Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Leistungsf\u00e4higkeit von Menschen h\u00e4ngt in hohem Ma\u00dfe von der Raumluftqualit\u00e4t ab, die \u00fcblicher-weise in Wohnungen durch handbediente L\u00fcftung erreicht wird; dabei treten aber hohe, unn\u00f6tige Energieverluste auf. Die neue Energieeinsparverordnung EnEV, die am 1.Februar 2002 in Kraft getreten ist, kann in Zukunft nur dann erf\u00fcllt werden, wenn die Haush\u00fclle hinreichend luftdicht ausgef\u00fchrt wird. Der dann f\u00fcr das Wohlbefinden und die Hygiene erforderliche Luftwechsel muss durch eine bedarfsgerechte, dezentrale Heizungs- und L\u00fcftungssteuerung sichergestellt werden. Zur \u00dcberwachung der Raumluftqualit\u00e4t im privaten Lebensbereich k\u00f6nnen CO2-Sensoren eingesetzt werden. Bei eingeschr\u00e4nkter Messge-nauigkeit wird bei der Entwicklung der Sensoren jedoch besonderer Wert auf Eigenschaften wie hohe Langzeitstabilit\u00e4t, geringer Wartungsaufwand, geringer Stromverbrauch sowie geringe Herstellungskosten gelegt. Die Erh\u00f6hung der Messgenauigkeit der Gassensoren kann durch Verbesserung der Eigenschaften des sensitiven Elements, durch Auswahl einer optimalen Auswerteelektronik und durch modell-gest\u00fctzte Korrektur der Wirkung von Einfl\u00fcssparametern erfolgen.
\nWenn NDIR-Gassensoren konsequent weiter entwickelt und hierf\u00fcr noch die erforderlichen grunds\u00e4tzlichen Untersuchungen durchf\u00fchrt werden, sind Anforderungen an CO2-Sensoren in Wohngeb\u00e4uden erreichbar.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden-\tFestlegung des grunds\u00e4tzlichen Sensoraufbaus
\n–\tKonstruktive und fertigungstechnische Untersuchungen zum Aufbau des Sensorgeh\u00e4uses
\n–\tAufbau eines Simulationsmodells f\u00fcr die Komponentenspezifikation und zur Sensorauslegung
\n–\tEntwurf und Aufbau der Elektronik
\n–\tEntwurf der Signalverarbeitungsalgorithmen
\n–\tAufbau mehrerer unterschiedlicher Funktionsmodelle
\n–\tUntersuchungen im Gaslabor
\n–\tAufbau eines Funktionsmodells als Mikrosystem<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein CO2-Sensorsystem f\u00fcr die Anwendung in B\u00fcro- und Wohnbereichen konzipiert und entwickelt. Um Informationen \u00fcber das Raumklima zu gewinnen, ist der Prototyp mit einem Feuchtesensor und einem Temperatursensor ausgestattet. Mit den drei Messparametern CO2-Konzentration, Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur werden die wichtigsten Behaglichkeitskriterien eines Lebensraumes erfasst. Ausgehend von diesen Informationen k\u00f6nnen mit Hilfe von geeigneten Aktoren die Heizungs- und L\u00fcftungssysteme eines Raumes bzw. Geb\u00e4udes geregelt werden.
\nF\u00fcr den Prototyp-Sensoraufbau dient ein Zweikanal-Detektor LIM 142 in einem TO8-Geh\u00e4use. Die Konstruktion des Detektors erlaubt auch den Einbau von Kompensationselementen, um die Einfl\u00fcsse der Umgebungstemperatur zu minimieren. Eine Verkleinerung der Bauform wurde mit dem Detektoren LIM 162 und LIM 262 erreicht. Durch Verwendung eines Zweikanal-Operationsverst\u00e4rkers und eines optimierten Verdrahtungstr\u00e4gers konnte der R\u00fcckkoppelkondensator als zus\u00e4tzliches Bauelement entfallen und ein TO39-Geh\u00e4use gew\u00e4hlt werden. Ein weiterer Vorteil der Detektoren LIM 162 \/ 262 ist die geringe Betriebsspannung von 2,2 V und der niedrige Ruhestrom von kleiner 150 \u00b5A.
\nDer Messaufbau des Sensorsystems erm\u00f6glicht die Auswertung der Detektorantwort eines einzigen Strahlungsimpulses einer Infrarotquelle. Der Leistungsbedarf im so definierten Pulsbetrieb kann durch freie Wahl der Ansteuerungspausen deutlich reduziert werden und erlaubt damit einen breiten Einsatz in Verbindung mit Kommunikationssystemen und durch Batteriebetrieb an beliebigen Standorten. Aufgrund der M\u00f6glichkeit, die Ansteuerungspausen der Infrarotquelle variabel zu ver\u00e4ndern, kann zwischen Chopperbetrieb und Pulsbetrieb gewechselt werden. Die Leistungsaufnahme des gesamten Sensorsystems im Pulsbetrieb betr\u00e4gt 0,8 W, was den an das System gestellten Anforderungen (< 2 W) entspricht. Die Lebensdauer des Systems ist durch die Lebensdauer der Strahlungsquelle begrenzt. Im Einschaltvorgang der Gl\u00fchlampe flie\u00dft aufgrund der steilen Spannungsflanke und des niedrigen Kaltwiderstands bei Raumtemperatur kurzzeitig ein hoher Einschaltstrom, welcher erhebliche St\u00f6rungen verursacht. Um die hohen Einschaltstr\u00f6me zu vermeiden und dadurch auch die Lebensdauer der Gl\u00fchlampe zu verl\u00e4ngern, wird die Quelle mit einer Spannungsrampe angesteuert. \nF\u00fcr die Kalibrierung der Sensoren wurde ein Modellansatz mit einer impliziten Korrektur der Temperatureinfl\u00fcsse am Nullpunkt und zus\u00e4tzlichen Korrektur der Temperatureinfl\u00fcsse auf die Empfindlichkeit verwendet. Die Struktur des Modells und die Anzahl der Modellparameter bestimmen die Anzahl sowie Lage der Messpunkte, die f\u00fcr die Parameterbestimmung notwendig sind. Die mittlere Konzentrationsabweichung der Messung bei Temperatur\u00e4nderung zwischen 5 \u00b0C und 25 \u00b0C betrug vor und nach der Korrektur 124 ppm bzw. 50 ppm. Die angestrebte Messunsicherheit der Messergebnisse von 100 ppm kann durch Kalibrierung an mindestens drei St\u00fctzpunkten bei zwei Konzentrationen und zwei Temperaturen erreicht werden. Zur Reduzierung der Herstellungskosten der vorgestellten pyroelektrischen Detektoren ist k\u00fcnftig eine Umstellung des Herstellungsprozesses von bislang dominierender Manufaktur auf eine vorwiegend automatisierte Fertigung notwendig und geplant. Die Parameterabweichungen der einzelnen Detektoren k\u00f6nnten dann durch fertigungsbezogene Qualit\u00e4tsmessungen erfasst und dem Sensorhersteller in Form von detektorspezifischen Kalibrierungsdaten geliefert werden. Damit kann die notwendige Symmetrierung der Kanaleigenschaften durch Verwendung von Messwerten des Herstellers der pyroelektrischen Detektoren erfolgen.\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\n1.\tPatentanmeldung Juni 2002: G\u00fcrtner, M.; Neumann, N.; Schneider, F.: Verfahren und NDIR-Gasanalysator zur Bestimmung der Konzentration von Gasen und D\u00e4mpfen\n2.\tG\u00fcrtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: CO2-Messung im privaten Lebensbereich. Ludwigsburg (Deutschland), 2002: ITG\/GMA Fachtagung - Sensoren und Mess-Systeme 2002 - ISBN 3-8007-2675-0\n3.\tG\u00fcrtner, M.; Schneider, F.: Low Cost and Low Power Consumption CO2-Sensor. Anchorage Alaska (USA), 2002: IEEE-Proceedings of the IMTC 2002 - ISBN 0-7803-7218-2\n4.\tG\u00fcrtner, M.; Schneider, F.: Active NDIR Pyroelectric Detector for Intermittently Operation. Sousse (Tunesien), 2003: IEEE-International Conference on Signals, Systems and Information Technology (SSD 03)\n5.\tG\u00fcrtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: NDIR Gas Measurement with an Active Multicolor Detector and Pulse Response Evaluation for Low Power Applications. N\u00fcrnberg (Deutschland), 2003: AMA Fachtagung - Sensor 2003\n6.\tG\u00fcrtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: Pulse Response Evaluation of an Active Multicolor Pyroelectric Detector for Low Power NDIR Gas Measurement Applications. Vail Colorado (USA), 2003: IEEE-Proceedings of the IMTC 2003 - ISBN 0-7803-7705-2\n7.\tG\u00fcrtner, M.; Schneider, F.; Neumann, N.: Intelligent CO2-Sensor for the Private Home. Hongkong (China), 2003: Proceedings of the ISMTII 2003\n8.\tZhelondz O., Horn M.: Modelling and kalibration of a NDIR carbon dioxide sensor. International conference Sensors@Systems proceedings, 24-27 Juni 2002, Sankt-Petersburg, Volume I, p. 201-204.\n9.\tZhelondz O., Horn M., Kanoun O., Tr\u00e4nkler H.-R.: Temperature Influence Correction of a NDIR Car-bon Dioxide Sensor. Sensor 2003, 11th International Conference, 13-15 May 2003, Nuremberg, Germany.\n\n\nFazit\n\nUnter Verwendung der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse kann eine breite Markteinf\u00fchrung kosteng\u00fcnstiger Niedrigenergie-NDIR-CO2-Sensorsysteme f\u00fcr den B\u00fcro- und Wohnbereich bis zur Serienreife erfolgen.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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