Čidla znečištění ovzduší: Principy a technologie

Kvalita ovzduší zásadně ovlivňuje zdraví životního prostředí i lidí. Proto je vývoj technologií pro monitoring znečištění ovzduší nezbytným nástrojem environmentálního managementu. Integrace technologií pro sledování znečištění ovzduší umožňuje detailní analýzu kvality ovzduší na lokální i regionální úrovni.

V minulém díle seriálu o kvalitě vzduchu v uzavřených místnostech jsme se zabývali problematikou množství CO2 v místnosti a jeho vlivu na výkonnost / zdraví člověka. I když na vnější pohled mohou vypadat všechny tato měřící zařízení podobně, existuje několik principů měření, které se vzájemně dost liší.

Senzory CO2 a principy měření

Mezi senzory CO2 nevyžadující žádný zdroj elektrické energie patří chemické detekční trubice. Ty poskytují výsledky bezprostředně po provedení měření, kdy je možné naměřenou úroveň koncentrace přečíst na v trubici vestavěné stupnici a také nevyžadují žádnou kalibraci. Navíc ve srovnání s elektronickými detekčními zařízeními jsou levnější a snadněji ovladatelné.

Jedinou nevýhodou je jednorázová funkce, kdy po jedné aktivaci měřícího režimu již trubici nelze dále využít. Princip funkce je založen na změně barvy materiálu trubice, který přichází do styku s měřeným plynem (zde aktuálně s CO2, ale existují trubice i pro různé jiné plyny). Citlivá měřící plocha je umístěna na pevném nosném materiálu v uzavřené plynové trubici. Definované množství okolního vzduchu je nasávané trubicí buď samovolně, nebo s použitím pumpy při potřebě rychlého měření krátkodobých měřících trubic. I nejmenší množství plynu jsou dostatečné k vyvolání reakce.

Elektronické senzory CO2 poskytují přesně opačné uživatelské vlastnosti než výše uvedené elektrochemické trubičky. Potřebují zdroj elektrické energie, a někdy i kalibraci, ale na druhou stranu poskytují opakované či dlouhotrvající průběžné měření koncentrace a obvykle také snadné zobrazení výsledku měření na displeji vyhodnocovacího zařízení, často v přepočtu na různé jednotky (např. ppm, % ).

Čtěte také: Emise a lambda sonda

Infračervené senzory (IR/NDIR)

Infračervené senzory, jinak také označované jako IR nebo NDIR, jsou v současné době asi nejpoužívanější princip pro měření koncentrace CO2. Současní moderní provedení se totiž v běžných měřících podmínkách venkovního prostředí i běžných místností vyznačují ze všech principů pro měření CO2 nejlepší kombinací parametrů přesnosti měření, životnosti (i více než 5 let) a ceny / náročnosti výroby.

IR/NDIR princip měření je založen na měření útlumu intenzity infračerveného světla dopadající / pronikající skrz molekuly plynu. Konkrétně se zde využívají fakt, že molekuly CO2 absorbují záření určité vlnové délky okolo 4,2 mikrometrů (případně i okolo vln. délek 7,2 a 15 mikrometrů), zatímco ostatní plyny vzduchu na této vlnové délce světlo absorbují jen zcela minimálně. Prostě čím vyšší je koncentrace CO2, který se nachází mezi infračerveným zdrojem světla (obvykle infračervená LED diody) a přijímačem světla (fotodioda), tím méně více světla (fotonů) projde molekulami CO2 a tím méně světla dopadne na přijímač. Tento systém pracuje výborně, ale jen do určité maximální koncentrace CO2, která již odfiltruje / zachytí téměř všechno světlo. Další zvýšení koncentrace pak již tedy nemá co dále absorbovat / odfiltrovávat a tedy zvýšení koncentrace již přijímač nerozliší.

V praxi se využívá infračerveného světla z LED zdroje, někdy pak opakovaně odráženého od zrcadel v měřící komoře s plynem, aby se prodloužila trasa světla plynem i při použití malých kompaktních rozměrů senzoru. Na straně přijímače se pak využívá tzv. dvojitý detektor. Ten se sestává z měřicího a referenčního senzoru světla. Zatímco měřící detektor je ozařován světlem procházející měřeným vzduchem s CO2, který část záření absorbuje a měřící detektor tak vygeneruje jen malý elektrický signál, signál referenčního detektoru nezůstává nezměněn, protože na něj dopadající světlo není neprochází měřeným vzduchem. Vzájemným odečtením signálu měřícího a referenčního detektoru se získá "čistá" hodnota koncentrace CO2 a tím se eliminuje kolísání vysílací intenzity paprsku na straně vysílače, znečištění zrcátek a průchozích okének měřící komory.

Elektrochemické senzory (GSE/EC)

Elektrochemické senzory CO2, někdy označované jako GSE či EC, se v dřívějších dobách využívaly hlavně v průmyslových aplikacích, protože poskytovali možnost snímat koncentrace od 100 ppm až do vysokých hodnot okolo 50 000 ppm. Bohužel se však vyznačují poměrně malou životností pouze 1 až 2 roky způsobenou postupnou degradací elektrolytu a současně obvykle vyšší pořizovací cenou v porovnání s NDIR senzory.

Základní princip funkce spočívá ve vytváření elektrického signálu úměrného koncentraci CO2 vlivem reakce molekul měřeného plynu s elektrolytem uvnitř senzoru. Elektrochemický senzor tak v principu své funkce se skládá z nejméně dvou elektrod ( měřící elektroda a protielektroda) a elektrolytu, jejichž chemické složení je přizpůsobené měřenému plynu. Zde tedy CO2. Elektrody mají vzájemný kontakt dvěma různými způsoby: na jedné straně přes elektricky vodivý elektrolyt (kapalina s volnými ionty), na druhé straně přes externí elektrický řídící obvod.

Čtěte také: Více o Peugeot 508 PSE

Základní provedení s dvěma elektrodami (měřicí elektroda a protielektroda) má mnoho nevýhod. Například, pokud by byly přítomny vyšší koncentrace plynů, toto může vést k vyšším proudům v senzoru a tak poklesu napětí, které pak mění předkonfigurované napětí senzoru. Toto, v může vést k produkci nepoužitelných měřicích signálů nebo v nejhorším případě chemická reakce v senzoru, který jde během měření bez povšimnutí. Z tohoto důvodu realizované kvalitní elektrochemické senzory obsahují ještě navíc i třetí elektrodu, tzv. referenční elektrodu, jejíž elektrický potenciál zůstává konstantní.

Polovodičové senzory (MOX/MOS)

Polovodičové senzory CO2, označované jako MOX či MOS, najdete zejména v levných měřících zařízeních nebo někdy jen indikátorech pro obytné místnosti a kanceláře. Jejich princip je založen na změně vodivosti povrchu polovodiče vlivem působením měřeného plynu. Senzor obsahuje snímací element vyrobený z vhodného oxidu kovů (MOX) tak, aby chemicky reagoval s molekulami plynu, polovodič typu n, snímací elektrody a ohřívač.

Nejčastěji používaným MOX je v současnosti SnO2, ale vědci pracují na dalších vhodnějších typech oxidů. Ten snímací prvek se zahřívá na optimální teplotu pro detekci cílového plynu. Typická teplota je v rozsahu 200 až 400°C. Kyslík z atmosféry se absorbuje na snímacím elementu, váže jeho elektrony a vede tak k tvorbě ochuzené vrstvy. Pokud jsou v okolní atmosféře přítomny i molekuly oxidačních nebo redukčních plynů, mohou reagovat s absorbovanými ionty kyslíku a dříve vázané elektrony jsou opět dostupné jako nosiče náboje ve snímacím elementu. Toto vede ke snížení energetické bariéry v pásovém modelu polovodiče, což se projeví zvýšením vodivosti.

V základním stavu tedy dojde na povrchu snímací plošky k rovnovážnému stavu s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší, čímž změní hodnotu vodivosti polovodičového kanálu. Obrovská výhoda tohoto systému je praktická velká mechanická odolnost, životnost i několik desítek let bez potřeby údržby. Tyto nesporné uživatelské výhody jsou ale vykoupeny silně nelineární funkcí a teplotní nestabilitou (výrazným teplotním driftem), které však dnes lze elektronickými vyhodnocovacími obvody snadno eliminovat a hlavně nízkou selektivitou, kdy měření mimo žádaný plyn (zde CO2) může na detekci působit i další plyny, které kontrolovat nechceme.

Infračervené senzory oxidu uhličitého jsou dnes nejběžnější systém pro měření jeho koncentrace. Moderní provedení již i eliminovalo dřívější omezení v malém měřícím rozsahu, čímž prakticky téměř odstranilo u CO2 potřebu použití elektrochemického principu, který nyní poráží již jak v přesnosti měření a stabilitě kalibrace, tak hlavně v životnosti. Pole působnosti pro elektrochemický systém měření CO2 již prakticky zůstal jen v oblasti přenosných profesionálních systémů, kde se využívá jednoho měřícího přístroje, které lze vybavit různými vyměnitelnými elektrochemickými měřícími "patronami" pro různé plyny.

Čtěte také: Bezdotykový koš Barba - stojí za to?

Monitorování prachových částic PM2,5 a PM10

Snímač kvality ovzduší umožňuje měřit koncentraci prachových částic PM2,5. Pro rozsah PM2,5 senzor prachu měří koncentraci prachových částic s průměrem menším nebo rovno 2,5 μm. Senzor dokáže detekovat již částice s průměrem 0,3 μm. Snímač znečištění ovzduší je založen na laserovém senzoru prachu ZH03B, který dokáže měřit zastoupení prachových částic ve vzduchu s velkou přesností a stabilitou.

PM2.5 a PM10 označují pevné částice o průměru do 2,5 µm, resp. 10 µm, které patří mezi nejnebezpečnější látky znečišťující ovzduší. Částice PM2.5 mohou díky své malé velikosti pronikat hluboko do lidských plic a způsobovat řadu zdravotních problémů; například vyvolávat astmatické záchvaty nebo přispívat ke vzniku kardiovaskulárních onemocnění.

Emise a Imise

• Emise - děj, při kterém jsou vnášeny cizorodé látky různého skupenství do ovzduší. Uvádějí se v kilogramech za hodinu nebo v tunách za rok. Množství uvedených znečišťujících látek vypouštěných do ovzduší je evidováno v Registru emisí a zdrojů znečišťování ovzduší (REZZO).
• Imise vyjadřují stav kvality ovzduší, úroveň koncentrace cizorodých látek v ovzduší. Koncentrace jednotlivých škodlivin se vyjadřují průměrem hodnot naměřených na stanoveném místě v určitém časovém úseku jako: průměrná roční koncentrace znečišťující látky (IHr), průměrná denní koncentrace znečišťující látky (IHd), průměrná osmihodinová koncentrace znečišťující látky (IH8h).

Využití senzorů kvality vzduchu

Monitoring znečištění vzduchu bychom měli řešit především ve městech a na dalších vysoce frekventovaných místech. Protože lidé v současnosti tráví velkou část svého času v budovách, je kladen velký důraz na kvalitu okolního vzduchu. Nejčastěji jsou využívány ventilační systémy, které přivádějí do prostoru venkovní vzduch a zajišťují odtah vnitřního vydýchaného vzduchu s vysokou vlhkostí, zápachy a výpary apod.

Nezbytnou součástí všech veřejných budov zejména ve vyspělých západních zemích (např. ve Francii je tato regulace dána zákonem) jsou čidla kvality vzduchu, která se hojně využívají také v domácnostech. Nejčastějšími důvody pro jejich využití jsou energetické a ekonomické výhody - čidla precizně regulují větrání, což je velkou výhodou ve veřejných budovách s proměnlivým počtem lidí uvnitř. Slouží dále k detekci kouře z cigaret, kuchyňských výparů v restauračních zařízeních a využívají se ve výrobních procesech.

Také společnost Protronix, přední český výrobce elektroniky a zabezpečovacích systémů, přichází s novou výrobkovou řadou čidel kvality vzduchu, uváděnou pod názvem AirDog. Jejich konkrétní podoba závisí na látce, pro jejíž detekci je čidlo určeno.

Protronix nabízí čtyři základní druhy čidel AirDog:

• k měření koncentrace oxidu uhličitého (CO2) ve vzduchu,
• k detekci koncentrace znečišťujících látek (tzv. čidlo VOC - kuchyňské výpary, cigaretový kouř apod),
• k měření relativní vlhkosti vzduchu,
• k detekci par organických rozpouštědel.

tags: #cidlo #znecisteni #ovzdusi #princip

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si o noční pohotovosti
• Principy fungování obchodního domu
• Efektivní řešení ucpaného odpadu
• Valašský masopust
• Kompostování: Co do něj patří?