CO2感測器導入新測量原理：清潔空氣的絕佳時機

作者 : Marcel Saffert & Markus Balke，Rutronik

除了代表水的H2O之外，代表二氧化碳的CO2可說是最聞名的化學組成。CO2感測器測量空氣中的CO2濃度，以便在超過濃度時加以因應。最新的型款相比先前的產品更小巧且更便宜。

二氧化碳(CO₂)是由碳和氧組成的無色無味氣體，是所有有機化合物的基礎物質。植物利用光合作用將CO₂與水一起轉化為有機物並釋放氧氣。

CO₂由細胞呼吸以及動物和植物有機體的腐爛產生。在人類文明發展中，工業方面的化石物品燃燒也會產生CO₂，例如建築物供暖或汽車內燃機油料燃燒。這導致地球大氣層中的CO₂濃度上升，從而加劇了溫室效應，並導致地球氣候變化。

對人類的影響

少量的CO₂對人類是絕對安全的；然而，在較高的濃度下，它可以阻止肺部吸收氧氣，並可能導致各種症狀，具體取決於空氣中的CO₂含量。空氣中CO₂含量在1%到3%之間時，人的專注力可能會受到影響，或出現疲勞現象，而且可能會出現心率或血壓上升。CO₂體積含量達到5%以上時，可能會引起頭暈、頭痛、呼吸急促，並最終失去知覺。

因此DIN EN 13779標準根據CO₂濃度定義了四個室內空氣品質類別。它將低於800 ppm (百萬分之一)的CO₂水準歸為優良，不超過1000 ppm水準為中等良好，1000 ppm以上水準則為中等品質。當CO₂濃度超過1400 ppm時，空氣品質認定為差。在工作場所，員工在8小時內接觸的CO₂濃度不得超過5000ppm。

CO₂和冠狀病毒

在新冠肺炎病毒(COVID-19)大流行的情況下，研究人員考察了CO₂濃度和氣溶膠之間是否有直接關聯，因為含有新冠病毒的氣溶膠會成為傳播途徑。根據目前的瞭解，CO₂濃度和氣溶膠之間不存在直接關聯。即便如此，較高的CO₂含量表示室內空氣不佳，這通常也會導致氣溶膠濃度升高，因此CO₂和氣溶膠之間存在著間接的關係。因此，有兩個很好的理由堅持採取通風措施：改善人體健康和提高工作績效，以及減少感染冠狀病毒的風險。

此外，由於冠狀病毒的管控措施，例如居家辦公和居家教學以及商業和餐館關閉，使得大多數人待在家裡的時間增多。現代建築物的隔熱性能越來越好，以滿足如今的能源效率標準，所以室內通風的情況很少。因此，監測室內空氣的CO₂含量相比以往任何時候都更加重要。

避免空氣悶焗

人們使用合適的感測器來監測CO₂的濃度，例如用於CO₂警告燈。在教室裡，當CO₂濃度過高時，CO₂警告燈可以用來提供簡明的視覺指示，讓教室裡的人員打開窗戶。在智慧家庭系統中，它們提供的數值用於自動觸發通風措施或警告訊號。

這種感測器資料也可用於其他資訊，例如，確定房間內目前有多少人。這裡使用了一種演算法，對人們呼吸產生的CO₂水準的平均增長和所測量的CO₂濃度的增長進行比較。

在食品工業和食品物流中，可以通過控制調節CO₂濃度來積極影響產品的品質，因為CO₂可以加速或減慢水果和蔬菜的自然老化過程。CO₂含量對於植物和動物也有影響。生產者可以通過檢測和調整這一數值以帶來益處。

NDIR測量技術

來自盛思銳(Sensirion)的SCD30感測器是CO₂濃度測量解決方案。它使用非分散紅外光譜(NDIR)測量技術，其測量範圍高達40,000ppm，在0-10,000ppm範圍內，其精度高達測量值的±30ppm +3%。

NDIR測量是基於一個紅外線輻射源和兩個相對放置的光學濾光片，測試管內有兩個分別放置在兩端的檢測器，輻射源發出的波長只被CO₂分子吸收。空氣通過一個開口流入管內，其中的CO₂分子吸收了部份輻射。另一端的檢測器則測量由此產生的輻射強度的變化。第二個檢測器提供參考測量數值，以儘量減少污垢或灰塵等污染物的影響。

圖1：由於採用全新測量技術，盛思銳的SCD4x CO2感測器相比先前型款體積大幅減小(圖片來源：盛思銳)

這項原理使得感測器的體積相對較大，盛思銳的SCD30感測器尺寸為35mm × 23 mm × 7mm，但由於具有高測量精度，多年來仍然是CO₂檢測領域的主要產品。

光聲測量系統

盛思銳最近推出的後續產品SCD4x，滿足了所有與小型化和降低功耗有關的要求。該感測器基於全新的光聲感測器技術，不要求輻射源和感測器之間保持一定距離，使得SCD4x尺寸僅為10mm × 10mm × 6.5mm，而且仍然比先前型款便宜。然而，這項測量技術將精度降低到400和2,000ppm之間的±50ppm +5% (SCD40)或400和5,000ppm之間的±40ppm +5% (SCD41)。與前一代SCD30感測器一樣，測量範圍為0至40,000ppm。

這些新型感測器具有小巧的尺寸和卓越的性價比，特別適合智慧家庭、物聯網、汽車、暖通空調、食品和消費品領域的應用。

光聲測量技術是基於與CO₂分子的吸收帶相匹配的窄頻光。這意味著它具有精確的波長範圍，其電磁輻射能量被CO₂分子吸收。將光發射到感測器的測量單元中，而CO₂分子吸收了部份光。這導致CO₂分子發生振盪，從而增加了測量單元的壓力。使用麥克風測量這個壓力差，可以得出測量單元中存在的CO₂分子含量的結論，從而推算出空氣中CO₂的濃度。

圖2：光聲測量技術如何工作。該技術用作盛思銳新型SCD4x CO₂感測器中的PASens技術。(圖片來源：盛思銳)

透過這種測量技術，檢測器訊號在普通測量範圍內的低漂移抵消了測量精度的降低。隨著CO₂濃度的上升，漂移也會增加。而NDIR技術，情況則正好相反，特別是在CO₂濃度低的地方，檢測器訊號的漂移更加明顯(圖3)。

圖3：使用NDIR和光聲(PA)測量技術，檢測器訊號和CO₂濃度之間形成理想化關係。(圖片來源：儒卓力)

結論

人們需要了解空氣中的CO₂濃度從未像現在這樣重要，因為它不僅影響到人們的福祉和健康，而且還有助於遏制冠狀病毒的傳播。食品生產和物流行業，以及動植物養殖行業可以利用CO₂含量水準，積極提高產品品質。經過驗證的成熟CO₂感測器得益於高測量精度，新型款則滿足了對更小型感測器和更低成本的需求，儘管測量精度確實因此受到輕微影響。

本文作者：
Marcel Saffert，儒卓力類比和感測器產品銷售經理
Markus Balke，儒卓力類比和感測器產品資深行銷經理

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