Датчик CO₂: измерение углекислого газа¶

Датчик CO₂ — это устройство для измерения концентрации углекислого газа (CO₂) в воздухе или газовых смесях. Относится к классу газоанализаторов, применяется в системах вентиляции и кондиционирования, на промышленных объектах, в сельском хозяйстве, медицине и бытовых приборах контроля качества воздуха. Принцип действия датчиков основан на различных физико-химических методах, наиболее распространённым из которых является недисперсионная инфракрасная спектроскопия (NDIR).

¶Принципы измерения

Основные технологии, используемые в датчиках CO₂, различаются по точности, стоимости и области применения.

¶Недисперсионный инфракрасный метод (NDIR)

Самый распространённый тип датчиков для стационарного и переносного применения. Работает на основе поглощения инфракрасного излучения молекулами CO₂ на характерной длине волны (обычно 4,26 мкм). Внутри датчика расположены инфракрасный излучатель, измерительная кювета (оптическая камера) и фотоприёмник. Интенсивность прошедшего через газ света обратно пропорциональна концентрации углекислого газа. Для компенсации дрейфа и загрязнения оптики современные датчики используют двухлучевую схему с эталонным каналом.

¶Электрохимический метод

Принцип действия основан на измерении тока, возникающего при электрохимической реакции CO₂ на электродах, погружённых в электролит. Такие датчики компактны и потребляют мало энергии, однако имеют ограниченный срок службы (обычно 5–7 лет) и чувствительны к температуре и влажности. Используются в портативных газоанализаторах и сигнализаторах загазованности.

¶Фотоакустический метод

Основан на эффекте генерации акустической волны в газе при поглощении модулированного инфракрасного излучения. Обладает высокой чувствительностью и стабильностью, но требует более сложной конструкции и дороже в производстве.

¶Полупроводниковые (MEMS) датчики

Используют изменение электропроводности тонкой плёнки металлооксида при адсорбции молекул газа. Отличаются низкой ценой и малыми габаритами, однако имеют существенную погрешность, перекрёстную чувствительность к другим газам и требуют периодической калибровки. Применяются в бюджетных бытовых устройствах и системах «умного дома».

¶Ключевые характеристики

Основными параметрами датчиков CO₂ являются:

• Диапазон измерения: обычно от 0 до 2000–5000 ppm (частиц на миллион), для промышленных применений — до 100 000 ppm.
• Точность: для NDIR-датчиков составляет ±50 ppm или ±5 % от показания.
• Время отклика (t90): время достижения 90 % конечного показания, обычно 20–60 секунд.
• Энергопотребление: от долей ватта у электрохимических до нескольких ватт у NDIR с подогревом излучателя.
• Интерфейсы: аналоговый выход (0–10 В, 4–20 мА), цифровые шины (UART, I²C, RS-485), релейные выходы для управления внешним оборудованием.

¶Калибровка и компенсации

Датчики CO₂ требуют периодической калибровки для поддержания точности. Распространённые методы:

• Калибровка по чистому азоту (нулевая точка) — проводится с использованием баллонного газа высокой чистоты.
• Калибровка по атмосферному воздуху — используется для датчиков с диапазоном до 2000 ppm, так как фоновое содержание CO₂ в атмосфере стабильно (около 420 ppm на начало 2020-х годов). Многие датчики имеют функцию автоматической калибровки (ABC), которая периодически корректирует нулевую точку, принимая минимальные показания за длительный период за фоновые.

Дополнительно датчики оснащаются температурной компенсацией, а некоторые модели — компенсацией по атмосферному давлению, так как изменение давления влияет на плотность газа и показания.

¶Применение

• Системы вентиляции и кондиционирования (HVAC): управление приточной вентиляцией по фактическому уровню CO₂ в помещении (спрос-контролируемая вентиляция) позволяет экономить до 30–50 % энергии на нагрев и охлаждение воздуха. Нормы для помещений обычно составляют до 1000 ppm.
• Промышленность: контроль технологических процессов, мониторинг воздуха в шахтах, на химических производствах, в теплицах для оптимизации фотосинтеза (уровни 800–1500 ppm).
• Медицина: в капнографах для контроля выдыхаемого воздуха пациентов, в инкубаторах и барокамерах.
• Бытовые устройства: метеостанции, очистители воздуха, системы «умного дома» для оценки качества воздуха и автоматического проветривания.
• Автомобильная промышленность: датчики в салоне автомобиля для управления режимом рециркуляции воздуха.

¶Ограничения

Основным ограничением NDIR-датчиков является чувствительность к загрязнению оптической поверхности (пыль, масляные аэрозоли), что приводит к дрейфу показаний. Электрохимические датчики теряют чувствительность при низких температурах и требуют замены электролита. Полупроводниковые датчики не обеспечивают высокой точности и сильно зависят от влажности. Также все типы датчиков имеют перекрёстную чувствительность к некоторым газам (например, к оксидам азота, угарному газу), что необходимо учитывать при выборе места установки.

¶Источники

• ГОСТ Р ИСО 16000-26-2013 «Воздух замкнутых помещений. Часть 26. Отбор проб для определения содержания двуокиси углерода (CO₂)».
• Справочник «Газоаналитические приборы и системы», под ред. В. А. Павлова, 2015.
• Технические описания датчиков Sensirion SCD30, Senseair S8, Winsen MH-Z19.