR-Sensoren zugänglicher und kostengünstiger.
- Neue Technologien wie die photoakustische Spektroskopie versprechen weitere Miniaturisierung und Empfindlichkeit.
- NDIR-Sensoren sind in verschiedenen Anwendungsbereichen von entscheidender Bedeutung, von der Innenraumluftqualität bis zur industriellen Prozesssteuerung.
Über den AutorDr. Kos Galatsis Dr. Koz ist Präsident von FORENSICS DETECTORS, einem Unternehmen mit Sitz auf der malerischen Halbinsel Palos Verdes in Los Angeles, Kalifornien . Er ist Experte für Gassensorik, Gaswarngeräte, Gasmessgeräte und Gasanalysegeräte. Seit über 20 Jahren entwickelt, baut, fertigt und testet er Systeme zur Erkennung toxischer Gase.  Für Dr. Koz ist jeder Tag ein Geschenk. Er liebt es, Kunden bei der Lösung ihrer individuellen Probleme zu helfen. Dr. Koz verbringt außerdem gerne Zeit mit seiner Frau und seinen drei Kindern, geht mit ihnen an den Strand, grillt Burger und genießt die Natur . Lesen Sie mehr über Forensische Detektoren hier. E-Mail: drkoz@forensicsdetectors.com |