Sensoren zur Überwachung der Luftqualität und Sicherheit

Bestimmte Luftschadstoffe wie Partikel und Gase werden für den Menschen als gesundheitsschädlich eingestuft. In der Industrie können Gase wie Methan, Propan oder das bei unvollständiger Verbrennung entstehende Kohlenmonoxid in hohen Konzentrationen auftreten und ein unmittelbares Sicherheitsrisiko darstellen. Bei den betroffenen Verantwortlichen (z. B. Hausbesitzern, Betreibern von Gewerbegebäuden und Industrieanlagen, Stadtverwaltungen und Umweltbehörden) besteht daher ein großer Bedarf an Geräten, mit denen die Luftqualität überwacht und verschiedene Gase nachgewiesen werden können.

Studien zur Luftverschmutzung

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) weist auf den Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung, vor allem durch Feinstaubbelastung (engl. Particulate Matter, PM), und der Häufigkeit bestimmter Krankheiten sowie dem Anstieg der Sterblichkeitsrate hin. Kleine Partikel mit einem Durchmesser bis zu 10 oder 25 Mikrometer (im Fachjargon PM10 und PM25) stellen die größten Gefahren für die Gesundheit dar. Teilchen dieser Größe werden von Kraftfahrzeugen und anderen privaten und industriellen Verbrennungsanlagen ausgestoßen und gelangen sogar aus natürlichen Stoffen wie Erde oder Sand in die Atemluft. Einer hohen Feinstaubbelastung können Menschen in entwickelten Ländern und in Entwicklungsländern gleichermaßen ausgesetzt sein. In einer Studie der Europäischen Umweltagentur wurde festgestellt, dass über 80 % der Stadtbevölkerung in der EU PM-Werten ausgesetzt sind, die über den Luftgüteleitlinien der WHO von 2005 liegen.

Die Städte müssen handeln, um ihre Luftqualität zu verbessern. Verschiedene verkehrsbezogene Regelungen wurden eingeführt, um die Auswirkungen von Fahrzeugemissionen in den Stadtzentren zu reduzieren. Viele Städte haben Staugebühren eingeführt, um das Verkehrsaufkommen zu reduzieren. Darüber hinaus werden Studien und Pilotprojekte mit Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen (Birmingham und Coventry in Großbritannien) durchgeführt, und die Versuche mit drahtloser Ladetechnik (WEVC) in London, zielen darauf ab, eine praktikable Infrastruktur für einen breiten Einsatz von Elektrofahrzeugen aufzubauen. Mit präzisen Luftqualitätsdaten können Behörden die Ergebnisse solcher Bemühungen auswerten und entsprechend handeln.

Überwachung der Luftqualität

Zur Verbesserung der Innenraumluftqualität (IAQ) in Wohnungen und Büros wurden eine Zeit lang konventionelle Luftreiniger eingesetzt. Vor kurzem sind High-End-Systeme zur Überwachung der Luftqualität auf den Markt gekommen, die mit intelligenten Sensoren ausgerüstet sind. Die ermittelten Daten zur Luftqualität können über einen Bildschirm angezeigt werden. Sie dienen außerdem der Regelung des Luftreinigers, um den Reinigungsprozess für eine Vielzahl von Gasen und Partikeln (kleine Haare, Staub, Tabakrauch usw.) zu optimieren.

Der Staubsensor GP2Y1010 von Sharp quantifiziert die Anwesenheit von Partikeln in der Umgebung über eine Infrarot-LED und einen Phototransistor. Eine Probe der zu untersuchenden Luft wird durch eine Reihe von Öffnungen, die über IR-LED und Detektor angeordnet sind, in das Sensorgehäuse geführt, wie in Abbildung 1 dargestellt.


Sobald die Partikel den Sensor passieren, gibt die Reaktion des Phototransistors Aufschluss über die Konzentration der Teilchen in der Probe. Eine wesentliche Stärke dieses Sensors ist die Möglichkeit, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das proportional zu der Partikelkonzentration in µg/m³ ist. Dadurch kann das Design von Luftüberwachungssystemen vereinfacht werden, da diese Art von Signalverarbeitung für die Partikelkonzentration bei der Luftqualitätsüberwachung weit verbreitet ist.

Wenn sich viele Personen in einem Gebäude befinden, hat die Konzentration von Kohlendioxid (CO₂) ebenfalls einen großen Einfluss auf die Luftqualität, insbesondere in großen Geschäftsräumen und Bürogebäuden. Die Echtzeiterfassung von CO₂ ist ein effektives Mittel zur Regelung einer Klimaanlage oder eines Lüftungssystem, um die Luftqualität zu optimieren und den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes zu minimieren. Amphenol Advanced Sensors’ Telaire-CO₂-Sensoren, wie der T6613 und der T6615, können in HLK-Systemen für die bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV) eingesetzt werden. In einem DCV-System erfassen die Sensoren die steigende CO₂-Konzentration in Umgebungen mit einer großen Anzahl von Personen. Das Belüftungssystem wird erst aktiviert, wenn der Pegel einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, und wird wieder abgeschaltet, wenn er auf ein akzeptables Maß gefallen ist. Das System wird weniger häufig aktiviert, wenn sich nicht so viele Personen in dem Gebäude befinden. Dadurch wird eine übermäßige Belüftung des Gebäudes vermieden. Eine solche Funktion hilft doppelt Energie zu sparen: Sie senkt den Stromverbrauch des Lüftungssystems und reduziert die Heizkosten.

Die Sensoren von Telaire erfassen die CO₂-Konzentration mit der nichtdispersiven Infrarottechnologie (NDIR), die sich die Tatsache zunutze macht, dass die CO₂-Moleküle eine bestimmte Wellenlänge des Infrarotlichts absorbieren. Jeder dieser Sensoren enthält eine Infrarotquelle, einen patentierten Wellenleiter, anwendungsspezifische Infrarotfilter und einen mikrobearbeiteten Thermosäulendetektor, um die Lichtabsorption zu messen, aus der dann die CO₂-Konzentration ermittelt wird. Die T6613-Sensoren nutzen den patentierten Selbstkalibrierungsalgorithmus ABC-Logic™ von GE, der den Sensor kontinuierlich kalibriert und als Bezug den Wert bei geringer Anwesenheit von Personen nutzt. Die T6615-Sensoren sind Zweikanal-Bausteine mit getrennten Kanälen für Mess- und Referenzsignal, die es ihnen ermöglichen, die Kalibrierung automatisch über lange Zeiträume und ohne ABC-Logic aufrecht zu erhalten.

Gaserfassung in der Industrie

Im industriellen Umfeld (einschließlich Chemie-, Bergbau- und Fertigungsindustrie) müssen Leckagen mit austretenden Gasen sofort erkannt werden – ganz gleich, ob es sich um brennbare oder explosive Gase wie Propan oder Methan oder um andere gefährliche Gase wie zum Beispiel Kohlenmonoxid handelt.

Die europäischen ATEX-Richtlinien verpflichten den Arbeitgeber nicht nur zu vorbeugenden Maßnahmen in explosionsgefährdeten Arbeitsbereichen, sondern auch zu einem angemessenen Schutz der Arbeitnehmer. Die Richtlinie 1999/92/EG (über Mindestvorschriften zur Verbesserung des Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer, die durch explosionsfähige Atmosphären gefährdet werden können) besagt, dass Arbeitnehmer vor Erreichen der Explosionsbedingungen optisch und/oder akustisch gewarnt und zurückgezogen werden müssen.

Geeignete Gaswarngeräte, die die Leistungsanforderungen von Detektoren für brennbare Gase nach EN 60079-29-1:2007 und die grundlegenden Sicherheitsanforderungen nach EN60079-1 erfüllen, können gemäß den ATEX-Normen zertifiziert werden. Darüber hinaus gilt der Sicherheits-Integritätslevel (SIL) der Normen EN50402 und EN61508.

Parallax bietet verschiedene Sensoren für den Einsatz in Geräten und Systemen an, die zur Erfassung von gefährlichen Gasen entwickelt wurden. Sie sind in industriellen oder privaten Anwendungen einsetzbar. Ein Beispiel ist der Gassensor 605-00008 von Parallax. Dieser eignet sich zum Detektieren von Flüssiggas (LPG), Isobutan, Propan, Methan, Alkohol oder Wasserstoff und kann auch zur Raucherkennung eingesetzt werden. Der Sensor besteht aus einem Miniaturröhrchen aus Aluminiumoxid (Al2O₃), einer Sensorschicht aus Zinnoxid (SnO₃), einer Messelektrode und einer Heizung. Die Heizung hält die Sensorkomponenten auf ihrer korrekten Betriebstemperatur. Der Widerstand des Sensors ändert sich mit der Konzentration des erfassten Gases (siehe Schaltungsbeispiel in Abbildung 2).

Bei korrekter Kalibrierung kann der Sensor 605-00008 eingesetzt werden, um einen Alarm auszulösen, wenn die Konzentration einen voreingestellten Wert überschreitet. Parallax empfiehlt, dass der Detektor mit einem Lastwiderstand (R_L) zwischen 5 kΩ und 47 kΩ auf 1000 ppm LPG in Luft oder 1000 ppm Isobutan kalibriert wird. Um eine genaue Einstellung zu erzielen, sollten die Wirkungen von Temperatur und Feuchte ebenfalls berücksichtigt werden. Gasempfindlichkeitseigenschaften und Temperatur-/Feuchteabhängigkeit des Sensors sind im Datenblatt beschrieben.


Andere Anwendungen, beispielsweise Verbrennungsregler oder Sauerstoffgeneratoren in Flugzeugen, erfordern die genaue Erfassung des Sauerstoffstroms, um einen korrekten Betrieb der entsprechenden Anlage zu gewährleisten. Ein Sauerstoffsensor wie der KGZ10 von Honeywell bietet für diese Anwendungen eine lange Lebensdauer.

Der Sensor enthält zwei Zirkoniumdioxid-Scheiben (ZrO₂) mit einer kleinen, hermetisch abgedichteten Kammer dazwischen. Eine der Scheiben dient als umkehrbare Sauerstoffpumpe, die nacheinander die Kammer füllt und wieder leert. Die zweite Scheibe misst das Verhältnis der Partialdruckdifferenz und erzeugt eine entsprechende Erfassungsspannung. Ein Heizelement auf dem Sensor erzeugt die 700 °C, die erforderlich sind, um das ZrO₂ auf Betriebstemperatur zu bringen. Im Gegensatz zu alternativen elektrochemischen Sensoren benötigen diese Zirkonoxid-Sensoren kein Referenzgas und sind damit genauer und langlebiger.

Der KGZ-10-Sensor arbeitet in einer elektronischen Messschaltung, die den Betrieb des Sensors und die Signalverarbeitung steuert. Designer können diese Schaltung entweder in ihre eigene Hardware integrieren oder statt dessen eine Oxymac-, Elecdit- oder DE800-Schnittstellenplatine von Honeywell verwenden. Diese Schnittstellenplatinen sind mit allen Funktionen ausgerüstet, die zum Betreiben und Auslesen des Sensors erforderlich sind, einschließlich Steuerschaltung für das Heizelement. Sie unterstützen auch die Funktionsprüfung und Kalibrierung. Der Signalverarbeitungsblock der Platine erzeugt ein lineares Ausgangssignal des gemessenen Sauerstoffgehalts im Spannungs- oder Stromformat. Die DE800-Platine hat eine integrierte Stromversorgung für die Heizung, während die Oxymac50- und Elecdit-Platinen eine externe Heizstromversorgung benötigen.

Fazit

Gas- und Partikelsensoren spielen eine zentrale Rolle bei der Messung der Luftqualität für Zwecke des Gesundheitsschutzes in privaten und öffentlichen Bereichen und sind auch in industriellen Sicherheitssystemen vielfältig einsetzbar, zum Beispiel bei der Warnung vor Gefahren und in der Prozesssteuerung. Robuste Sensoren für die Luftqualitätsmessung können in stark frequentierten Büros oder anderen Gebäuden effektiv eingesetzt werden, um die Betriebskosten zu senken und die Umweltauswirkungen zu verringern.