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Gas Sensoren zum Messen von VOC und Feinstaub

Erstellt von Maria Alejandra Salazar Martinez, Product Sales Manager - Analog & Sensors, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Der moderne Mensch verbringt rund 90% seiner Zeit in Innenräumen, sei es zu Hause oder im Büro, im Restaurant, Kino oder Fitnessstudio. Hier kann die Luftqualität durch schädliche Gase und Feinstaub stark beeinträchtigt sein. Maria Alejandra Salazar Martinez, Product Sales Manager Analog & Sensors bei Rutronik, erklärt, wie Gassensoren in Smart-Home-Geräten helfen können, die Luftqualität zu verbessern.

In der Zimmerluft sammeln sich Stoffe aus Teppichen und Möbeln, Farben, Klebern, Lösungsmitteln, Reinigern, Kosmetika und vom Menschen selbst. Viele von ihnen, wie Aceton, Ethanol oder Xylol, gehören zu den VOCs (Volatile Organic Compounds, flüchtige organische Verbindungen). Sie können sich negativ auf das Wohlbefinden auswirken, wenn ihre Konzentration 220ppb (parts per billion) übersteigt. Mögliche Folgen eines zu hohen VOC-Gehalts sind Kopfschmerzen, Schwindelgefühl sowie trockene und gereizte Schleimhäute, Produktivität und Konzentrationsfähigkeit lassen nach.

Ein zu hoher VOC-Gehalt lässt sich relativ einfach verhindern, beispielsweise durch Öffnen der Fenster oder mit Hilfe von Klimaanlage, Lüftung oder speziellen Luftreinigern. Um die Luftqualität nachhaltig zu verbessern, sollten die Hauptverursacher der VOC-Emissionen wenn möglich entfernt werden. Doch welche sind das? Und wann ist der VOC-Gehalt überhaupt zu hoch? Um diese Fragen beantworten zu können, ist es nötig, deren Konzentration zu kennen. Hierfür stehen entsprechende Gassensoren zur Verfügung.

Die meisten Gassensoren, die auch VOC erfassen, haben nur eine unzureichende Langzeitstabilität, d.h. ihre Sensitivität lässt relativ schnell nach, ihre Ansprechzeit wird stetig länger. Als Ursache hierfür konnte der Hersteller Sensirion Siloxane identifizieren. Diese chemischen Verbindungen aus Silizium- und Sauerstoffatomen kommen in Kosmetika, Waschmitteln, Silikonölen und bei der Gefriertrocknung zum Einsatz. Für Menschen sind Siloxane ungefährlich, doch sie schädigen das Sensor-Element von Metalloxid Gassensoren.

Deshalb hat Sensirion einen Siloxan-resistenten Metalloxid Gassensor mit bislang unerreichter Langzeitstabilität entwickelt. Hierfür hat der Hersteller seine spezifische Metalloxid-Technologie mit einer Multipixel-Plattform kombiniert. Die Plattform enthält vier Sensor-Elemente mit unterschiedlichen Sensor-Materialien in einem 2,45mm x 2,45mm x 0,9mm kleinen DFN-Gehäuse mit I2C Schnittstelle und einem vollständig kalibrierbaren Ausgabesignal für Luftqualität. So ermöglicht der Gassensor SGP die Messung eines einzelnen Gases und die Multi-Gas-Messung. Die nicht benötigten Sensorelemente lassen sich nutzen, um Störgase zu kompensieren.

Damit können sich Smart-Home-Geräte wie Lüftungs- oder Klimaanlagen intelligent je nach Luftqualität selbsttätig einschalten und regulieren. Das macht sie zudem besonders energieeffizient. Zeigt ein Babyfon mit integrierter VOC-Messung immer den aktuellen Wert an, lassen sich Babys und Kleinkinder vor zu hohem VOC-Gehalt schützen, Quellen können lokalisiert werden.

Einen Schritt weiter geht die Umweltsensorik. Hier werden gemessen:

  • VOC
  • Feuchtigkeit
  • Temperatur
  • Luftdruck
  • Feinstaub
  • evtl. weitere Parameter

Smart-Home und IoT-Geräte, die all diese Werte berücksichtigen, können die Luftqualität noch weiter verbessern, für ein Höchstmaß an Komfort sorgen und helfen, die Gesundheit zu schützen. Gleichzeitig verbessert sich ihre Energieeffizienz.

Der Gassensor BME680 von Bosch Sensortec vereint die Sensorik für VOC, Umgebungstemperatur, relative Feuchtigkeit und Luftdruck in einem 3mm x 3mm x 0,95mm kleinen Gehäuse. Damit ermöglicht er:

  • die Messung der Luftqualität in Innenräumen
  • die Bestimmung von Luftmengen und -strömungen
  • Warnung vor Trockenheit
  • Warnung vor hohen Temperaturen
  • eine bedarfsgerechte und energieeffiziente Steuerung von Smart Home Geräten wie Heizung, Klimaanlage, Lüftung

Auch der Gas-Detektor selbst ist energieeffizient: Durch intelligente Algorithmen arbeiten nicht alle Sensoren immer im Messmodus, trotzdem liefert der BME680 sehr schnell aktuelle Werte. Damit eignet er sich auch für mobile Geräte, beispielsweise Fitnesstracker oder Smart Watches.

Einen anderen Ansatz für die Umweltsensorik verfolgt Sensirion: Für den Hersteller zählen neben Temperatur, Feuchtigkeit und VOC auch Feinstaub und CO2 zu den Schlüsselparametern.

Feinstaub enthält zur Hälfte Teilchen mit einem Durchmesser von 2,5µm (PM2,5), die andere Hälfte besteht überwiegend aus noch kleineren Teilchen. PM2,5 gehören zu den gefährlichsten Luftschadstoffen, da sie in die menschliche Lunge gelangen, Asthmaanfälle auslösen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen begünstigen können.

Der Feinstaub-Sensor SPS30 von Sensirion basiert auf dem Messprinzip der Laserstreuung. Sie ermöglicht zusammen mit hochwertigen Komponenten eine präzise Feinstaub Messung über die gesamte Lebensdauer des Sensors von mindestens acht Jahren. So lassen sich Smart Home Geräte zur Überwachung der Luftqualität realisieren, die helfen Langzeitschäden durch Feinstaub zu verhindern. Der Gas-Detektor SPS30 kommt im Q4 2018 auf den Markt.

CO2 ist neben den VOC ein maßgeblicher Indikator für die Luftqualität. Laut DIN EN 13779 ist die Raumluft bis zu einem CO2-Gehalt von 800ppm gut, ab Werten von 1400 ppm gilt die Luftqualität als niedrig.

Das CO2 und RH/T (Relativ Humidity/Temperature) Sensor-Modul SCD30 von Sensirion misst den CO2-Gehalt mit hoher Genauigkeit dank Sensirions CMOSens® Technologie für die IR-Detektion. Dabei kompensiert das Sensor Modul Langzeitdrifts automatisch mit Hilfe des Zweikanalprinzips. Zudem ist auf dem Sensor Modul ein Sensor für Feuchtigkeit und Temperatur integriert, die externe Wärmequellen ohne zusätzliche Komponenten modellieren und kompensieren. So ermöglicht der SCD30 Smart-Home-Geräte mit genauer und stabiler Überwachung von CO2, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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