Принципы работы датчиков со2

Введение.

Качество воздуха в помещениях жилых и общественных зданий обеспечивается необходимым уровнем вентиляции, поддерживающим допустимые значения содержания углекислого газа в помещениях. В России действует межгосударственный стандарт ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», в котором указаны четыре класса помещений, в зависимости от объема углекислого газа, измеренного в см3в 1 м3 воздуха.

·   1 класс – Высокое качество воздуха – 400 см3 и менее.
·   2 класс – Среднее качество воздуха – 400-600 см3.
·   3 класс – Допустимое качество воздуха – 600-1000 см3.
·   4 класс – Низкое качество воздуха – 1000 см3 и более.

В международной практике принято измерять концентрацию углекислого газа в «ppm» (partspermillion – частей на миллион). Т.е. 1 ppm — это одна миллионная доля. Концентрация СО2 в 1 ppm означает, что в 1 м3 воздуха содержится 1 см3 углекислого газа. Например, на улице уровень СО2 составляет 350…400 ppm

Уровень концентрации СО2 в помещении служит основным показателем качества воздуха. Он выступает как индикатор, по которому можно судить не только о других загрязнителях, но и о том, насколько хорошо работает вентиляционная система в здании. Исследования ученых-экологов показывают, что если в воздухе присутствуют, кроме углекислого газа, летучие органические соединения и формальдегиды, то достаточно следить только за СО2. Если вентиляция справляется с ним, то остальные загрязнители также остаются на низком уровне. Более того, по СО2 можно судить и о количестве бактерий в воздухе. Чем больше углекислого газа, тем хуже справляется вентиляция и тем больше в воздухе разных бактерий и грибков. Особенно отчетливо это заметно зимой, когда интенсивность вентиляции падает, а количество респираторных инфекций растет.

Уровни концентрации СО2 и их влияние на человека изображены на рисунке (Рисунок 1).

Рисунок 1. Влияние концентрации СО2 на человека

На рисунке: ASRAE — American Society_of_Heating, Refrigeratingand Air-Conditioning Engineers (Американское Общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха).
OSHA — Occupational_Safetyand_Health_Administration (Федеральное агентство США, которое регулирует охрану труда). Как видно из рисунка данные российского и американского стандарта по микроклимату в помещении практически совпадают.

Предлагаемое устройство является измерителем-сигнализатором уровня углекислого газа в помещении. Оно проводит периодические измерения концентрации углекислого газа в помещении с выводом полученного значения на ЖК-дисплей. Устройство анализирует полученное значение концентрации углекислого газа, классифицирует ее степень по трем установленным классам состояния воздуха («свежий воздух», «норма», «душно») и сигнализирует о качестве воздуха светодиодными индикаторами. Каждому классу качества воздуха соответствует светодиод определенного цвета свечения: зеленый – свежий воздух, желтый – норма, красный – душно. При этом если устройство определило, что концентрация СО2 в помещении превысила значение «душно», то дополнительно к светодиоду красного цвета свечения включается прерывистый звуковой сигнал.

Пользователь может самостоятельно задать пороговые уровни концентрации СО2 исходя из строительных норм, санитарных норм или собственного предпочтения.

Кроме измерения уровня СО2, устройство также измеряет и отображает на ЖК-дисплее еще два важных климатических параметра: температуру и влажность воздуха в помещении.

Внешний вид устройства показан на рисунке (Рисунок 2).

Рисунок 2. Внешний вид станции

Видео с демонстрацией работы станции представлено ниже:

Меры предосторожности

Практически все сенсоры, работающие по принципу инфракрасной спектроскопии, очень чувствительны к пыли и внешним механическим воздействиям (ударам). Это следует знать и учитывать при размещении и эксплуатации датчиков.

При невозможности установить прибор в месте, защищенном от воздействия сильного ветра, прямого попадания пара, вибрации, скопления пыли и атмосферных осадков, перед датчиком устанавливается специальный грязевой щиток.

Перед снятием детектора СО2 его следует предварительно отключать от источника электропитания.

При проведении технического обслуживания, во избежание скопления статического заряда на пластиковых поверхностях, щитке или переходнике, необходимо избегать контакта материалов друг с другом, а также, по возможности, заземлить все доступные металлические части электрооборудования.

На все без исключения модели датчиков распространяется гарантия. Однако устройство может быть снято с гарантийного обслуживания при несоблюдении потребителем требований компании-производителя, использованию прибора не по назначению, а также при наличии следов постороннего вмешательства, попадании внутрь корпуса инородных предметов и жидкостей, а также при внесении изменений в конструкцию.

Электрическая схема.

Схема электрическая принципиальная представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема электрическая принципиальная

Устройство собрано на микроконтроллере ATmega8. Цепочка R1С3 обеспечивает начальный сброс (!Reset) микроконтроллера при включении. Предусмотрено внутрисхемное программирование МК через разъем XP1 «SPI программатор».Фьюзы МК ATmega8: HIGH=0xD9, LOW=0xE4.

Основным измерительным прибором устройства является инфракрасный датчик CO2 MH-Z19B. Датчик подключен к МК по UART (линии RXD, TXD). Программа МK опрашивает датчик не чаще чем 1 раз в 10 секунд. В ответ на запрос концентрации СО2 (команда 0x86) датчик посылает последовательно 9 байт, которые записываются в буферный массив программы. 2-й и 3-й элементы массива содержат значение концентрации СО2, последний элемент массива содержит контрольную сумму. Согласно документации на датчик, требуется около трех минут, чтобы он вышел на рабочий режим. Первое время после включения он будет выдавать неточные значения.

Дополнительным измерительным прибором является датчик температуры и влажности DHT11, который также опрашивается не чаще чем 1 раз в 10 секунд (опрос происходит в едином цикле с опросом датчика CO2 MH-Z19B). МК взаимодействует с датчиком по последовательному одно-проводному двунаправленному интерфейсу. В ответ на запрос датчик возвращает 5 байт. Первые два байта содержат значение влажности, целая и десятичная части. Следующие два байта являются значением температуры по Цельсию, целая и десятичная части. Последний байт — это контрольная сумма, которая является суммой первых четырех байтов. Следует отметить, что на точность показаний датчика DHT11 по влажности — очень много нареканий в среде пользователей. Для приближения показаний датчика к приемлемым значениям в программу введена корректирующая поправка, которая задается пользователем во время эксплуатации устройства и сохраняется в EEPROM. Эту поправку следует вводить после сравнения показаний относительной влажности устройства с другим прибором, показаниям которого принято доверять. Линия интерфейса DATA датчика DHT11 «подтянута» к питанию VCC резистором R7.

Управление устройством осуществляется с помощью кнопок SA1 «Установка», SA2 «+» (увеличение значения параметра) и SA3 «-» (уменьшение значения параметра). При помощи этих кнопок устанавливаются нижний и верхний пороги концентрации СО2, включается или отключается громкоговоритель устройства, устанавливается корректирующая поправка на показание относительной влажности воздуха.

В качестве дисплея используется жидкокристаллический индикатор типа WH-1602A.Потенциометром R8 регулируется яркость подсветки индикатора. На дисплее отображаются текущие значения концентрации СО2, температуры и относительной влажности в помещении, а также настраиваемые параметры устройства в режиме «установка».

Светодиодные индикаторы VD2, VD3, VD4 — обеспечивают сигнальное отображение уровня СО2: ниже нижнего порога – зеленый («свежий воздух»), между нижнем и верхним порогами – желтый («норма»), выше верхнего порога – красный («душно»).

Звуковой сигнал с вывода 15 МК, через регулятор громкости резистор R6 — усиливается усилителем низкой частоты на транзисторах VT1 и VT2. Для воспроизведения звука используется громкоговоритель SP1 с сопротивлением звуковой катушки 8 Ом.

Питание устройства осуществляется от сетевого источника питания напряжением 5 Вольт. На схеме изображен разъем питания от USB. В авторском опытном изделии источник питания помещен в один корпус вместе с устройством.

Принцип действия

Принцип действия детектора CO2 основан на поглощении газом инфракрасных лучей. Анализируемый воздух, находясь в небольшой камере, подвергается облучению инфракрасным лучом. Сначала осуществляется замер интенсивности без оптического устройства. Затем луч, проходя через смесь газов и светофильтр, доходит до считывающего датчика. Датчик фиксирует показание интенсивности принятого луча диапазоном от 1 до 15 мкм. После определения двух значений, по разнице, прибор определяет концентрацию углекислоты в воздухе.

Данные газоанализаторы нечувствительны к кислороду, имеют хорошую избирательность и стабильность, быстрый отклик и надёжность.

На небезызвестном сайте Aliexpress можно найти и купить большое разнообразие бытовых, комнатных датчиков. Часто сам сенсор вставлен внутрь корпуса, напоминающий небольшие настольные часы, либо будильник, который совмещает несколько функций. Мы сделали небольшую подборку популярных анализаторов диоксида углерода от разных продавцов.

Цена датчиков СО2

К сожалению, в России установка детекторов углекислого газа пока не получила широкого распространения. Процесс идёт, но очень медленно. Возможно людей не устраивают высокие цены. Мы исследовали несколько тематических и широко известных сайтов, но нашли всего несколько вариантов устройств. К большому удивлению, данный товар в дефиците даже на таких крупных площадках, как AliExpress и Wildberries.

Таблица 2. Стоимость детектора СО2

Вместе с приборами в комплекте поставляется: кабель mini USB/USB (устройство может работать как от ноутбука, так и напрямую от сети через блок питания) и сетевой адаптер (блок питания) со входом US.

Проблемы

При проникновении воды в корпус датчика он может выйти из строя. Следует отметить, что подобное повреждение не покрывается гарантией. Однако, в связи с тем, что корпус устройства достаточно герметичен, чаще всего намокают только окончания проводов.

Это может повлечь за собой коррозию или ослабление крепления клеммных соединений. Для решения подобной проблемы необходимо обеспечить долгосрочную коррозионную защиту и заблокировать неиспользуемые порты.

Такая неисправность, как сбой нуля датчика, устраняется повторной калибровкой, которая должна проводиться в соответствии с прилагаемой инструкцией.

Если на дисплее не отражаются показатели, это может сигнализировать об избытке солнечного света или отсутствии отклика трансмиттера. В первом случае, для уменьшения отблеска, необходимо установить защитный щиток, а во втором – проверить подачу напряжения на клеммы, а также убедиться, что нет сбоя в ITM, и на кабеле отсутствует влага, приводящая к коррозии его металлических частей.

Особенности

Датчики углекислого газа используются для оценки эффективности существующей вентиляционной системы. Как правило, они размещаются в обслуживаемой зоне на высоте до 2 метров, чтобы удобно было считывать показания, и не далее чем в 1 метре от зоны скопления людей. Также приборы могут располагаться в вытяжном сборном воздуховоде – так, чтобы через них проходило достаточное количество воздуха. Корпус во время установки должен быть тщательно заизолирован.

Контроллеры количества СО2 отличаются такими эксплуатационными особенностями:

• Нормальная работа обеспечивается при влажности до 90-95%, то есть образование конденсата на поверхности следует исключить;
• Сенсоры чувствительны к пыли и ударам. Соответственно, место их установки выбирают таким образом, чтобы свести эти негативные факторы к минимуму;
• Если прибор монтируется на открытой площадке, где возможно попадание ветра и осадков, то его дополнительно закрывают щитком;
• В процессе использования проводится регулярное техническое обслуживание, во время которого проверяют работоспособность частей и снимают скопившийся заряд статического электричества;
• Корпуса изготавливаются герметичными, поэтому попадание воды внутрь прибора затруднено. Однако нельзя допускать эксплуатацию во влажных помещениях, где происходит выпадение конденсата, поскольку это приводит к коррозии проводов и ослаблению клемм;
• Возникающие в процессе работы сбои устраняются повторными калибровками. Основные неисправности могут быть связаны с перегревом из-за попадания прямого солнечного света и намоканием токоведущих частей (и, как следствие, их коррозии).

Компания «Измеркон» предлагает функциональные и компактные датчики СО2 в Санкт-Петербурге и с доставкой по России. Здесь можно подобрать модели, подходящие для систем автоматического контроля климата в заданиях, для теплиц, инкубаторов, для производственных цехов и автомобилей. Такие измерители, предназначенные для контроля качества воздуха, поставляются с аналоговыми выходами и с жидкокристаллическим дисплеем для удобного считывания информации.

Производители и модели датчиков СО2

SenseAir

На сегодняшний день самым известным производителем датчиков углекислого газа является шведская компания SenseAir. Мировой лидер в отрасли разработки и производства не только газовых анализаторов, но и оборудования для систем “Умный дом”(датчиков движения, автоматических розеток, GSM охранных сигнализаций).

К30	К30-FR	К33-LP
Принцип действия
NDIR	NDIR	NDIR
Диапазон измерения
0-5000 ppm	0-5000 ppm	0-5000 ppm
Точность
30 ppm ± 3%	30 ppm ± 3%	30 ppm ± 3%
Время прогрева
60 сек	60 сек	60 сек
Время отклика
20 сек	20 сек	30 сек
Габаритные размеры (мм)
57х51х14	57х51х14	57х51х14
Блок питания
4,5-14 В	4,5-14 В	5-12 В
Предполагаемый срок эксплуатации
15 лет	10 лет	15 лет

Углекислые датчики компании SenseAir, работающие по методу недисперсионной ИК-спектрометрии, в отличие от своих аналогов, имеют более высокие эксплуатационные характеристики.

Они могут использоваться как в помещении, так и на открытом воздухе, и решать одновременно несколько задач (измерять концентрацию СО2, температуру и влажность воздуха).

При необходимости устройства подключаются к компьютеру, обеспечивающему длительную бесперебойную работу и быстрый отклик в широком диапазоне.

AZ Instrument Corp

Следующий известный производитель анализаторов углекислого газа – компания AZ Instrument Corp (Тайвань).

7722	77-231	77-232
Принцип действия
NDIR	NDIR	NDIR
Диапазон измерения
0-9999 ppm	0-9999 ppm	0-9999 ppm
Точность
50 ppm ± 5%	30 ppm ± 5%	30 ppm ± 5%
Время прогрева
120 сек	120 сек	120 сек
Время отклика
30 сек	30 сек	30 сек
Габаритные размеры (мм)
130х85х60	130х85х60	130х85х60
Блок питания
12 В	12 В	12 В
Предполагаемый срок эксплуатации
5 лет	5 лет	5 лет

Все модели датчиков углекислоты компании AZ Instrument Corp оснащаются гигрометром и термометром, позволяющими одновременно с концентрацией СО2 измерять температуру и влажность воздуха, и, при необходимости, компенсировать температурную зависимость.

S+S Regeltechnik

И еще один производитель инфракрасных датчиков – немецкая компания S+S Regeltechnik – производитель контрольно-измерительного, вентиляционного и климатического оборудования (датчиков воды, дыма, тепла, розеток с термостатом и т.д).

Aerasgard R-CO2	Aerasgard RTM-CO2	Aerasgard RFTF-CO2
Принцип действия
NDIR	NDIR	NDIR
Диапазон измерения
0-2000 ppm	0-2000 ppm	0-2000 ppm
Точность
70 ppm ± 5%	70 ppm ± 5%	70 ppm ± 5%
Время прогрева
прибл. 1 час	1 час	1 часа
Время отклика
60 сек	60 сек	60 сек
Габаритные размеры (мм)
98х98х33	100х100х25 (стальной корпус)	98х98х33
Блок питания
24 В	24 В	24 В
Предполагаемый срок эксплуатации
10 лет	10 лет	10 лет

Самокалибрующиеся энергосберегеющие углекислые датчики компании S+S Regeltechnik являются очень надежными, чувствительными устройствами, не нуждающимися в техническом обслуживании.

Обладая высокой избирательностью и устойчивостью к помехам и вибрации, они используются для мониторинга качества воздуха в закрытых помещениях.