Možnosti měření oxidu uhličitého – měřicí přístroje a čidla
Příspěvek popisuje vlastnosti oxidu uhličitého a možnosti jeho měření. Poskytuje základní přehled dostupné měřicí techniky, podrobněji jsou popsány měřicí principy a typy čidel s ohledem na jejich využití v různých aplikacích.
Úvod
Měření koncentrace oxidu uhličitého v ovzduší se provádí zejména za účelem řízení kvality vnitřního vzduchu, za účelem zajištění podmínek hygieny a bezpečnosti práce a za účelem řízení technologických parametrů v průmyslových procesech. Kvalita ovzduší v místnostech má významný vliv na pracovní pohodu a udržení pozornosti osob. Vyšší koncentrace CO2 vedou k předčasné únavě, při delší expozici mohou vést k bolestem hlavy nebo jiným indispozicím [4].
Jedním z možných důvodů měření koncentrace CO2 v místnostech je získání informace pro efektivní řízení větrání. Zajištění trvale nízké koncentrace CO2 v místnostech může být, především v chladnějších ročních obdobích, energeticky náročné.
Požadavky na přístroje pro měření koncentrace CO2 ve vnitřním prostředí nejsou vysoké. Obvykle se měří v místnostech s normálními okolními podmínkami, měřicí rozsahy jsou požadovány do maximálně 5000 ppm (0,5 % obj.) a nejsou kladeny ani zvláštní požadavky na přesnost a spolehlivost měření.
Pro zajištění podmínek hygieny a bezpečnosti práce je z hlediska výskytu CO2 nutné dodržovat zákonné limitní koncentrace na pracovištích, a to zejména na místech, kde se při výrobě používají suroviny, provozní prostředky a postupy, které s sebou nesou riziko vzniku vyšších koncentrací CO2. Zvláštním oborem bezpečnostního měření se zvýšeným rizikem jsou stísněné prostory, kde může dojít vlivem CO2 ke vzniku nedýchatelné, životu nebezpečné atmosféry. Jelikož průmyslové aplikace bývají doprovázeny náročnými okolními podmínkami, jako jsou prašnost, vysoké i nízké teploty, vlhkost, působení chemických látek, vibrace, je účelem větrání často ochrana zdraví. Při volbě měřicích přístrojů je nutné posoudit rizika a zvolit odpovídající technickou úroveň měřicí techniky. Požadované měřicí rozsahy v průmyslových aplikacích bývají obvykle nejméně do 5 % obj. CO2.
Obory procesního měření koncentrace CO2 mohou být úzce specializované a v požadavcích na měřicí techniku natolik individuální, že přesahují rámec tohoto článku.
Charakteristika CO2 a jeho působení na člověka
Oxid uhličitý (CO2) je bezbarvý plyn, bez zápachu, 1,52× těžší než vzduch. Vzniká reakcí kyslíku s uhlíkem – oxidací organických látek, spalováním uhlovodíků, spalováním CO a je produktem látkové výměny většiny organismů.
Za mezní hodnoty z hlediska kvality vnitřního ovzduší se považují koncentrace CO2 do 1 500 ppm. Koncentrace nad 1000 ppm mohou být individuálně vnímány jako tzv. „těžký vzduch“.
Limitní koncentrace CO2 na pracovišti z hlediska činnosti lidského organismu stanovuje nařízení vlády č. 361/2007 Sb. Přípustný expoziční limit (PEL), při kterém je povoleno pracovat 8 hodin denně, 5 dní v týdnu, je 9 000 mg/m3 ≈ 5 000 ppm (0,5 % obj.); nejvyšší přípustná koncentrace na pracovišti (NPK-P) je 45 000 mg/m3 ≈ 25 000 ppm (2,5 % obj.) [5].
| Koncentrace CO2 | Komentář, symptomy |
|---|---|
| < 400 ppm | koncentrace ve venkovním vzduchu |
| < 1 000 ppm | doporučená úroveň CO2 ve vnitřním prostředí |
| < 1 500 ppm | maximální doporučená úroveň CO2 ve vnitřním prostředí |
| > 1 500 ppm | příznaky únavy, snižování koncentrace, ospalost, letargie |
| < 5 000 ppm | maximální bezpečná koncentrace CO2 bez zdravotních rizik |
| > 5 000 ppm | příznaky nevolnosti, bolesti hlavy, zvýšený tep |
| > 10 000 ppm | při dlouhodobém působení prokázány zdravotní problémy |
| > 40 000 ppm | životu a zdraví nebezpečná koncentrace [7] |
Obr. 1 Orientační graf potřeby vzduchu v závislosti na fyzické činnosti
| Rok | 1750 | 1800 | 1850 | 1900 | 1925 | 1950 | 1970 | 1990 | 2012 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO2 [ppm] | 275 | 280 | 286 | 295 | 304 | 308 | 322 | 354 | 393 |
Vystavení organismu vyšším koncentracím CO2 se již považuje za zdraví, resp. životu nebezpečné a nelze podle nich navrhovat komfortní větrací zařízení. Snížení koncentrace CO2 pod hranice hygienických limitů je úkolem pro systémy havarijního větrání.
Vysoké koncentrace CO2 nad 6 % obj. vedou při delší expozici k silným bolestem hlavy, zvýšení krevního tlaku, hučení v uších a pocitům nevolnosti; při koncentracích nad 10 % obj. CO2 se mohou dostavit epileptické křeče, svalové poruchy, pokles krevního tlaku a bezvědomí s nebezpečím udušení; koncentrace nad 18 % obj. CO2 způsobují krátká ochrnutí a poruchy vědomí, které již mohou mít smrtelné následky; 40 % obj. CO2 má za následek téměř okamžitě bezvědomí a během několika minut smrt [1].
Člověk produkuje CO2 při dýchání v množství, které je závislé na charakteru fyzické činnosti. Vydechovaný vzduch obsahuje cca 4 % obj. CO2. Na obr. 1 jsou znázorněny typické fyzické činnosti s uvedením potřeby vzduchu v litrech za minutu.
CO2 patří mezi tzv. skleníkové plyny. Od nástupu průmyslové revoluce se vlivem působení člověka koncentrace CO2 ve venkovním ovzduší postupně zvyšuje.
Celosvětové emise v současné době překračují 30 miliard tun CO2. Zvyšování koncentrace CO2 působením člověka se ze 75 % připisuje spalování fosilních paliv a z 20 % vlivu kácení lesů [1].
Přístroje pro měření koncentrace CO2
Přístroje pro měření koncentrace CO2 lze rozdělit podle charakteru jejich použití na:
- přenosné,
- stacionární.
Podle způsobu měření je dále možné rozdělení přístrojů na přístroje pro:
- měření okamžité koncentrace,
- kontinuální měření.
Typickým představitelem jednoduchého a spolehlivého zařízení pro měření okamžité koncentrace jsou detekční trubičky.
Obr. 2 Detekční trubička pro měření koncentrace CO2 (před měřením a po měření)
Měření se provádí tak, že se detekční trubičkou pomocí mechanické nebo elektrické pumpy prosaje definovaný objem vzduchu, přičemž dojde vlivem chemické reakce detekční vrstvy trubičky s CO2 k jejímu zabarvení. Délka zabarvení detekční vrstvy odpovídá koncentraci CO2. Stupnice vyznačená na trubičce udává naměřenou koncentraci.
Zvláštním druhem detekčních trubiček jsou difuzní trubičky, které pracují bez prosávací pumpy a měří průměrnou koncentraci CO2 za časový úsek několika hodin. Průměrná koncentrace se vypočítá z délky zabarvení stupnice a času, po který se měření provádělo.
Detekční trubičky byly v minulosti prakticky jediným upotřebitelným zařízením pro terénní měření koncentrace plynů. Postupem vývoje měřicích metod přenosných elektronických přístrojů význam trubiček částečně klesá, nicméně v řadě aplikací zůstávají technicky i ekonomicky nejvhodnější metodou měření. Jednou z výhod detekčních trubiček je, že se dodávají v provedeních pro široké spektrum měřicích rozsahů. Dobrou přesnost měření koncentrace CO2 zaručují výrobci v tolerancích ±5 až ±15 % po celou dobu použitelnosti, která je obvykle 2 roky od data výroby.
Přenosné a stacionární elektronické přístroje pro měření CO2
Tyto přístroje pracují obvykle kontinuálně a aktuální měřenou koncentraci obvykle zobrazují v číselné podobě na displeji. Měřený signál předávají ve standardních analogových veličinách nebo komunikačních protokolech do informačních či řídicích systémů klimatizace. Čidla přenosných a stacionárních elektronických přístrojů pracují na třech hlavních principech.
1. Optický IR (infračervený) senzor
Obr. 3 Principiální schéma IR senzoru
Senzor pracuje na základě absorpce části IR spektra v molekulách CO2. Měřítkem koncentrace je zeslabení intenzity infračerveného záření určité vlnové délky, které převádí detekční prvek – pyrodetektor na elektrický signál. Tento princip představuje nejlepší výsledky měření, vyznačuje se selektivitou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou životností. Nevýhodou je vyšší pořizovací cena.
Postupem vývoje byly ze senzorů využívajících vlastností IR spektra eliminovány citlivé pohyblivé součásti, tlakové senzory byly nahrazeny pyrodetektory s přesnými filtry a současné kvalitní senzory zpravidla obsahují plnohodnotné kompenzační prvky. Současná pokročilá senzorová technika je z hlediska konstrukce dostatečně robustní a dovoluje nasazení bez zvláštních ohledů i v náročnějších podmínkách.
Jistým limitujícím faktorem měřicích vlastností IR senzorů je skutečnost, že vyšší koncentrace CO2 vedou k tzv. „oslepnutí“ senzoru. Více molekul je schopno pohltit prakticky veškeré IR záření sledovaných vlnových délek, což se projeví na úbytku kvality měřicího signálu v oblasti vyšších měřicích rozsahů. Vyšší přesnosti měření (pod ±5 %) tak paradoxně dosahují IR senzory určené pro nižší měřicí rozsahy v řádech tisíců ppm.
Podle požadovaných vlastností měření jsou pro měření koncentrace CO2 nejlépe využitelné vlnové délky 7,20 μm, 14,99 μm a 4,256 μm [1].
2. Elektrochemický senzor
Obr. 4 Principiální schéma tříelektrodového elektrochemického senzoru
Senzor vytváří měřicí signál úměrný koncentraci sledovaného plynu, který vzniká reakcí molekul sledovaného plynu s elektrolytem, uzavřeným v těle senzoru. Materiál elektrod, elektrolyt i napětí mezi elektrodami jsou zvoleny tak, aby na měřicí elektrodě docházelo k elektrochemické reakci doprovázené vznikem volných elektronů. Elektronika měří a zesiluje tento velice nízký proudový signál, který odpovídá koncentraci cílového plynu.
Dobré měřicí vlastnosti elektrochemického senzoru doprovází v případě CO2 nevýhoda poměrně krátké životnosti senzoru, která je cca 1 až 2 roky. Rychlejší stárnutí senzorů je způsobeno chemickými změnami vedoucími k postupnému vyčerpání elektrolytu. Pro zachování přesnosti měření je nutné změny citlivosti senzoru kompenzovat novou kalibrací. Zatímco se přesnost měření bezprostředně po kalibraci pohybuje v rozmezí ±5 %, mohou chyby měření již po 1 až 3 měsících přesahovat 20 %. Vzhledem k potřebě častější kalibrace se elektrochemické senzory pro měření CO2 používají častěji v přenosných přístrojích, ve stacionárních systémech se téměř nepoužívají.
3. Polovodičový senzor
Obr. 5 Principiální schéma jednoduchého polovodičového senzoru
Jedná se o nejlevnější řešení, avšak jeho měřicí vlastnosti nejsou použitelné pro určování exaktní koncentrace CO2. Měření koncentrace je založeno na změně vodivosti polovodiče za přítomnosti cílového plynu. Použitelnými materiály jsou zejména oxidy kovů (např. oxidy zinku, cínu, wolframu, india). Na povrchu tohoto materiálu se vytvoří ve vzduchu rovnovážný stav s molekulami kyslíku, který se za přítomnosti jiného plynu poruší a způsobí změnu vodivosti.
Polovodičové senzory nejsou využitelné v bezpečnostních průmyslových aplikacích. Nízká selektivita, nelineární průběh a časová nestabilita (drift) signálu vymezují jeho použití především pro hlídání nastavených limitů a signalizaci jejich překročení, a to pouze v nízkých měřicích rozsazích.
Obr. 6 Přístroj MSR PolyGard IAQ pro měření koncentrace CO2 a VOC pro řízení klimatizace
Doménou polovodičových senzorů je, díky jejich výhodné ceně a dlouhodobé životnosti senzorů v čistém prostředí, komerční a domovní technika. V oboru senzorů pro klimatizaci a větrání jsou na trhu řešení, která potlačují některé omezující vlastnosti. Přístroje pracují například tak, že jejich elektronika po každém ukončeném cyklu větrání automaticky posune výchozí hodnotu kalibrace na aktuální měřicí signál, který se v daný okamžik považuje za hodnotu odpovídající čistému vzduchu. Takový postup dostatečně spolehlivě a účelně řeší problém driftu senzoru a minimalizuje nároky na údržbu.
Obr. 7 Příklady přenosných přístrojů pro měření koncentrace CO2 (Dräger Pac 7000 s elektrochemickým senzorem a Dräger X-am 5600 s IR senzorem)
Obr. 9 Příklad stacionárního přístroje pro měření koncentrace CO2 v průmyslovém provedení (Dräger PIR 7200)
Příklady přenosných přístrojů pro měření koncentrace CO2 jsou uvedeny na obr. 7. Jedná se o přístroje, které jsou kromě zobrazení měřené hodnoty vybaveny varovnými funkcemi při překročení nastavených úrovní koncentrace a mají paměť pro uložení naměřených hodnot.
Na obr. 8 jsou ilustrace příkladů přístrojů pro stacionární použití. Lze je provozovat jako samostatné přístroje se zobrazením měřených hodnot, případně s podobnými funkcemi, jako přenosné přístroje, nebo jako prvky rozsáhlých systémů, které spolupracují s řídicím systémem budovy. Obr. 9 ilustruje příklad stacionárního přístroje pro průmyslové aplikace.
Obr. 8 Příklady stacionárních přístrojů pro měření koncentrace CO2 v budovách (Dräger VarioGard 3300 s IR senzorem, MSR PolyGard D3 s IR senzorem)
Závěr
Měření koncentrace plynů neprobíhá přímým způsobem. K vygenerování upotřebitelného měřicího signálu musí senzory využívat a kombinovat více fyzikálních a chemických principů. Tato složitá cesta způsobuje technická omezení měřicích rozsahů, rychlostí odezvy, přesnosti a požadavků na provozní podmínky. Volba přístrojů pro měření koncentrace CO2 by měla vždy vycházet ze zhodnocení charakteru aplikace a účelu použití. Přístroje se liší měřicími vlastnostmi, technickými vlastnostmi, cenou, náročností na údržbu, životností, rozhraním pro reprodukci a přenos měřené hodnoty atd.
Pokud je účelem občasné měření nebo měření pro kontrolní účely, mohou být vhodnou volbou detekční trubičky. Pro frekventovanější měření a osobní bezpečnostní aplikace lze doporučit přenosné přístroje s IR nebo elektrochemickými senzory. Upřednostňovanou volbou pro stacionární bezpečnostní komerční a průmyslové aplikace by měly být přístroje s IR senzory připojené na měřicí ústřednu. Pro aplikace řízení větrání a klimatizace v budovách je podle nároků na kvalitu měřené hodnoty vhodné volit přístroje s IR senzory nebo ekonomicky výhodnější přístroje s polovodičovými senzory. Podle typu použitého řídicího systému je možné zvolit přístroje s výstupními kontakty nebo spojitým výstupním signálem.
Správný výběr a nasazení techniky pro měření plynů je vždy potřebné doplnit o procesy, které zajistí provozuschopnost a funkčnost přístrojů. Standardním postupem je pravidelná kontrola a kalibrace přístrojů odborným servisním personálem, která by se měla provádět minimálně jedenkrát za rok. Přístroje používané v bezpečnostních aplikacích se navíc obvykle testují v kratších intervalech. Funkční zkouška, tzv. bump-test, spočívá v aplikaci cílového plynu o známém složení na senzor a sledování správné odezvy přístroje, případně celého měřicího systému. Bezpečnostní manažeři v průmyslových podnicích stále častěji vyžadují provedení funkční zkoušky před každým nasazením přístroje. Pro testy a jejich automatickou evidenci dodávají někteří výrobci specializovaná zařízení.
Použité zdroje
- [1] JESSEL, W. Gase-Dämpfe-Gasmesstechnik. Lübeck: Dräger Safety AG & Co. KGaA, 2001. ISBN 3-9808076-0-6.
- [2] DrägerSensor® & Portable Instruments Handbook. Lübeck: Dräger Safety AG & Co.KGaA, 2009.
- [3] Drägerwerk AG. Technické materiály [online]. 2014. Dostupné z: http://www..draeger.com
- [4] MSR Electronic. Technické materiály. Basics of gas measuring technique [online]. 2014. Dostupné z:
http://www.msr-electronic.de - [5] Nařízení vlády č. 361/2007 Sb. ze dne 12. prosince 2007, kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci.
- [6] ČSN EN ISO 16000-26. Vnitřní ovzduší – Část 26: Postup odběru vzorků při stanovení oxidu uhličitého (CO2). 2013.
- [7] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). Dostupné z: http://www.cdc.gov/niosh/idlh
- [8] World Meteorological Organization . A summary of current climate change findings and figures. Wmo.int [online]. November 2013. Dostupné z: http://www.wmo.int
The article describes properties of carbon dioxide and the possibilities of its measurement. It provides a basic overview of available measuring techniques. Measuring principles and sensor types are described in more detail, with respect to their use in various applications.