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Kalibrierung von Kohlendioxid-Sensoren für die Raumluftüberwachung

16.11.2021

Kohlendioxid-Sensoren können auch als Indikator für eine gesundheitliche Belastung der Raumluft durch exhalierte Krankheitserreger, z. B. SARS-CoV-2, dienen. Für ihre Kalibrierung und Justierung wurde eine neuartige, auf kritischen Düsen basierende Einrichtung zur dynamischen Herstellung von Kalibriergasgemischen geschaffen, metrologisch charakterisiert und auf kommerzielle Kohlendioxid-Sensoren angewandt.

Kohlendioxid-Sensoren sind geeignet, für die Steuerung und Regelung des Raumklimas wichtige Messwerte bereitzustellen. Kohlendioxid ist für den Menschen ungiftig, jedoch bewirken höhere Stoffmengenanteile eine Reduktion der Sauerstoffversorgung und führen zu Unwohlsein und ab ca. 8 % zum Tode. Der Arbeitsplatzgrenzwert (maximale Arbeitsplatzkonzentration) beträgt 5000 µmol/mol, aber schon erheblich geringere Stoffmengenanteile beeinträchtigen das Konzentrationsvermögen und die intellektuelle Leistungsfähigkeit.

Der bekannte Hygieniker Max von Pettenkofer erkannte bereits vor 150 Jahren, dass der Kohlendioxidanteil auch ein Maß für die Belastung der Raumluft mit sonstigen menschlichen Ausdünstungen ist: „Der Kohlensäuregehalt allein macht die Luftverderbniss nicht aus, wir benützen ihn bloss als Maassstab, wornach wir auch noch auf den grössern oder geringern Gehalt an andern Stoffen schliessen, welche zur Menge der ausgeschiedenen Kohlensäure sich proportional verhalten.“ Dieses gilt auch für ausgeatmete, eventuell mit SARS-CoV-2 belastete Aerosolpartikel. Daher werden Kohlendioxid-Sensoren zunehmend in Klassenräumen, Konferenzsälen, Seminarräumen, Großraumbüros etc. eingesetzt, um über den gemessenen Kohlendioxid-Anteil eine Aussage über die Belastung der Raumluft mit diesen Aerosolpartikeln zu gewinnen und durch geeignete organisatorische Maßnahmen (Lüften) oder technische Mittel (Einsatz von Filtern) zu reduzieren. 

Preisgünstige, am Markt verfügbare Sensoren nutzen als Messeffekt häufig die Absorption infraroter Strahlung durch das Kohlendioxid-Molekül. Eine unabdingbare Voraussetzung für einen sinnvollen Einsatz dieser Sensoren stellt die korrekte Messung des Kohlendioxid-Anteils in der Luft dar, daher bedürfen diese Sensoren einer Kalibrierung mit Gasen bekannten Kohlendioxid-Gehalts. Derartige Gase stehen jedoch im täglichen Einsatz im Allgemeinen nicht oder nur als kostenintensive Kalibriergase mit fester Konzentration zur Verfügung. Eine Bestimmung der Empfindlichkeit des Sensors findet daher während der Lebensdauer des Sensors in aller Regel nicht statt, bestenfalls wird eine regelmäßige Nullpunkteinstellung mit möglichst unbelasteter Raumluft oder Außenluft durchgeführt. 

Um diesem Mangel abzuhelfen, wurde eine neuartige Einrichtung zur dynamischen Herstellung von Prüfgasgemischen aufgebaut, metrologisch charakterisiert und zur Kalibrierung einiger kommerzieller Kohlendioxid-Sensoren angewandt. Diese Gasmischeinrichtung basiert auf der Verwendung kritischer Düsen. Damit wurde ein Vorgemisch, bestehend aus synthetischer Luft mit einem Kohlendioxid-Stoffmengenanteil von 2 %, mit Stickstoff herabgemischt. Als etabliertes Vergleichsverfahren (entsprechend DIN 51898-1) zur Darstellung von Prüfgasgemischen wurde ein Kolbenpumpen-System, bestehend aus 4 Kolbenpumpen, die über ein gemeinsames Getriebe mit unterschiedlichen Hubzahlen betrieben werden können, eingesetzt. Zum Vergleich der mit den beiden Verfahren hergestellten Prüfgasströme wurden zwei Infrarot-Sensoren hoher Qualität eingesetzt.

Der Vergleich beider Systeme mit Hilfe eines Infrarot-Kohlendioxid-Sensors ergab in einem Bereich des Kohlendioxid-Stoffmengenanteils von 500 … 5000 µmol/mol eine Übereinstimmung von ±1,3 %. Eine Unsicherheitsabschätzung für die beiden Systeme lieferte eine Gesamtmessunsicherheit Urel von 0,3 % für das Kolbenpumpen-System und von maximal Urel = 2,3 % für den Düsenmischstand (beides erweiterte Messunsicherheiten mit ca. 95 % Abdeckungsgrad). Der wesentliche Unsicherheitsbeitrag für den Düsenmischstand ist die Unsicherheit des Vorgemisches.

Beide Systeme wurden zur Kalibrierung von sieben kommerziell erhältlichen Infrarot-Kohlendioxid-Sensoren unterschiedlicher Hersteller eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten eine große Bandbreite der Abweichungen, die im besten Fall 0 … -5 % betrugen, jedoch auch +15 … 0 % erreichten. In dem für den Einsatzzweck besonders relevanten Bereich des Kohlendioxid-Stoffmengenanteils von 1000 … 2000 µmol/mol betrug die Abweichung aller Sensoren weniger als ±10 %. Abbildung 1 zeigt das Resultat für einen typischen Sensor.

  

 Abbildung 1 – Kalibrierung eines kommerziellen Kohlendioxid-Sensors mittels Düsenmischstand und Kolbenpumpen-System. Links: Angezeigter Wert x(exp) als Funktion des „wahren“ Wertes x(true). Rechts: Abweichungen x(exp) – x(true) = Δx in Prozent (blaue Kurve) und in µmol/mol (orange Kurve). Die Balken bezeichnen die Standardabweichungen der Messergebnisse.

 

Langzeiterfahrungen über die Stabilität der Sensoren liegen noch nicht vor. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die Sensoren für die Raumluftüberwachung grundsätzlich geeignet sind, sofern eine regelmäßige Kalibrierung erfolgt. Die entwickelte Verdünnungseinrichtung zeichnet sich durch eine sehr gute Langzeitstabilität und einen vergleichsweise geringen Gasverbrauch des Vorgemisches aus und kann somit hierfür einen relevanten Beitrag liefern.

 

Ansprechpartner:

Stefan M. Sarge, FB 1.4, E-Mail: Opens local program for sending emailstefan.sarge(at)ptb.de

Rainer Kramer, FB 1.4, E-Mail: Opens local program for sending emailrainer.kramer(at)ptb.de