Projekt 17204/01

Entwicklung von CO2-Sensoren im privaten Lebensbereich

Projektdurchführung

Universität der Bundeswehr MünchenInstitut für Meß- und Automatisierungstechnik
Werner-Heisenberg-Weg 39
85579 Neubiberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Leistungsfähigkeit von Menschen hängt in hohem Maße von der Raumluftqualität ab, die üblicher-weise in Wohnungen durch handbediente Lüftung erreicht wird; dabei treten aber hohe, unnötige Energieverluste auf. Die neue Energieeinsparverordnung EnEV, die am 1.Februar 2002 in Kraft getreten ist, kann in Zukunft nur dann erfüllt werden, wenn die Haushülle hinreichend luftdicht ausgeführt wird. Der dann für das Wohlbefinden und die Hygiene erforderliche Luftwechsel muss durch eine bedarfsgerechte, dezentrale Heizungs- und Lüftungssteuerung sichergestellt werden. Zur Überwachung der Raumluftqualität im privaten Lebensbereich können CO2-Sensoren eingesetzt werden. Bei eingeschränkter Messge-nauigkeit wird bei der Entwicklung der Sensoren jedoch besonderer Wert auf Eigenschaften wie hohe Langzeitstabilität, geringer Wartungsaufwand, geringer Stromverbrauch sowie geringe Herstellungskosten gelegt. Die Erhöhung der Messgenauigkeit der Gassensoren kann durch Verbesserung der Eigenschaften des sensitiven Elements, durch Auswahl einer optimalen Auswerteelektronik und durch modell-gestützte Korrektur der Wirkung von Einflüssparametern erfolgen.
Wenn NDIR-Gassensoren konsequent weiter entwickelt und hierfür noch die erforderlichen grundsätzlichen Untersuchungen durchführt werden, sind Anforderungen an CO2-Sensoren in Wohngebäuden erreichbar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden- Festlegung des grundsätzlichen Sensoraufbaus
- Konstruktive und fertigungstechnische Untersuchungen zum Aufbau des Sensorgehäuses
- Aufbau eines Simulationsmodells für die Komponentenspezifikation und zur Sensorauslegung
- Entwurf und Aufbau der Elektronik
- Entwurf der Signalverarbeitungsalgorithmen
- Aufbau mehrerer unterschiedlicher Funktionsmodelle
- Untersuchungen im Gaslabor
- Aufbau eines Funktionsmodells als Mikrosystem


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein CO2-Sensorsystem für die Anwendung in Büro- und Wohnbereichen konzipiert und entwickelt. Um Informationen über das Raumklima zu gewinnen, ist der Prototyp mit einem Feuchtesensor und einem Temperatursensor ausgestattet. Mit den drei Messparametern CO2-Konzentration, Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur werden die wichtigsten Behaglichkeitskriterien eines Lebensraumes erfasst. Ausgehend von diesen Informationen können mit Hilfe von geeigneten Aktoren die Heizungs- und Lüftungssysteme eines Raumes bzw. Gebäudes geregelt werden.
Für den Prototyp-Sensoraufbau dient ein Zweikanal-Detektor LIM 142 in einem TO8-Gehäuse. Die Konstruktion des Detektors erlaubt auch den Einbau von Kompensationselementen, um die Einflüsse der Umgebungstemperatur zu minimieren. Eine Verkleinerung der Bauform wurde mit dem Detektoren LIM 162 und LIM 262 erreicht. Durch Verwendung eines Zweikanal-Operationsverstärkers und eines optimierten Verdrahtungsträgers konnte der Rückkoppelkondensator als zusätzliches Bauelement entfallen und ein TO39-Gehäuse gewählt werden. Ein weiterer Vorteil der Detektoren LIM 162 / 262 ist die geringe Betriebsspannung von 2,2 V und der niedrige Ruhestrom von kleiner 150 µA.
Der Messaufbau des Sensorsystems ermöglicht die Auswertung der Detektorantwort eines einzigen Strahlungsimpulses einer Infrarotquelle. Der Leistungsbedarf im so definierten Pulsbetrieb kann durch freie Wahl der Ansteuerungspausen deutlich reduziert werden und erlaubt damit einen breiten Einsatz in Verbindung mit Kommunikationssystemen und durch Batteriebetrieb an beliebigen Standorten. Aufgrund der Möglichkeit, die Ansteuerungspausen der Infrarotquelle variabel zu verändern, kann zwischen Chopperbetrieb und Pulsbetrieb gewechselt werden. Die Leistungsaufnahme des gesamten Sensorsystems im Pulsbetrieb beträgt 0,8 W, was den an das System gestellten Anforderungen (< 2 W) entspricht. Die Lebensdauer des Systems ist durch die Lebensdauer der Strahlungsquelle begrenzt. Im Einschaltvorgang der Glühlampe fließt aufgrund der steilen Spannungsflanke und des niedrigen Kaltwiderstands bei Raumtemperatur kurzzeitig ein hoher Einschaltstrom, welcher erhebliche Störungen verursacht. Um die hohen Einschaltströme zu vermeiden und dadurch auch die Lebensdauer der Glühlampe zu verlängern, wird die Quelle mit einer Spannungsrampe angesteuert.
Für die Kalibrierung der Sensoren wurde ein Modellansatz mit einer impliziten Korrektur der Temperatureinflüsse am Nullpunkt und zusätzlichen Korrektur der Temperatureinflüsse auf die Empfindlichkeit verwendet. Die Struktur des Modells und die Anzahl der Modellparameter bestimmen die Anzahl sowie Lage der Messpunkte, die für die Parameterbestimmung notwendig sind. Die mittlere Konzentrationsabweichung der Messung bei Temperaturänderung zwischen 5 °C und 25 °C betrug vor und nach der Korrektur 124 ppm bzw. 50 ppm. Die angestrebte Messunsicherheit der Messergebnisse von 100 ppm kann durch Kalibrierung an mindestens drei Stützpunkten bei zwei Konzentrationen und zwei Temperaturen erreicht werden. Zur Reduzierung der Herstellungskosten der vorgestellten pyroelektrischen Detektoren ist künftig eine Umstellung des Herstellungsprozesses von bislang dominierender Manufaktur auf eine vorwiegend automatisierte Fertigung notwendig und geplant. Die Parameterabweichungen der einzelnen Detektoren könnten dann durch fertigungsbezogene Qualitätsmessungen erfasst und dem Sensorhersteller in Form von detektorspezifischen Kalibrierungsdaten geliefert werden. Damit kann die notwendige Symmetrierung der Kanaleigenschaften durch Verwendung von Messwerten des Herstellers der pyroelektrischen Detektoren erfolgen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Patentanmeldung Juni 2002: Gürtner, M.; Neumann, N.; Schneider, F.: Verfahren und NDIR-Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentration von Gasen und Dämpfen
2. Gürtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: CO2-Messung im privaten Lebensbereich. Ludwigsburg (Deutschland), 2002: ITG/GMA Fachtagung - Sensoren und Mess-Systeme 2002 - ISBN 3-8007-2675-0
3. Gürtner, M.; Schneider, F.: Low Cost and Low Power Consumption CO2-Sensor. Anchorage Alaska (USA), 2002: IEEE-Proceedings of the IMTC 2002 - ISBN 0-7803-7218-2
4. Gürtner, M.; Schneider, F.: Active NDIR Pyroelectric Detector for Intermittently Operation. Sousse (Tunesien), 2003: IEEE-International Conference on Signals, Systems and Information Technology (SSD 03)
5. Gürtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: NDIR Gas Measurement with an Active Multicolor Detector and Pulse Response Evaluation for Low Power Applications. Nürnberg (Deutschland), 2003: AMA Fachtagung - Sensor 2003
6. Gürtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: Pulse Response Evaluation of an Active Multicolor Pyroelectric Detector for Low Power NDIR Gas Measurement Applications. Vail Colorado (USA), 2003: IEEE-Proceedings of the IMTC 2003 - ISBN 0-7803-7705-2
7. Gürtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: Intelligent CO2-Sensor for the Private Home. Hongkong (China), 2003: Proceedings of the ISMTII 2003
8. Zhelondz O., Horn M.: Modelling and kalibration of a NDIR carbon dioxide sensor. International conference Sensors@Systems proceedings, 24-27 Juni 2002, Sankt-Petersburg, Volume I, p. 201-204.
9. Zhelondz O., Horn M., Kanoun O., Tränkler H.-R.: Temperature Influence Correction of a NDIR Car-bon Dioxide Sensor. Sensor 2003, 11th International Conference, 13-15 May 2003, Nuremberg, Germany.


Fazit

Unter Verwendung der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse kann eine breite Markteinführung kostengünstiger Niedrigenergie-NDIR-CO2-Sensorsysteme für den Büro- und Wohnbereich bis zur Serienreife erfolgen.