VOC Sensor Praesentation Sensortec 1_2013

Für maßgeschneiderte Luftqualitäts-
Lösungen in Gebäuden!
Intelligent Air Qualitiy Geräte

Übersicht
• Einleitung
• iAQ Sensor Messprinzip
• CO 2 Vorhersage Algorithmus
• Beispiel-Anwendungen
• Drift des Basiswiderstandes
• Langzeitstudie
• Zusammenfassung
• Produkte mit iAQ Sensoren
• Referenzen
Sensortec GmbH / Ins

Einleitung
• Die Messprinzipien marktüblicher Luftgütesensoren lassen sich in zwei
Gruppen einteilen. Zum einen gibt es die CO 2 Sensoren, bei denen
hauptsächlich die Technik der Infrarotabsorption zum Einsatz kommt,
zum anderen die Halbleitergassensoren, bei denen der elektrische
Widerstand einer beheizten, halbleitenden Sensorschicht durch die
Anwesenheit von Flüchtigen organischen Komponenten, kurz VOCs
(engl., Volatile Organic Compounds) moduliert wird.
• Sensortec iAQ Luftgütesensoren sind mit einem Halbleitergassensor,
kurz MOS (engl., Metal Oxide Sensor) ausgestattet, welcher bereits
seit Jahren erfolgreich zur bedarfsgerechten Lüftungssteuerung
eingesetzt wird.
Sensortec GmbH / Ins

iAQ Sensor Messprinzip
Der VOC Gehalt von Innenräumen wird größtenteils durch die
anwesenden Personen und ihre Aktivitäten bestimmt. So ist die Atemluft
eine stete Quelle flüchtiger Metabolismusprodukte (VOCs) und
Hauptursache für den Lüftungsbedarf in Räumen. Jedoch werden auch
beim Kochen oder Arbeiten mit Reinigungsmitteln VOCs freigesetzt. Das
Luftgütemodul (engl. Intelligent Air Qualitiy Module), kurz iAQ-Modul
detektiert den ansteigenden VOC Pegel und errechnet einen
proportionalen CO 2 -Wert. Die VOC/CO2-Korrelation wurde durch
Messungen unter Realbedingungen ermittelt. Das Sensortec iAQ-Modul
bietet deshalb folgende Vorteile:
• der Anwender benötigt kein Wissen um die Chemie der VOCs und
kann die in der Lüftungstechnik bekannte CO 2 -Skala verwenden!
• die den MOS Sensoren inhärenten Drifteffekte werden bei der
Berechnung durch einen Algorithmus kompensiert!
• der Sensor ist wartungsfrei und benötigt keine Rekalibrierung!
• Tages- und jahreszeitliche Schwankungen der Luftfeuchtigkeit werden
ausgeglichen!
Sensortec GmbH / Ins

iAQ Raumsensor Anwendung
Energie = Kosten sparen mit „Demand Controlled Ventilation“ (DCV)
VOCs
(Gerüche)
CO 2
CO
Temperatur
Temperatur
+ Zeit
Zeit
______________________________________
+ Σ VOCs
+ = CO HVAC Control
2 = f(ΣVOCs)
______________________________________
= DCV
Sensortec GmbH / Ins

Verhältnis zwischen VOCs und CO 2
Beispiel: Ein Morgen in einem besetzten Besprechungsraum ohne Lüftung...
• Mischgas = CO 2 +VOC‘s
VOCs/Mischgas
CO 2
Körper Gerüche
Fenster
öffnen
VOCs/Mischgas
• VOCs = Volatile Organic
Compounds = Gerüche,
etc.
CO 2
9:00 10:00 11:00 12:00 13:00
Durch den Menschen generiertes CO 2 hat immer eine proportionale Menge
VOC‘s!
iAQ Sensoren nutzen dieses Gesetz der CO 2 Vorhersage, basierend auf den
Werten welche durch den Chemischen Gas Sensor an VOC Konzentration
ermittelt wurde.
Sensortec GmbH / Ins

CO 2 Vorhersage Algorithmus
Vorhersage CO 2
realer CO 2
Level 2
Level 1
Level 0
Std. Schwellen Grenzen: Level 0: „reine Luft“ 330ppm
Level 1: Pettenkofer Wert 1000ppm
Level 2: DIN 1946 P2 1500ppm
Level 3: MAK Wert 2000ppm
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Besprechungsraum (Morgendliches Briefing)
1500
true CO 2
predicted CO 2
1500
Perfekte Korrelation
zwischen CO 2 und
Mischgasen (VOCs)
1000
1000
500
500
17.11.2006 07:00
17.11.2006 09:00
17.11.2006 11:00
17.11.2006 13:00
17.11.2006 15:00
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Schulklasse (170 m3, 30 Schüler, 1 Lehrer)
3500
3000
2500
true CO 2
predicted CO 2
3500
3000
2500
• 4 Schulstunden am
Vormittag
• Viele Ereignisse,
klass., schultypischer
Sägezahn
• Extreme CO 2 -Werte
2000
1500
2000
1500
• Sehr gute Korrelation
zwischen CO 2 - und
Mischgasereignissen
1000
1000
500
500
31.01.2007 07:30
31.01.2007 08:30
31.01.2007 09:30
31.01.2007 10:30
31.01.2007 11:30
31.01.2007 12:30
31.01.2007 13:30
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Schlafzimmer (1 Nacht, 2 Erwachsene, 18m 2 Schlafzimmer mit
2.3m Raumhöhe, Fenster geschlossen)
5000
4000
true CO 2
predicted CO 2
5000
4000
• Extreme CO 2 Werte
• Perfekte Korrelation
zwischen CO 2 und
VOCs
3000
3000
2000
2000
1000
1000
0
0
04.11.2006 18:00
05.11.2006 00:00
05.11.2006 06:00
05.11.2006 12:00
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Kinderzimmer (1 Nacht, 2 Kinder)
3000
2500
true CO 2
predicted CO 2
3000
2500
• Bemerkenswerte
CO 2 -Werte
• Exzellente Korrelation
zwischen CO 2 - und
Vorhersage
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
17.11.2006 19:00
17.11.2006 23:00
18.11.2006 03:00
18.11.2006 07:00
18.11.2006 11:00
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Fitnessstudio (1 Nachmittag)
1000
true CO 2
predicted CO 2
1000
• 1/2-tägige
Überwachung
• Mischung von
VOC- und CO 2
Ereignissen
• Exzellente
Konsistenz
zwischen CO 2 und
VOC-Werten
500
500
12.12.2006 14:00
12.12.2006 16:00
12.12.2006 18:00
12.12.2006 20:00
12.12.2006 22:00
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Kantine (Wo reine CO 2 –Sensoren versagen!)
1000
true CO 2
predicted CO 2
1000
• Perfekte
Korrelation
• Gerüche
dominieren
500
500
25.10.2006 06:00
25.10.2006 12:00
25.10.2006 18:00
26.10.2006 00:00
26.10.2006 06:00
26.10.2006 12:00
26.10.2006 18:00
27.10.2006 00:00
27.10.2006 06:00
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

CO 2
[ppm]
Prediction [ppm]
Toilette (Wo reine CO 2 –Sensoren versagen!)
5000
4000
3000
true CO 2
predicted CO 2
5000
4000
3000
• CO 2 -Wert verbleibt
bei guter
Luft
• VOC-basierte
Vorhersage
erkennt größeres
Geruchsereignis
2000
2000
1000
1000
0
0
22.01.2008 14:40
22.01.2008 14:50
22.01.2008 15:00
22.01.2008 15:10
22.01.2008 15:20
22.01.2008 15:30
22.01.2008 15:40
22.01.2008 15:50
Legende
• Blaue Kurve: CO2 Konzentration [ppm CO 2 ], gemessen von einem mitlaufenden, unabhängigen CO 2 -Sensor
• Türkise Kurve: Vorhersage der CO2-Konzentration in ppm CO 2 – Äquivalenten auf Basis der gemessenen
Mischgase und dem AppliedSensor Algorithmus
Sensortec GmbH / Ins

Drift des Basiswiderstandes
Zwei Luftgütemodule wurden an einem Veterinärwissenschaftlichen Institut zur Luftgütebestimmung in
Schweineställen eingesetzt. Ein Sensor wurde als Rückstellmuster nur in einem Büro betrieben, der andere
wurde im Stall einer sehr aggressiven Atmosphäre ausgesetzt:
- extrem hohe Konzentrationen von Ammoniak (>>100ppm)
- sehr hohe Konzentration von VOCs
- sehr hohe Luftfeuchtigkeit
Nach der Testinstallation im Schweinestall wurden
beide Module verglichen:
Graph 1: Unterschiedliche Basiswiderstände (Rohdaten) zweier
MOS Sensoren in Büroluft
Beim Betrieb der Module in einem Büro kommt es durch die
anwesenden Personen zu einer Fluktuationen des VOC Gehalts,
dabei erreicht der Sensor durch ausreichendes Lüften immer
wieder seinen Basiswiderstand. Es fällt auf, dass die Basiswiderstände
der Module von ihrer Historie abhängige Werte
zeigen und um ca. 80kOhm gegeneinander versetzt sind. Das
iAQ-Modul berechnet aus den Widerstandswerten die CO 2 -
Äquivalente, welche in Graph 2 gezeigt sind.
Graph 2: Berechnete CO 2 -Äquivalente von Büroluft
Das Büro verfügt über eine zentrale Lüftungsanlage; die
Büroluft war bis auf die zwei Maxima bei 15:00 und 16:30
durchgehend mit gut zu bewerten.
Trotz der unterschiedlichen Basiswiderstände sind die
berechneten CO 2 -Äquivalente identisch.
Fazit: Der eingesetzte Algorithmus kompensiert die Basisliniendrift zuverlässig.
Sensortec GmbH / Ins

Langzeittest
Zwei Module wurden 6 Jahren im Außenbereich des Firmengebäudes permanent betrieben. Als Regenschutz
dient ein 50cm langes, nach beide Seiten offenes Plastikrohr mit 10cm Durchmesser, in dem die Module
untergebracht sind. Die Temperaturschwankungen reichen von ca. -20°C bis +40°C.
Widerstandsverlauf
Der Verlauf des Basiswiderstandes der Module ist in Graph 3 gezeigt
und kann in 3 Sektionen eingeteilt werden:
- Start-up Phase, die ersten 6 Stunden:
der Sensorwiderstand durchläuft ein Maximum. Die ersten 6 Stunden
werden als „Burn-In“ bezeichnet, in diesem Zeitraum wird nicht
gemessen und stattdessen ein voreingestellter CO 2 -äquivalenter Wert
ausgegeben.
- Stabilisierungsphase, die ersten Tage bis Wochen:
der Basiswiderstand zeigt eine erhöhte Drift, die Funktionalität des
iAQ Moduls ist durch die automatische Driftkorrektur voll gegeben
- Sättigungsphase, nach mehreren Wochen:
Der Basiswiderstand erreicht ein Plateau, die luftfeuchtebedingten /
tageszeitlichen Schwankungen sind größer als die Sensordrift und
werden durch den eingesetzten Algorithmus kompensiert.
Graph 3: Widerstandsverlauf (Rohdaten) von
iAQ-Modulen im Außenbereich
Die durch lineare Regression ermittelte Drift im sechsten Betriebsjahr ist nicht signifikant und kann
vernachlässigt werden.
Sensortec GmbH / Ins

Der Einfluss der Alterung auf die Empfindlichkeit
Die Module aus dem Langzeittest wurden nach drei und sechs Jahren Dauerbetrieb in einer Messkammer,
zusammen mit Referenzmodulen, gemessen. Als Test Gas wurde ein komplexes VOC Gemisch als Simili für
„schlechte Luft“ eingesetzt, welches durch die Messkammer gepumpt wurde.
Vorhergesagter CO 2 -Wert für “schlechte Luft” nach 3 und nach 6 Jahren Betrieb.
Die Diagrammen zeigen typische Signale einer Messung mit Pulsen von Test Gas, wobei die Kurvenform durch den Messaufbau
beeinflusst wird und daher kein Rechteckprofil zeigt.
Fazit: Nach 3 und 6 Jahren Betrieb gibt es zwischen Testmodulen und Referenzen keinen signifikanten Unterschied.
Zusammenfassung Langzeittest:
Ausgehend von den hier dargestellten Langzeit- und Stresstests mit iAQ Modulen, kann unter normalen
Betriebsbedingungen (Lüftungsanlagen von Büro- und Schulgebäuden, Hotels, Privathaushalte, etc.) auf eine
Lebensdauer von mind. 8-10 Jahren geschlossen werden.
Sensortec GmbH / Ins

Zusammenfassung
• Sensortec iAQ-Module sind ideal für die
– Steuerung von zentralen und dezentralen Lüftungssystemen
– Automatisierung manueller Lüftungen
– Erweiterung / Nachrüstung
und tragen deshalb signifikant zu Betriebskosteneinsparungen und
besserer Luft bei!
• Reine CO 2 -Sensoren erfüllen zurzeit zwar Standards, sind aber
unzureichend für die Luftgütebestimmung!
• Die iAQ-Familie erfasst Geruchsereignisse und führt eine hinreichende
Rückführung auf den CO 2 -Standard durch – zu einem sehr günstigen
Preis!
Sensortec GmbH / Ins

Produkte mit iAQ Sensoren:
Kanal Luftqualitätsfühler VOC/CO2
KAQ-100
KAQ-200
Kanal Luftqualitätsfühler VOC/CO2 , IP65, 24VAC/DC, 0...10V,
Einbaulänge 50mm
Kanal Luftqualitätsfühler VOC/CO2 , IP65, 24VAC/DC, 0...10V,
Einbaulänge 200mm
Luftqualitäts- Kombifühler VOC/CO2
RAQ-100-A Luftqualitätssensor aufputz, Mischgas/CO2-Equivalent 350-
2000ppm CO2, aufputz
Raumluftqualitätsfühler VOC/CO2
RAQ-100-E
Raumluftqualitätssensor Mischgas VOC/CO2-Equivalent, im
Feller EDIZIOdue up Design, 350-2000ppm CO2, Ausgang
0...10V
Raumluftqualitätsfühler VOC/CO2 mit Kommunikations-Schnittstelle
RAQ100E-LON
RAQ100E-EIB
Raumluftqualitätssensor Mischgas VOC/CO2-Equivalent, im
Feller EDIZIOdue up Design, 350-2000ppm CO2, LON-FTT10
Raumluftqualitätssensor Mischgas VOC/CO2-Equivalent, im
Feller EDIZIOdue up Design, 350-2000ppm CO2, EIB/KNX®
Sensortec GmbH / Ins

Fachbeitrag aus dem cci Wissensportal
29. März 2011 Autor: Editiert von Rolf Grupp
Luftgüte richtig messen mit VOC-Sensoren
Rolf Grupp
Leitung cci
Wissensportal
Die Luftqualitätsmessung mittels CO2-Sensoren ist „en vogue“. Dabei geht sie häufig an der Wirklichkeit vorbei, denn
auf schlechte Gerüche oder VOC reagieren CO2-Sensoren überhaupt nicht: Die Sonne scheint durch das Fenster auf
den Teppichboden, und dieser emittiert daraufhin flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compound -
VOC), die die Raumluft belasten. Der CO2-Sensor, der die Qualität der Raumluft messen soll, merkt nichts. Er würde
auch bei anderen Luftverunreinigungen versagen, z. B. Küchengerüchen oder menschlichen Ausdünstungen. Eine
realitätsnahe Bestimmung der Raumluftqualität ist mit einem CO2-Sensor in vielen Fällen daher nicht möglich. Der
Artikel beschreibt die genauere Luftqualitätsmessung mittels VOC-Sensoren.
VOC in CO2-Äquivalenten
CO2-Sensoren (grün) reagieren nicht auf
Gerüche, Zigarettenrauch und andere VOC.
VOC-Sensoren (blau) messen daher deutlich
bedarfsgerechter.
Ein CO2-Sensor berücksichtigt zwar die Personenzahl und die Art der
Raumnutzung, aber erst durch den Einsatz eines VOC-Luftgütesensors
ergibt sich der wirkliche Zuluftbedarf. VOC-Sensoren messen also deutlich
bedarfsgerechter, allerdings war diese Art von Sensoren bislang viel zu
teuer für einen flächendeckenden Einsatz in Gebäuden.
Einsatzgebiete von VOC-Sensoren sind wie bei CO2-Sensoren die
Steuerung von zentralen Lüftungsanlagen, von dezentralen
Lüftungsgeräten oder z. B. Fenstermotoren. AppliedSensor, Reutlingen,
bietet einen VOC-Sensor, der die Metalloxid-Halbleiter-Technologie (Metal
Oxide Semiconductor - MOS) nutzt. Aus einem Summensignal aller im
Mischgas enthaltenen Komponenten wird per Algorithmus ein Luftgütewert
in CO2-Äquivalenten ermittelt, das heißt, der Luftgütesensor setzt die VOC-
Werte direkt mit einem (errechneten) CO2-Gehalt der Raumluft in
Beziehung.
Artikelnummer: cci2814
Sensortec GmbH / Ins

Fachbeitrag aus dem cci Wissensportal
29. März 2011 Autor: Editiert von Rolf Grupp
Arbeitsweise
Rolf Grupp
Leitung cci
Wissensportal
Beim Metalloxidsensor wird die elektrische Leitfähigkeit eines halbleitenden, nanokristallinen Metalloxids gemessen,
das auf einem beheizbaren Substrat aufgebracht ist. Der auf ca. 350 °C erhitzte Sensor fängt die erschnüffelten Gase
- CO, Alkohole, Ketone, organische Säuren, Ammoniakderivate (Amine), aromatische und aliphatische
Kohlenwasserstoffe - durch Chemisorption am Metalloxid und verbrennt sie. Die bei diesem Prozess im Halbleiter
freigesetzten Elektronen führen zu einer Änderung des elektrischen Widerstands. Ein Summensignal sorgt bei
Überschreiten eines Grenzwerts beispielsweise für die automatische Aktivierung der Lüftung. Das Metalloxid kehrt
durch Aufnahme von Luftsauerstoff wieder in seinen Ausgangszustand zurück, wobei die Leitfähigkeit wieder den
Ausgangswert annimmt. Der Sensor besitzt auch nach Jahren des Betriebs eine gleich bleibend hohe Empfindlichkeit,
er muss also nicht nachkalibriert werden. Ein Vorteil des Sensors ist seine geringe Baugröße (22 x 38 mm) und sein
geringer Stromverbrauch (30 mA, 5 V, 150 mW). Frakta hat den Sensor in einen Luftgütefühler für Luftkanäle
integriert und bietet ihn als Stand-alone-Produkt an, das über USB an einen PC angeschlossen wird und so die
Luftbelastung ermittelt und optisch (rot-gelb-grün) anzeigt.
Anwendung in einer Toilette. Während der
CO2-Sensor „gute“ Luft signalisiert, weiß es
der VOC-Sensor besser, wie der deutliche
Ausschlag signalisiert. (Alle Abb.
AppliedSensor)
Artikelnummer: cci2814
Die Abbildung zeigt die Vorder-/Sensorseite
des „iAQ- 2000“. Man sieht die Platine und die
in einer TO-39-Metallkappe mit
Schutzmembran
gekapselte
Sensorkomponente. Die Platine misst gerade
22 x 38 mm.
Sensortec GmbH / Ins