Der CO2-Gehalt in der Raumluft gibt Aufschluss über deren Qualität. Ein einfacher Sensor verrät, wann es Zeit zum Lüften ist.
Die Atmosphäre der Erde besteht zu 78 Prozent aus dem Gas Stickstoff, zu 21 Prozent aus Sauerstoff und zu 1 Prozent aus Argon. Je nach Umgebung kommen dazu noch bis zu 4 Prozent Wasserdampf hinzu. Kohlendioxid ist lediglich mit einem Anteil von 0,04 Prozent vertreten.
Dieser Anteil, zusammen mit den Strahlen der Sonne und einigen Spurenelementen aus dem Boden, ermöglicht den Pflanzen jedoch das Wachstum. Menschen und Tiere erzeugen dagegen Energie durch das Umwandeln von Nahrung mit Sauerstoff. Dabei geben sie Kohlendioxid ab, typischerweise 4 Prozent in der Atemluft beim Menschen.
Darüber hinaus scheiden Menschen Aerosole aus, die respiratorische Krankheiten wie Grippe oder Covid-19 übertragen können. Aus diesem Grund dient der CO2-Gehalt als Indikator für die Qualität der Luft in geschlossenen Räumen. Übersteigt er einen Wert von 1000 ppm, der sogenannten Pettenkofer-Zahl, ist Lüften angesagt. Der gesetzliche Grenzwert für den Arbeitsplatz liegt bei 5000 ppm.
Vor der industriellen Revolution lag der CO2-Anteil in der Atmosphäre bei 0,02 Prozent oder 200 ppm. Seitdem steigt er nahezu linear, moduliert von jährlichen Schwankungen. Im Jahr 2020 lag das Mittel bei 413,6 ppm.
Kohlendioxid ist klimawirksam. Es blockiert Infrarotstrahlungsfenster bei den Wellenlängen von 4,3 und 15 µm. Je höher die Konzentration, desto mehr strahlt zur Erde zurück und umso höher liegt die Gleichgewichtstemperatur zwischen Sonnenein- und Infrarotaustrahlung. Im Gegensatz zu anderen Klimagasen (etwa Methan) ist Kohlendioxid stabil und verbleibt über Jahrtausende in der Atmosphäre.
MOX-Sensoren
Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren (MOX) adsorbieren vorwiegend organische oder reaktive Gase. Abbildung 1 zeigt zwei Module mit den Bezeichnungen MQ2 und MQ3. Sie messen die Widerstandsänderung durch Gasadsorption auf einer dünnen Metalloxidschicht (MOX), typischerweise Zinnoxid. Um eine Sättigung zu vermeiden, wird das System im Einsatz geheizt. Deshalb umgibt als Explosionsschutz eine Metallgaze die Sensoren.
Abbildung 1: Gassensoren des Typs MQ2 und MQ3 messen die CO2-Konzentration durch Widerstandsänderung auf einer Metalloxidschicht.
Vor der ersten Inbetriebnahme muss ein Sensor dieser Bauart ausgasen. In Abbildung 2 erkennen Sie, wie der Widerstand am gerade eingeschalteten Sensor zunimmt und der Spannungsabfall am Lastwiderstand abnimmt. Die Halbwertszeit im gemessenen Zeitfenster liegt bei 600 Sekunden. Das Datenblatt empfiehlt ein Vorheizen von vielen Stunden. Adsorptionssensoren sind preiswert, reagieren aber unspezifisch auf viele Gase und lassen sich nur schwer eichen. Kohlendioxid erkennen Sie fast gar nicht.
Abbildung 2: Die Ausheizkurve eines MQ3-Sensors zeigt, wie sich durch die Wärme der Widerstand verändert.
NDIR-Detektoren
Nichtdispersive Infrarotdetektoren (NDIR) messen die Absorption von Infrarotstrahlung bei einer fest eingestellten Wellenlänge (nichtdispersiv), die bei CO2 typischerweise bei 4,3 µm liegt. Ein Fotodetektor misst dabei die Absorption eines kurzen Lichtimpulses. Je weniger Licht ihn erreicht, desto höher liegt der Kohlendioxidgehalt. Alle Komponenten sind in dem nur wenige Zentimeter großen Gehäuse verbaut (Abbildung 3).
Abbildung 3: Der CO2-Sensor MH-Z19 mit Seriell-USB-Interface misst den Einfall von Infrarotlicht auf einen Detektor.
Durch die weiß drapierten Fenster vorn und an der linken Gehäuseseite diffundiert das Umgebungsgas ins Innere. Unter der Beule der Vorderseite sitzt eine Glühlampe als Infrarotquelle. Der Innenraum ist verspiegelt, um möglichst wenig Licht durch Streuung zu verlieren. Werden die Abdeckungen der Fenster beschädigt, gelangt unter Umständen Schmutz in den Messraum. Dadurch verliert der Detektor an Empfindlichkeit.
Der Sensor MH-Z19 kommuniziert über mehrere Schnittstellen mit der Außenwelt. Im Test haben wir uns auf die serielle Schnittstelle beschränkt. Im Prinzip könnte er über die UART-Anschlüsse Pin 8 und Pin 10 mit einem RasPi sprechen. Stattdessen führen wir die Versuche mit einem Seriell-USB-Wandler durch (rechts in Abbildung 3).
