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日志

VOC传感器如何进行IAQ监测以及VOC传感器工作原理

已有 500 次阅读2018-1-12 10:05 |个人分类:传感器| voc传感器

一、VOC的定义
VOC,即挥发性有机物(Volatile Organic Compounds)。美国环境署(EPA)对VOC的定义是:除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、碳酸盐以及碳酸铵外,任何参与大气中光化学反应的含碳化合物。百度百科对VOC的描述是:“在常温下可以蒸发的形式存在于空气中,它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性,会影响皮肤和黏膜,对人体产生急性损害……是一类重要的空气污染物。”

每个人平均每天吸入大约15kg的空气,其中80%是室内空气。户外空气品质一般是由政府机构进行监测,而室内空气品质(IAQ)监测则是建筑物营运业者或居住者的责任——前提是他们愿意实际执行。现在,新一代小型表面贴装的低功率挥发性有机化合物(VOC)气体传感器已经上市,通过小型、低成本的元件即可实现分散式、本地IAQ监测功能,因此,用户可以更容易地操作建筑物中的空气流动和空气过滤设备。

二、VOC的危害

当VOC在居室空气里达到一定浓度,人们会开始感到头痛、恶 心、四肢乏力;假如继续长时间逗留,会伤害肝、肾、大脑和神经系统,甚至可能引起抽搐、昏迷、导致记忆力减退,带来严重后果。 VOC危害如此严重,可它又是从何而来呢?专家指出,墙壁、天花板、地面等建材, 以及乳胶漆、墙纸、绝热材料、粘合剂等装饰材料都是VOC的主要来源。 需要特别指出的是:装修最常使用的乳胶漆的VOC,主要来自于原材料的VOC,包括甲醛、氨、乙二醇等,所以控制原材料的VOC含量至关重要!就内墙乳胶漆的VOC含量,国家《室内装饰装修材料有害物含量》规定不应超过200克/升;“环境标志认证标准”也要求≤100克/升;发达国家的标准更苛刻,欧盟标准中哑光类乳胶漆的VOC含 量须≤75克/升。

本文介绍新型VOC传感器的工作原理,以及它与绝对单一气体传感器的不同之处。同时,ISweek工采网小编还介绍传感器如何提供数据,使得空气管理设备能够更高效且有效地因应室内空气品质的变化。

三、如何进行IAQ监测?

目前,商业建筑物的专业营运方一般利用一、两类空气品质数据来控制通风和空气过滤系统的运作。最常见的是,他们使用单一气体——通常是二氧化碳(CO2)进行绝对测量。他们也会参考居住者对空气品质的主观判断。

因为人类呼出CO2,所以有人在的房间里,CO2浓度随时间的推移而增加是正常的,因此,在没有足够通风的情况下,房间中的人越多,CO2浓度就越高。

室内空气中CO2浓度过高会让人有“闷”的感觉,想打瞌睡、精神不集中,而且无法有效决策。因此,现在配备CO2传感器的商业建筑物管理系统,就可以根据测得的CO2浓度调节、过滤和/或者通风设备的运作。目的在于保持室内空气新鲜舒适,同时降低热交换率,因为人为加热或冷却空气的作法,既浪费金钱又耗费了能源。

事实上,CO2浓度是代表某一空间中人员密度的适当方式。而且由于人类会生产VOC和CO2——在科学上称之为“生物排放”,现在的建筑物营运方通常认为配置了调节CO2浓度功能的空调设备也能充分调节室内空气中多种VOC的浓度。

实际的考虑因素支持了这种假设。CO2传感器元件经过多年发展,封装、价格和功耗特性已经非常具有吸引力,足以确保其能整合至主流建筑物自动化设备的电路板中。

直到最近,可选的VOC浓度测量方法还相当有限。有一些测量和分析悬浮于空气中VOC的方法,包括光电离、火焰电离、比色管和波长吸收等是比较轻便的方法。而在实验室中,倾向于结合使用气相层析与质谱(称为GC-MS)的方法。

然而,这些方法并不适合用于紧凑、本地化、低功率的空气品质传感设备,因为他们不是体积太大就是功耗太高。

这就是为什么推出新一代金属氧化物VOC传感器的原因,现在它可提供表面贴装IC型封装,功率只有毫瓦级,对于IAQ监测领域来说非常令人期待。这些低成本、紧凑型的低功耗VOC传感器件很容易整合于灯具、空调、风扇以及风扇远端控制装置等日常用品——甚至是手机中。分散式的本地VOC传感是切实可行的,而且也是发展趋势之一。

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通常会在室内发现的VOC类型及其来源(图1)

因此,空调设备使用者应重新考虑他们是否还只是依赖于CO2数据。事实上,VOC浓度不会随着CO2浓度的变化而上升和下降,主要有两个原因:

首先,并不是所有的VOC都是由人产生的;其次,人类产生CO2的速率是持续的,而且在不活动时一般会相当稳定。然而,人类产生VOC是波动,例如在饭后一段时间内会上升。

根据美国国家标准技术研究所(NIST)建筑物和消防研究实验室的报告指出:“许多污染源并非仅来自居住者,还包括建材的排放物,以及从户外进入建筑物的污染物等。CO2浓度并不能提供与居住者无关的释放源所排放的污染物浓度等数据。”

例如,在只有一个人的房间中,二氧化碳传感器记录到室内空气中的CO2浓度较低,但最近重新安装了新家居和地毯,还用黏胶在房间的墙壁和地板上黏贴了一些固定装置。在这种情况下,房间中的空调设备通常被配置为在此环境下提供最小通风量,导致唯一的居住者呼吸大量的悬浮VOC。

室内空气中高浓度的VOC显着影响到居住者的舒适感。CO2是无味的,但VOC气味很重,而且(大部份VOC)令人不愉快。

然而,空气中VOC的影响不仅仅是让人感到不舒服。美国国家环境保护局(EPA)网站列出了短期和长期的健康影响,指出这些影响可能与室内空气中的VOC有关。EPA指出的这些影响包括: 眼睛、鼻子和喉咙有刺激感 ;头痛、失去协调和恶心;损害肝、肾,以及中枢神经系统;一些有机物会导致动物癌症;有些甚至被怀疑或已知会导致人类癌症。

因此,上面的这些实例促使OEM开始在IAQ监测设备中使用表面贴装VOC传感器。

四、VOC气体传感器的工作原理

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芯片型VOC气体传感器的工作原理(图2)

VOC元件本身可检测到多种VOC,并提供对应于VOC浓度变化的相对输出。当配备了板载处理器时,该传感器还能够计算多种VOC的等效相对值。由于这些元件的输出是相对的,因此不需要校准。

另外,还有一类绝对输出气体传感器:它们对于安全攸关的应用来说是理想的也是必要的选择,在这些应用中,某些气体浓度过高会对生命或者健康构成直接威胁。这种绝对输出元件通常: 相对比较昂贵;只能检测一种气体;需要定期校准以提供准确的输出数据。

在IAQ监测应用中这些因素显然不受欢迎。VOC传感器是对这种重要但有限绝对测量源的补充:这种传感器能够检测到多种VOC,因此可以用于检测由一种或者多种VOC化合物引起的室内空气品质变化——而这会影响建筑物内的人。

在IAQ监测中,例如ams CCS811(2.7mm x 4mm x 1.1mm,LGA封装)或iAQ-CORE(接脚布局为15mm x 18mm的整合传感器模组)等宽频谱传感器,并非针对安全攸关应用的某种特殊气体报告其绝对ppm值,而是提供环境中多种VOC浓度的相对变化值,包括但不限于图1所列出的。

在IAQ监测应用中,VOC传感器可以与绝对输出CO2传感器一起使用,随时为CO2浓度提供确切的基准。VOC传感器补强了绝对CO2的测量,采集有关VOC事件的其它数据,这些数据不一定与居住者(通常是CO2浓度升高的主要原因)直接相关,如图3所示。

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图3:在多人使用会议室数小时后,VOC传感器和CO2传感器同时运作时的测量值比较

图3中,在VOC传感器指示空气品质下降期间,CO2传感器完全没有任何动静,这可能是由于在会议休会期间使用清洁化学品,或者来自打印机和复印机等设备的排放造成的。因应VOC传感器的输出(而非CO2传感器的指示),通常会有更好的通风;因此,在此例中,出现VOC事件期间,将会为居住者改善房间中的空气品质。

五、空调系统测量数据的标定

诸如CCS811或iAQ-Core等VOC传感器能够有效地检测空气中VOC浓度随时间的变化。但是,如何使用这些数据来管理空气过滤或空气流动设备的运作?

今天,空气管理系统的配置通常为了因应所测量的CO2浓度绝对值。因此,iAQ-Core和CCS811包括执行所提供算法的处理器,计算相对eCO2(等效CO2)值以及相对TVOC(总挥发性有机化合物)值。如此,则可让空气品质管理系统设计人员将来自传感器的输入转换为适当的指令,例如提高通风设备的风扇速度,或者把通风口开宽一些——或在VOC浓度下降后,放慢过滤和/或者空气交换速度以降低能耗。

根据测试显示,eCO2的计算相对值参考适当的基准值,且主要是由人类VOC排放引起的,与绝对CO2传感器测量的实际CO2浓度变化密切相关(参见图4)。

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图4:在7天时间内,将来自ams MOX气体传感器计算标定的eCO2值与由绝对CO2传感器测量的实际值进行比较

六、整合IAQ监测的新机遇

如今,芯片型VOC传感器的尺寸、成本和功耗等优势,使其成为空调系统管理区域的分散式传感来源,将它们整合于空气品质管制系统中只是时间早晚的问题——最终将建立一个更健康、更愉快的工作、生活和娱乐环境。

还可以在以前不具有空气品质感测功能的终端产品中整合小型表面贴装VOC传感器,从而体现了这类传感器的价值所在。例如,炊具罩中的宽频谱VOC传感器可以检测原料和熟食气味、烟雾、清洁剂等产生的空气中VOC浓度的变化,根据这些变化自动管理气流。这样,厨师就不用去手动操作换气设备了。

VOC传感器在任何室内空间都非常有帮助,包括公共交通工具、私家车以及医院、办公室和商店等公共建筑。由于这些传感器非常小,足以和其他电子元件一起安装在PCB上,因此几乎可以与任何连接元件整合,从而轻松地连接至空气管理系统。

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