Modellierung und Entwicklung eines Niedrigenergie-NDIR-CO2-Sensors für den Einsatz in Büro- und Wohngebäuden

Zur Überwachung der Raumluftqualität und zur Steuerung von Lüftungsanlagen sollen CO2-Sensoren in Büro- und Wohngebäuden eingesetzt werden. Dabei unterliegen diese Sensoren anderen Anforderungen als im industriellen oder wissenschaftlich-labortechnischen Einsatz. Im Vordergrund stehen daher Sensoreigenschaften wie hohe Langzeitstabilität, geringer Wartungsaufwand, geringer Energiebedarf sowie geringe Herstellungskosten unter sinnvollen Einschränkungen bei der Messgenauigkeit. Die Nicht-Dispersive-Infrarot (NDIR)-Absorptionsmessung ermöglicht genaue und langzeitstabile Messungen bei einem absoluten Messbereich von 300 ppm bis 2.000 ppm. In einem neu entwickelten und hier vorgestellten Messverfahren wird die Infrarotquelle nur noch für einen kurzen Strahlungsimpuls angesteuert und somit der Energieverbrauch des Messsystems reduziert. Ein dazu neu entwickelter und angepasster pyroelektrischer Detektor ermöglicht die Impulsauswertung sowohl in diesem neuen Pulsbetrieb als auch im herkömmlichen Chopperbetrieb. Das Messverfahren und die zugehörigen Detektorparameter wurden mit Hilfe einer Computersimulation und einer Testschaltung evaluiert. Gliederung der Arbeit Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Forschungsprojektes ECOS. Nach der vorangegangenen Einführung in das Problemfeld und daraus resultierenden Zielsetzungen werden in Kapitel 2 die technischen Lösungen zur CO2-Konzentrationsmessung vorgestellt. Dabei werden neben aktuellen Messprinzipien auch zukünftige Lösungen vorgestellt, die schon im Entwicklungsstadium vielversprechende Betriebsparameter vorweisen. In Kapitel 3 werden die verwendeten Komponenten des NDIR-Messsystems in einer rechnergestützten Simulation modelliert. Die theoretische Betrachtung der einzelnen Bauteile und die Kombination der Einzelmodule zu einer durchgehenden Sensorsimulation ermöglichen es, die Zusammenhänge des komplexen Verfahrens zu erfassen. Einzelne grafische Darstellungen der Simulationsergebnisse sind in den Anhang A ausgelagert. Ausgehend von den Erfahrungen aus der Rechnersimulation wird in Kapitel 4 eine erste Sensorrealisierung mit handelsüblichen Komponenten umgesetzt. Die prinzipielle Funktionsweise des neuen, energiesparenden Messverfahrens wird demonstriert. Messungen zeigen jedoch, dass herkömmliche Detektoren in dem neuen Messmodus Schwächen aufweisen. Ein neues Detektorkonzept und dessen mögliche Betriebsarten werden daher entwickelt und in Kapitel 4 vorgestellt. In Kapitel 5 werden die Einzelkomponenten des neuen Sensorsystems evaluiert. Dabei werden mögliche Alternativen bewertet und Parameter zur Beurteilung von Bauteiltoleranzen festgelegt. Im darauf folgenden Kapitel 6 wird das komplette Messsystem auf der Basis von praktischen Messungen beurteilt. Messkurven geben dabei Hinweise auf Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich Leistungsverbrauch, Temperatur- und Langzeitverhalten. In Kapitel 7 wird schließlich die Hard- und Software eines Sensorprototyps vorgestellt. Durch geeignete Kommunikationsschnittstellen und eine einfache Benutzungsoberfläche erfüllt der Prototyp die genannten Anforderungen an ein CO2-Messsystem für den Büro- und Wohnbereich. Zum Schluss fasst das Kapitel 8 die Ergebnisse der Arbeit zusammen und zeigt zukünftige Verbesserungsmöglichkeiten und Realisierungskonzepte auf.