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Saubere Innenluft zum Atmen
Teil 2: Sensoren zur Ermittlung der Luftgüte – IAQ-Überwachungssysteme

Einen umfassenden Eindruck von der Innenraumluftqualität (IAQ) erhält man erst nach Erfassung der sie beeinflussenden Parameter und der komplexen Bewertung ihrer Einflüsse auf die menschliche Gesundheit. Die CO2-Konzentration als alleiniges Lüftungskriterium heranzuziehen greift zu kurz. Auf jeden Fall sind mindestens flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und Feinstäube für eine sachgerechte Bewertung mit heranzuziehen.

Bild 10: iAQ-2000-Chip Zwei der angebondeten Drähte dienen der Signalleitung, die beiden anderen der Heizstromzuführung

Die Innenraumluft ist das wichtigste Umweltrisiko für die allgemeine Gesundheit. Gemäß der Weltgesundheitsorganisation leiden weltweit hunderte von Millionen Menschen an die Atmung betreffenden Problemen. 1,6 Millionen Chinesen sterben jährlich an den unmittelbaren Folgen der Luftverschmutzung. Als gefährlichster Schadstoff gilt Feinstaub mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 μm Durchmesser (PM2,5), der tief in die Lunge eindringen und Herzinfarkte, Schlaganfälle, Lungenkrebs, Asthma usw. auslösen kann.

Eine Verbesserung der IAQ würde unser aller Lebensqualität verbessern und den Volkswirtschaften jährlich enorme Kosten ersparen. Eine problemgerechte Sensorik, kluge und lernfähige Diagnostik und nicht zuletzt schadstoffarme Wohnumgebungen mit ausgefeilter Raumluftaustausch- und -reinigungstechnik (die separat im 3. Teil vorgestellt wird) wäre der richtige Weg.

VOC-Sensoren

Die selektive Erfassung einer spezifischen flüchtigen organischen Verbindung ist schwierig. Ideal wäre es zwischen hunderten von VOCs und ihren Konzentrationen unterscheiden zu können, was die gegenwärtig verfügbaren Sensoren aber nicht leisten.

MOS-Sensoren

Aktuell werden überwiegend Sensoren eingesetzt, die auf der Metalloxid-Halbleiter-Technologie (metal oxide semiconductor – MOS) beruhen. Sie sind kompakt, preisgünstig und reaktionsschnell, aber feuchtigkeitsempfindlich, nichtlinear und mit einer Langzeitdrift behaftet. Ein MOS-Sensor gibt ein Summensignal ab, welches alle im Mischgas enthaltenen VOCs widerspiegelt. Aus dem Summensignal wird per Algorithmus ein Luftgütewert in CO2-Äquivalenten ermittelt, d. h. der Luftgütesensor korrelliert die VOC-Werte direkt mit dem (errechneten) CO2. So wird die Bestimmung der Einzelgase und ihrer Konzentration nicht notwendig.

Das Funktionsprinzip eines solchen Sensorchips beruht auf der Änderung des Widerstands eines halbleitenden nanokristallinen Metalloxidfilms (typisch Zinndioxid SnO2) als Sensormaterial bei erhöhten Temperaturen (typischerweise um 200 °C). Folgende Vorgänge laufen in vereinfachter Form ab:

1. In sauberer Luft ohne VOC-Anteile werden die Donatorelektronen im Sensormaterial von Sauerstoffmolekülen, die sich an seiner Oberfläche anlagern, gebunden. Es entsteht eine Verarmungsschicht, die Leitfähigkeit nimmt ab und es fließt wenig oder kein Strom, siehe Bild 8a.

2. In Anwesenheit des zu reduzierenden VOC-Gases nimmt die Oberflächendichte des angelagerten Sauerstoffs ab, da er mit dem reduzierenden Gas reagiert. Die Elektronen werden wieder an das Zinndioxid freigegeben, wodurch sie sich unter dem Einfluss des Feldes zwischen den Sensorelektroden frei bewegen können – ein Strom fließt (siehe Bild 8b).

Bild 9 zeigt als Beispiel den Metall-Oxid-Halbleitersensor iAQ-2000 des Herstellers AppliedSensor. In der zylindrischen, an der Oberseite durch einen Filtervlies verschlossenen Kapsel befindet sich ein als MEMS (Micro Electro Mechanical System) ausgeführter 2 x 2 mm großer Chip (Bild 10). Man erkennt die vier Anschlüsse – zwei für die die Kontaktierung der Sensorschicht und zwei für die Versorgung des Heizelements mit Strom.

Weil das zu erhitzende Sensormaterial eine äußerst geringe Masse hat, ist es mit wenigen mW elektrischer Leistung auf die gewünschte Reaktionstemperatur aufzuheizen.

Der Sensor detektiert eine Vielzahl von Substanzen:

  • Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Propan (LPG: Liquid Petroleum Gas),
  • Alkohole,
  • Aldehyde,
  • aliphatische Kohlenwasserstoffe,
  • aromatische Kohlenwasserstoffe,
  • Amine,
  • Ketone,
  • organische Säuren.

Die gemessenen Konzentrationen dieser Stoffe werden in ein summarisches CO2-Äquivalent zwischen 350 und 2 000 ppm umgerechnet. Werden vorgegebene Luftqualitätslevel für ein bestimmtes Gas überschritten, gibt der Sensor ein Alarmsignal an die Klimaanlage ab, um die Lüftung zu verstärken. Manche Sensoren rechnen den VOC-Wert gleich in sein CO2-Äquivalent in ppm um und geben ihn nicht in ppb (parts per billion = Teile pro Milliarde) aus.

PID-Sensoren

Photoionisationsdetektoren (Photo Ionization Detector – PID) verwenden hochenergetische Photonen im ultravioletten Spektralbereich um die VOC-Moleküle unter Freisetzung eines Elektrons in positiv geladene Ionen aufzubrechen (Bild 11). Die freien negativ geladenen Elektronen wandern zur Anode, die positiv geladenen VOC-Ionen werden von der Kathode angezogen. Daraus resultiert ein Strom, der als Ausgangssignal dient. Die Stärke des Stroms ist direkt proportional zur Zahl der erzeugten Ionen, die wiederum von der Konzentration der gemessenen Gaskomponente abhängt.

Weil ein PID alle Verbindungen ionisiert deren Ionisationspotential unter der Photonenenergie liegt, ist bei PIDs keine Selektivität (spezifische Empfindlichkeit für eine spezielle Gaskomponente) gegeben.

PIDs weisen eine ausgezeichnete Empfindlichkeit auf, haben einen großen Dynamikbereich und erlauben die Messung von schwachen VOC-Konzentrationen im niedrigen ppb-Bereich vor einem Hintergrund höher konzentrierter anorganischer Gase. Wer sich für diesen Detektortyp näher interessiert, findet im PID-Handbook der Firma RAE Systems eine umfassende Informationsquelle [1].

Die Photonenquelle ist typischerweise eine Gasentladungslampe. Zum Einsatz kommen die Edelgase Krypton (Photonenenergie 10,6 eV), Xenon (Photonenenergie 9,6 eV) und Argon (Photonenenergie 11,7 eV). Die Auswahl der Lampe hängt vom zu untersuchenden Probengas ab. Die Kryptonlampe ist ein guter Kompromiss zwischen breitbandiger Empfindlichkeit und langer Lebensdauer.

PM-Sensoren

Unter Particulate Matter (PM) versteht man Feinstaub verschiedensten Ursprungs, der als Schwebstoff solange in der Luft verweilt, bis er langsam abgesunken ist. Er kann aus den unterschiedlichsten Quellen herrühren (Pilzsporen, Pollen, Milbenkot, Vulkanausbrüche, Öfen, Straßenverkehr, Verbrennungsmotoren, Kraftwerke, Tierhaltung, usw.).

In herkömmlichen photoelektrischen Staubsensoren diffundiert die mit Staub beladene Luftprobe in die Detektorkammer (Bild 12). Dort wird das Licht einer internen Lichtquelle (meist eine LED) auf die Gasprobe gestrahlt. Eine in der Messkammer befindliche Fotodiode ist ebenfalls auf die Gasprobe ausgerichtet. Dieser Bereich wird auch als „region of interest“ (ROI: interessierendes Gebiet) bezeichnet.

Das Design der Kammer stellt sicher, dass sowohl die Fotodiode weder direkt noch indirekt durch Reflexionen an den Kammerwänden beleuchtet wird. Befinden sich Staubpartikel in der ROI, wird Licht an ihnen auch in Richtung der Fotodiode gestreut. Die Menge dieses Lichts führt zu einem proportionalen Ausgangssignal der Fotodiode und hängt vom Reflexionsverhalten der Partikel und ihrer Dichte in der ROI ab.

Andere Sensoren

Die weiteren Verfahren werden nur genannt ohne auf ihre Funktionsweise einzugehen, weil ihre Bedeutung sich meist auf das Labor beschränkt und sie nicht für Echtzeitmessungen in portablen Messgeräten zum Einsatz kommen.

  •  Kolorimetrische Röhren,
  •  Flammenionisationsdetektoren (FIDs),
  •  Tedlar Sampling Bags (zur nachträglichen Analyse von genommenen Proben),
  •   Gaschromatographen mit gekoppelten Massenspektrometern (GC/MS).

Letztere spielen möglicherweise durch die Fortschritte auf dem Gebiet der mikromechanischen Systeme in Zukunft auch im Feld eine Rolle.

Gerätebeispiele

Auf dem Markt sind zahlreiche Indikatoren für die Innenraumluftqualität auf der Grundlage von MOS-Sensoren. Preiswerte Geräte sind ab 25 € erhältlich, bei gesteigerten Ansprüchen an die Vielzahl der Messparameter und die Messgenauigkeit muss man mit mehreren hundert Euro rechnen.

Günstiger Luftgütemonitor

Am unteren Ende der Preisskala ist der Luftgütemonitor WL 1 000 von Fa. TechnoLine angesiedelt. Der gebotene Leistungsumfang ist beachtlich. Neben einer DCF-77-Funkuhr mit Weckalarmfunktion sind ein Thermometer, ein Hygrometer und der MOS-Luftgütesensor integriert. Dessen Messergebnis wird geräteintern in ein CO2-Äquivalent umgerechnet, welches auf dem hintergrundbeleuchtbaren LC-Display in 50-ppm-Schritten zur Anzeige gebracht wird – ein Qualitätsindikator bestehend aus einer horizontalen auf das Gehäuse aufgedruckten Skala und einem Zeiger im Display. Bei Überschreitung eines Grenzwertes wird akustisch durch „Piepser“ und optisch per LED gewarnt.

Autor: K. Jungk

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.


Literatur:

[1] Buch zu Photoionisationsdetektoren (englisch): The PID Handbook.


 

 

Bild (9): VOC-Sensor iAQ-2000 Das Probengas tritt durch das Vlies auf der Vorderseite ein. Der Sensor hat einen Durchmesser von 8 mm.
Bild (8): MOS-Prinzip – die Leitfähigkeit eines aufgeheizten Zinndioxidfilms wird unter dem Einfluss angrenzender VOC-beladener Luft beeinflusst
Bild (11): PID-Prinzip – VOC-Moleküle ionisieren in einem mit energiereichem Licht bestrahlten Probengas
Bild (12): PM-Prinzip – Staub im „Bereich des Interesses“ (ROI) führt zu Streulicht, detektiert von einer Fotodiode

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