Jeżeli czujnik CO₂ ma tylko wyświetlać liczbę na ekranie, różnice między technologiami można częściowo zignorować. Jeżeli jednak jego pomiar ma sterować rekuperacją, wentylatorem wyciągowym albo przepustnicą, błędny odczyt zaczyna kosztować: zbyt niski powoduje niedowentylowanie pomieszczenia, a zawyżony niepotrzebnie zwiększa wydajność wentylacji, hałas i straty ciepła.
Do zastosowań domowych sens mają przede wszystkim dwa rozwiązania mierzące rzeczywiste stężenie CO₂: klasyczny NDIR oraz miniaturowe sensory wykorzystujące spektroskopię fotoakustyczną PAS. W praktyce podział nie jest zupełnie czarno-biały. Przykładowo Sensirion opisuje serię SCD4x jako „photoacoustic NDIR”, ponieważ również wykorzystuje selektywną absorpcję promieniowania podczerwonego przez CO₂. Różnica dotyczy przede wszystkim sposobu wykrywania tej absorpcji.
Dla użytkownika ważniejsze od samej nazwy technologii są cztery parametry: dokładność w zakresie około 400–2000 ppm, stabilność długoterminowa, sposób kalibracji oraz czas reakcji. I właśnie tutaj klasyczny NDIR oraz PAS zaczynają zachowywać się inaczej.
NDIR i PAS mierzą ten sam CO₂, ale robią to inaczej
W klasycznym czujniku NDIR – Non-Dispersive Infrared – źródło podczerwieni emituje promieniowanie przez komorę pomiarową. Cząsteczki CO₂ pochłaniają część energii w charakterystycznym paśmie około 4,26 µm. Detektor mierzy, ile promieniowania dotarło na drugi koniec komory, a elektronika przelicza osłabienie sygnału na stężenie podawane w ppm.
To rozwiązanie jest stosowane od lat i dobrze znane producentom automatyki budynkowej. Typowym przykładem jest Sensirion SCD30. Jego deklarowany zakres pomiarowy wynosi 400–10 000 ppm, dokładność ±30 ppm + 3% wskazania, a czas odpowiedzi τ63 około 20 sekund. Moduł ma wymiary 35 × 23 × 7 mm.
Przy odczycie 1000 ppm deklarowany błąd SCD30 wynosi więc około ±60 ppm. Dla sterowania wentylacją domową jest to więcej niż wystarczająca precyzja. Różnica między 950 a 1010 ppm praktycznie nie powinna powodować gwałtownej zmiany wydajności centrali, jeśli regulator został poprawnie zaprogramowany.
Czujnik PAS – Photoacoustic Spectroscopy – również wykorzystuje podczerwień, ale nie musi mierzyć bezpośrednio ilości światła przechodzącego przez długą komorę optyczną. Gaz pochłania impulsowo dostarczaną energię IR, co powoduje okresowe zmiany temperatury i ciśnienia. Powstający sygnał akustyczny rejestruje bardzo czuły mikrofon MEMS.
Efekt? Komora może być dużo mniejsza.
Dobrze pokazuje to Sensirion SCD40 o wymiarach zaledwie 10,1 × 10,1 × 6,5 mm. Producent określa jego dokładność jako ±50 ppm + 5% wskazania w zakresie 400–2000 ppm, a czas odpowiedzi τ63 wynosi około 60 sekund. SCD41 rozszerza specyfikowany zakres dokładności do 5000 ppm i jest przeznaczony do zastosowań wymagających lepszych parametrów.
Drugi przykład to rodzina Infineon XENSIV PAS CO₂. W wersji PASCO2V15 producent podawał zakres 0–32 000 ppm, dokładność ±50 ppm + 5% wskazania w zakresie 400–3000 ppm oraz czas odpowiedzi około 55 sekund. Moduł miał około 13,8 × 14 × 7,5 mm. Ten konkretny wariant został już oznaczony przez Infineon jako wycofany, co dobrze pokazuje inną praktyczną zasadę: projektując własny sterownik, trzeba sprawdzić nie tylko parametry, lecz również status produkcyjny konkretnego sensora.
PAS wygrywa przede wszystkim gabarytami. Nie oznacza to automatycznie, że wygrywa dokładnością.
W praktyce wygląda to tak:
-
klasyczny NDIR jest zwykle bardzo dobrym wyborem, gdy mamy miejsce na większy moduł i zależy nam na stabilnym, szybkim pomiarze;
-
PAS ma przewagę w małych sterownikach ściennych, termostatach, czujnikach bateryjnych i kompaktowych modułach automatyki;
-
do samego sterowania wentylacją różnica pomiędzy dobrze wykonanym NDIR i dobrze wykonanym PAS jest mniejsza niż różnica pomiędzy poprawnie i źle skalibrowanym czujnikiem;
-
tani „czujnik jakości powietrza” obliczający tzw. eCO₂ na podstawie VOC nie jest zamiennikiem żadnej z tych technologii. Do regulacji wentylacji na podstawie liczby osób w pomieszczeniu lepiej go nie używać.
Jest też niedogodność PAS, o której rzadziej pisze się w materiałach marketingowych: sygnał pomiarowy jest z natury akustyczny. Dobrze zaprojektowane układy mają kompensację zakłóceń, ale mechanika obudowy i miejsce montażu nadal mają znaczenie. Infineon dla jednego ze swoich modułów określał wpływ hałasu dochodzącego do 95 dB i podawał związany z nim błąd w granicach kilkunastu ppm. Nie jest to problem w salonie, ale pokazuje, że mały sensor PAS również wymaga poprawnej integracji.
Do sterowania wentylacją ważniejsza od technologii jest stabilność pomiaru
Najczęstszy błąd przy wyborze czujnika CO₂ wygląda tak: ktoś porównuje dokładność ±30 ppm z ±50 ppm i na tej podstawie wybiera urządzenie. W centrali wentylacyjnej znacznie większe znaczenie ma to, czy po roku wskazanie 800 ppm nadal oznacza mniej więcej 800 ppm.
CO₂ w domu należy traktować przede wszystkim jako wskaźnik obecności ludzi i intensywności wentylacji. Nie jest to kompletny miernik jakości powietrza. Gotowanie, świeca, środki czystości czy nowe meble mogą podnieść stężenie innych zanieczyszczeń bez zauważalnej zmiany CO₂.
W typowym domu warto myśleć o sterowaniu w przedziałach, a nie o jednej magicznej wartości:
-
około 420–500 ppm – poziom zbliżony do świeżego powietrza zewnętrznego, zależny od lokalizacji;
-
600–800 ppm – bardzo dobra sytuacja w zamieszkanym pomieszczeniu;
-
800–1000 ppm – rozsądny zakres, w którym można już stopniowo zwiększać wentylację;
-
1000–1200 ppm – sygnał, że strumień powietrza należy wyraźnie zwiększyć;
-
powyżej 1500 ppm – w domu oznacza zazwyczaj zbyt małą wymianę powietrza względem liczby osób.
Nie ma powodu ustawiać rekuperatora tak, aby przy 999 ppm pracował na 30%, a przy 1001 ppm natychmiast przechodził na 100%. Taki algorytm będzie irytował zmianami hałasu i powodował częste przełączanie biegów.
Lepsza jest regulacja płynna z histerezą albo krzywą proporcjonalną. Przykładowo:
-
poniżej 700 ppm – wydajność podstawowa;
-
700–900 ppm – niewielkie zwiększanie przepływu;
-
900–1200 ppm – proporcjonalny wzrost wydajności;
-
powyżej 1200 ppm – wysoki bieg lub maksymalny zaprogramowany strumień.
Progi trzeba dopasować do budynku. Dom z centralną rekuperacją zachowuje się inaczej niż mieszkanie z nawiewnikami okiennymi i wentylacją wyciągową. W sypialni dwie osoby potrafią podnieść stężenie CO₂ znacznie szybciej niż jedna osoba w salonie o trzykrotnie większej kubaturze.
Tu pojawia się kolejna przewaga dobrze dobranego NDIR. SCD30 reaguje szybciej niż podstawowy SCD40 – około 20 s wobec około 60 s dla τ63. Nie znaczy to, że centrala wentylacyjna powinna reagować w 20 sekund. Wentylacja i tak ma dużą bezwładność. W praktyce sensownie jest filtrować odczyty przez kilkadziesiąt sekund lub kilka minut, żeby nie sterować wentylatorem na podstawie chwilowego skoku.
Jeszcze ważniejsze jest miejsce montażu. Czujnik CO₂ nie powinien wisieć:
-
bezpośrednio przy nawiewniku,
-
tuż przy oknie,
-
przy drzwiach do korytarza,
-
nad grzejnikiem,
-
przy łóżku na wysokości twarzy śpiącej osoby,
-
w strumieniu powietrza wypływającego z centrali.
Dla typowego czujnika pokojowego rozsądna jest wysokość około 1–1,5 m nad podłogą, w miejscu reprezentatywnym dla powietrza w pomieszczeniu. Nie trzeba montować go przy suficie tylko dlatego, że CO₂ jest cięższy od powietrza. W normalnym, użytkowanym pokoju ruch termiczny i konwekcja mieszają powietrze na tyle skutecznie, że taki argument prowadzi często do gorszego, a nie lepszego pomiaru.
Przy sterowaniu centralną rekuperacją jeden czujnik w salonie również nie rozwiązuje wszystkiego. W dzień może działać dobrze, ale nocą centrala „widzi” pusty salon, podczas gdy w zamkniętej sypialni CO₂ przekracza 1500 ppm. W domu z kilkoma sypialniami bardziej sensowne jest zastosowanie czujnika w strefie dziennej oraz przynajmniej w głównej sypialni, a sterowanie oprzeć np. na najwyższym aktualnym odczycie.
Kiedy wybrać NDIR, a kiedy PAS?
Do typowego domu, w którym nie ma problemu z miejscem na elektronikę, wybrałbym dobry, markowy NDIR. Powód jest prosty: nie potrzebujemy miniaturyzacji za wszelką cenę, natomiast korzystamy z bardzo dobrze poznanej technologii, szybkiej reakcji i dobrych parametrów długoterminowych. Sensirion SCD30 jest tu dobrym punktem odniesienia.
W polskich sklepach moduł deweloperski z SCD30 kosztuje obecnie zwykle około 250–300 zł, zależnie od płytki pośredniczącej i producenta modułu. Moduły oparte na SCD40 można znaleźć mniej więcej od 150–160 zł, choć rozbudowane płytki SparkFun potrafią kosztować około 400 zł. Cena gotowego modułu nie odzwierciedla więc wyłącznie ceny samego elementu pomiarowego.
PAS wybrałbym wtedy, gdy projekt wymaga:
Małej obudowy.
SCD40 jest kilkukrotnie mniejszy objętościowo od SCD30. W płaskim panelu montowanym w puszce ściennej robi to dużą różnicę.
Niskiego poboru energii lub pracy okresowej.
Nowsze sensory fotoakustyczne są projektowane m.in. z myślą o urządzeniach IoT. Niektóre warianty pozwalają wykonywać pojedyncze pomiary zamiast utrzymywać klasyczny tor NDIR w pracy ciągłej.
Produkcji seryjnej.
Mały sensor nadający się do montażu powierzchniowego jest znacznie wygodniejszy w urządzeniu produkowanym w tysiącach sztuk niż duża komora optyczna.
Natomiast do sterownika zamontowanego przy centrali wentylacyjnej, gdzie wymiary kilku centymetrów nie robią różnicy, miniaturyzacja PAS praktycznie nie daje użytkownikowi żadnej korzyści.
Najważniejsza rzecz do sprawdzenia przed zakupem to algorytm automatycznej kalibracji.
Sensory takie jak SCD4x mogą wykorzystywać ASC, czyli Automatic Self-Calibration. Algorytm zakłada, że co pewien czas czujnik zobaczy stężenie zbliżone do poziomu świeżego powietrza. W przypadku SCD4x domyślne założenie to ekspozycja na około 400 ppm przez ponad 3 minuty przynajmniej raz na każdy skumulowany tydzień pracy, przy spełnieniu warunków dotyczących trybu pomiarowego.
W zwykłym salonie często działa to dobrze. Dom jest pusty, pomieszczenie zostaje przewietrzone i sensor dostaje swój punkt odniesienia.
Gorzej w sypialni użytkowanej każdej nocy albo w pomieszczeniu, które praktycznie nigdy nie osiąga poziomu zbliżonego do powietrza zewnętrznego. Wtedy bezmyślne pozostawienie automatycznej kalibracji może spowodować przesunięcie punktu odniesienia. W takich warunkach lepiej sprawdzić dokumentację konkretnego sensora i rozważyć wyłączenie ASC oraz okresową kalibrację wymuszoną FRC przy znanym stężeniu.
To samo dotyczy PAS. Automatyczna korekcja bazowa jest wygodna tylko wtedy, kiedy jej założenia są spełnione.
Jeżeli czujnik zostanie zamontowany w domu z wentylacją sterowaną na podstawie jego własnego wskazania, powstaje zresztą ciekawa pętla: regulator stara się utrzymywać CO₂ na określonym poziomie, przez co sensor może bardzo rzadko zobaczyć naturalne minimum potrzebne algorytmowi samokalibracji.
Przed wyborem urządzenia sprawdziłbym więc kolejno:
-
Czy jest to rzeczywisty pomiar CO₂, a nie eCO₂ wyliczane z VOC.
-
Jaka jest deklarowana dokładność w interesującym nas zakresie 400–2000 ppm.
-
Czy można wyłączyć automatyczną kalibrację i wykonać FRC.
-
Czy producent udostępnia kompensację ciśnienia. Zmiany ciśnienia atmosferycznego i wysokość nad poziomem morza wpływają na pomiar.
-
Jak długo sensor reaguje na zmianę stężenia.
-
Czy odczyt można pobrać cyfrowo przez I²C, UART, Modbus albo inne złącze obsługiwane przez sterownik.
-
Czy producent określa żywotność i długoterminową stabilność urządzenia.
-
Czy sensor jest nadal produkowany i dostępny u europejskich dystrybutorów.
Jeżeli potrzebujesz dodatkowych danych przed wyborem konkretnego rozwiązania, więcej informacji znajdziesz na ANCHOR.
FAQ
Czy PAS jest dokładniejszy od NDIR?
Nie z definicji. Technologia PAS pozwala przede wszystkim zmniejszyć rozmiar komory pomiarowej. Przykładowy klasyczny NDIR SCD30 ma dokładność ±30 ppm + 3% wskazania, podczas gdy SCD40 wykorzystujący zasadę fotoakustyczną ma ±50 ppm + 5% w swoim podstawowym specyfikowanym zakresie. Konkretna konstrukcja sensora jest ważniejsza od skrótu użytego przy nazwie technologii.
Czy do rekuperacji wystarczy jeden czujnik CO₂?
W małym mieszkaniu często tak, jeśli drzwi pomiędzy pomieszczeniami pozostają otwarte. W domu z zamykanymi sypialniami jeden sensor w salonie jest za mało reprezentatywny. Minimum praktyczne to pomiar w strefie dziennej i głównej sypialni, a sterowanie centralą według wyższego odczytu.
Jaki poziom CO₂ ustawić jako próg zwiększania wentylacji?
Nie ustawiać jednego ostrego progu. Dobrym punktem startowym jest zwiększanie wydajności od około 800–900 ppm i dochodzenie do wysokiego biegu w okolicy 1100–1200 ppm. Następnie trzeba sprawdzić zapis pomiarów z kilku dni i skorygować krzywą pod rzeczywistą kubaturę domu oraz liczbę mieszkańców.
Czy czujnik wymagający automatycznej kalibracji nadaje się do sypialni?
Tak, ale tylko wtedy, gdy pomieszczenie regularnie osiąga poziom CO₂ zbliżony do tła zewnętrznego albo algorytm ASC można odpowiednio skonfigurować. W stale użytkowanym pomieszczeniu lepszą kontrolę daje możliwość wykonania kalibracji wymuszonej względem znanego stężenia.
Czy czujnik CO₂ za kilkadziesiąt złotych wystarczy?
Sam niski koszt nie przekreśla urządzenia, ale trzeba sprawdzić element pomiarowy. Jeżeli opis mówi wyłącznie o „CO₂ equivalent”, „eCO₂”, TVOC albo sensorze typu MQ, nie używałbym go do automatycznego sterowania wentylacją. Do tego celu wybierałbym rzeczywisty sensor optyczny NDIR lub PAS.
Czy różnica 50–100 ppm pomiędzy dwoma czujnikami oznacza awarię?
Nie. Przy deklarowanej dokładności rzędu ±30 ppm + 3% lub ±50 ppm + 5% dwa sprawne sensory mogą w tym samym pomieszczeniu pokazywać wartości różniące się o kilkadziesiąt, a w określonych warunkach nawet ponad 100 ppm. Ważniejsze jest, czy oba reagują podobnie na wzrost i spadek stężenia oraz czy jeden z nich nie wykazuje systematycznego dryfu.
Co wybrać do nowego domowego sterownika wentylacji?
Jeżeli miejsca jest dużo, zacząłbym od markowego NDIR pokroju SCD30 albo urządzenia o porównywalnych parametrach. PAS wybrałbym przede wszystkim wtedy, gdy liczą się małe wymiary, energooszczędność lub montaż w niewielkim panelu ściennym. Nie kupowałbym sensora wyłącznie dlatego, że ma nowszą technologię.
Pierwszy krok przed zakupem jest więc bardzo konkretny: sprawdź nie napis „NDIR” albo „PAS”, lecz model elementu pomiarowego i zasady jego kalibracji. Jeśli urządzenie nie podaje rzeczywistego CO₂ albo nie wiadomo, jak zachowuje się jego automatyczna korekcja bazowa, odrzuć je w pierwszej kolejności. Dopiero później porównuj dokładność, czas reakcji i cenę.
