SENSORIK ZUR RAUM-LUFTÜBERWACHUNG - Infineon ...
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SENSORIK
MIT CONNECTED SENSORS GEGEN COVID-19
SENSORIK ZUR RAUM-
LUFTÜBERWACHUNG
CO 2-Ampeln sind ein wichtiges, schnell umsetzbares
Element zum Schutz gegen Covid-19 – eine
langf ristige, durchdachte Lösung erfordert
jedoch einen ganzheitlichen Ansatz.
Von Katharina Dausinger
Gerade in geschlossenen Räumen
mit Platz für viele Menschen
werden immer häufiger CO2-
Ampeln gefordert, die vor zu
hoher CO2- und damit auch Aero-
sol-Konzentration warnen sollen.
(Bild: Shutterstock)
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Durch Covid-19 ist die Qualität der entsprechende Messgeräte sind aktuell Sensoren gesteuert werden. Die Mess
Innenraumluft in unseren Fokus noch sehr komplex und teuer. Die ergebnisse der Sensoren definieren,
gerückt. Bereits vor der Pandemie CO2-Messung ist daher ein Schlüs- wann und wie lange gelüftet werden
haben wir etwa 90 Prozent unserer selparameter für die Reduzierung des muss, um definierte Grenzwerte nicht
Zeit in Gebäuden verbracht, zuhause, Ansteckungsrisikos mit SARS-CoV-2. zu überschreiten. Dies wird vor allem
in der Schule oder in der Arbeit. Der Gerade in geschlossenen Räumen wie in den kälteren Jahreszeiten wichtig
Lockdown gegen die Ausbreitung des Klassenzimmern, Büros oder Tagungs- werden, wenn Fenster aufgrund der
Virus hat dies nochmal verstärkt. räumen, in denen sich oft viele Men- kalten Außentemperaturen nicht mehr
Eine schnell umsetzbare und empfoh- schen befinden, werden immer häufiger über einen längeren Zeitraum geöffnet
lene Methode, um das Ansteckungs- CO2-Ampeln gefordert, die vor zu hoher werden können. Ein weiterer positiver
risiko in Gebäuden zu überwachen, CO2- und damit auch Aerosolkonzen Nebeneffekt dieser Lösung ist, dass die
congatec_EK_22_20.pdf;S: 1;Format:(51.00 x 70.00 mm);12.Oct 2020 09:56:06
sind sogenannte CO 2-Ampeln. Sie Lüftungsanlage nur so viel Frischluft
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geben einen Alarm aus, sobald ein zuführt, wie tatsächlich benötigt wird.
definierter Grenzwert überschritten Kombiniert mit moderner Gebäudesys-
wird. Der CO2-Gehalt in der Luft kor- Whopping 50% temtechnik leisten CO2-Sensoren somit
reliert mit den Aerosolen, über die der auch einen signifikanten Beitrag zur
SARS-CoV-2 Virus übertragen werden
more Performance Energieeffizienz.
SMARC 2.1 module based on Intel® Atom®
kann. Damit steht eine hilfreiche und x6000E Series and Intel® Pentium® and
Celeron® J Series processors
schnell umsetzbare Schutzmaßnahme SKALIERUNG VON
zur Verfügung. KLEINEN UND PRÄZISEN
Mit Hilfe eines holistischen „Connec- CO2-SENSOREN NÖTIG
ted Sensor“-Systems können Informa- conga-SA7
tionen zur Innenraumluftqualität nicht Bisher werden in der Gebäudeauto-
nur einen Alarm auslösen, sondern in matisierung häufig NDIR-Sensoren
einer Cloud gesammelt, ausgewer- (nichtd ispersive Infrarot-Sensoren)
tet und analysiert werden. So können eingesetzt. Sie bestehen aus einer IR-
öffentliche Einrichtungen wie Schulen Lichtquelle, einer Probenkammer,
oder Universitäten, aber auch Einkaufs- einem Spektralfilter sowie Referenz-
zentren und Fitnessstudios für eine und Absorptions-IR-Detektoren. Auf-
optimale Qualität der Innenraumluft grund ihrer Komplexität sind sie meist
sorgen und damit unsere Gesundheit tration warnen sollen. Mit der Instal- relativ groß und teuer. Sie liefern zwar
schützen sowie Wohlbefinden, Fitness lation von CO2-Ampeln in Klassenzim- genaue CO2-Messungen, lassen sich
und Produktivität steigern. Gleichzeitig mern und Büros soll die Ausbreitung aber aufgrund ihrer Größe nur schwer
kann eine bedarfsgerechte Lüftung die des Virus eingeschränkt werden. Zeigt integrieren und eignen sich daher nicht
Energieeffizienz deutlich erhöhen und die Ampel gelb oder sogar rot, müssen für den Einsatz in kleinen IoT-Gerä-
einen wichtigen Beitrag zum Umwelt- Gegenmaßnahmen getroffen werden, ten oder Smart-Home-Anwendungen.
schutz leisten. wie zum Beispiel die Fenster zu öffnen. Sogenannte eCO2-Sensoren führen im
Eine professionellere Lösung sind intel- Gegensatz zu NDIR-Sensoren keine
CO2-MESSUNG UND COVID-19 ligente Lüftungsanlagen, die von CO2- direkten Messungen durch. Stattdessen
Wissenschaftler haben gezeigt, dass
wir beim Ausatmen Aerosole freiset-
zen, auf denen sich der SARS-CoV-2
Virus befinden kann. Ein von mehre-
ren Forschern verfasster Beitrag zur
Aerosolübertragung von SARS-CoV-2
[1] verweist darauf, dass schlecht
oder nicht belüftete Innenräume die
Wahrscheinlichkeit einer Übertra-
gung von Corona-Viren durch Aero-
sole deutlich erhöhen können. Hier
dient die Messung der CO2-Konzentra-
tion als guter Indikator, da diese mit
der der Aerosole korreliert (Bild 1).
Es wäre natürlich auch möglich, Aero- Bild 1. Die Messung der CO2-Konzentration ist ein guter Indikator für das Ansteckungsrisiko mit
sole in der Luft direkt zu messen. Aber Covid-19, da diese mit der der Aerosole korreliert. (Bildquelle: [2])
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Vorteil besteht darin, dass der Status
mehrerer installierter Sensoren zentral
beobachtet und die Luftqualität über
ein gesamtes Sensornetzwerk hinweg
effizient gehandhabt werden kann.
Ein Anwendungsbeispiel für den effi-
zienten Einsatz eines Connected-IoT-
Sensorsystems ist das Fitnessstudio.
Sind zu den Stoßzeiten viele Menschen
Bild 2. Das Prinzip der photoakustischen Spektroskopie (PAS). (Bild: Infineon Technologies) beim Training, steigt auch schnell die
CO2-Konzentration an. Sobald die CO2-
berechnen sie mit Algorithmen einen CO2-Sensors (Bild 3) bei hoher Genau- Grenzwerte in bestimmten Bereichen
äquivalenten CO2-Wert. Diese Sensoren igkeit und Verlässlichkeit der Daten. überschritten wurden, erhält der Trai-
liefern daher nur Richtwerte. Damit werden genaue CO2-Messun- ner einen Alarm auf sein Handy oder
Wie können CO 2-Messungen nun gen auch für kleinere IoT-Geräte oder Laptop und kann entsprechend reagie-
präzise aber gleichzeitig kostenef- Covid-19-Messstationen ermöglicht. ren. Gerade in größeren, weitläufigen
fizient ermöglicht werden, sodass Räumen bringt dieser Ansatz einen
sie für uns alle zugänglich werden? CONNECTED-SENSOR-SYSTEM Vorteil mit sich, da die Alarme über-
Mit diesem Ziel hat Infineon einen sichtlich und zentral angezeigt wer-
zuverlässigen Sensor entwickelt, der Neue, kleine CO2-Sensoren und deren den. Die Sensoren können in einem
auf einer ganz neuen Technologie Integration in CO2-Ampeln und IoT- umfassenden Sensornetzwerk verbun-
basiert. Dank umfangreicher Erfah- Geräte sind also ein probates Mittel, um den werden, auch über mehrere Studios
rung in der MEMS-Technologie hat das Ansteckungsrisiko zu minimieren. hinweg. So kann der Eigentümer der
man einen CO2-Sensor auf Basis der Allerdings muss für eine langfristige Fitnesskette beispielsweise die Raum-
photoakustischen Spektroskopie, kurz Lösung noch ein Schritt weiter gedacht luft durch bedarfsgesteuerte Lüftungs-
PAS, realisiert. Die PAS-Methode werden. Durch sogenannte „Connected anlagen optimal und kosteneffizient in
(Bild 2) basiert auf dem photoakus- Sensors“ können die erfassten Daten in seinen Studios verbessern. Zusätzlich
tischen Effekt, der erstmals 1880 eine Cloud übermittelt und in übersicht- können Sportler vor ihrem Training die
von Alexander Graham Bell ent- lichen Dashboards dargestellt werden. Luftqualität in ihrem Lieblingstudio
deckt wurde. Die Methode beschreibt Durch Analyse der Informationen kön- auf der Webseite prüfen. Selbstver-
das Prinzip, dass Gasmoleküle Licht nen anschließend geeignete Maßnah- ständlich ist dieses Beispiel auch auf
einer bestimmten Wellenlänge absor- men abgeleitet werden. Was versteht weitere Anwendungsfälle wie Büro
bieren und sich dadurch ausdehnen. man nun unter einem „Connected Sen- gebäude, Universitäten, Hotels und
Bei Kohlenstoffdioxid ist das bei- sor“? Im dargestellten Beispiel (Bild 4). Schulen übertragbar.
spielsweise die Wellenlänge 4,2 µm. erfasst der Xensiv-PAS-CO2-Sensor in
In schneller Folge wird durch eine Echtzeit die CO2-Konzentration. Diese VERBESSERUNG DER
Infrarotquelle Licht ausgestrahlt. Sensordaten werden anschließend von LUFTQUALITÄT
Über einen optischen Filter gelangt einem Mikrocontroller (hier PSOC6)
nur Licht mit der Wellenlänge von aufbereitet und verarbeitet. Der PSOC6 Wir alle achten vermehrt darauf,
4,2 µm in die Sensorkammer. Die bietet den Vorteil, dass er mit zwei dass wir uns gesund ernähren und
CO 2-Moleküle in der Sensorkam- Rechenkernen arbeitet. Das ermöglicht
mer absorbieren die Energie. Durch eine Aufteilung der Aufgaben (Partitio-
schnelle Erwärmung und Abkühlung nierung). So kann der Cortex M4-Core
kommt es zu thermischer Ausdeh- für die Verarbeitung der Sensordaten
nung und Kontraktion. Dies erzeugt im Hinblick auf die Applikation genutzt
ein Drucksignal, das mit einem hoch- werden, während der Cortex M0+ Core
empfindlichen akustischen Detektor als Netzwerkprozessor für die Interak-
wahrgenommen wird. Je höher die tion zwischen dem Applikationskern
CO2-Konzentration in der Kammer, und dem WLAN-Netzwerk bzw. Rou-
desto stärker auch das Signal. Die ter agiert. Der Netzwerkkern kommuni-
Sig nalverarbeitung erfolgt durch ziert über eine sichere Verbindung mit
einen integrierten Mikrocontroller, einem Low-Power-WLAN-Controller
der das Ergebnis in Echtzeit als ppm nach IEEE 802.11x.
(Parts Per Million) ausgibt. Dieses Mit einem „Connected Sensor” können Bild 3. Die Probenkammer des Xensiv-PAS-CO2-
innovative Prinzip ermöglicht eine zahlreiche Funktionen des Sensors über Sensors wurde deutlich verkleinert. (Bild: Infineon
signifikante Miniaturisierung des die Cloud gesteuert werden. Der größte Technologies)
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Bild 4. Prinzipschaltbild einer Connected-Sensor-IoT-Lösung. (Bild: Infineon Technologies)
ausreichend bewegen. Darum sollten ab sofort zur Verfügung. Der Produkt
wir uns auch bewusst machen, wel- launch des Sensors ist für Mitte 2021
che Luft wir atmen – und das nicht nur geplant. Für eine umfassende Design-
in Zeiten von Covid-19. Schließlich in-Unterstützung wird eine komplette
halten wir uns zu einem Großteil unse- Reihe von Evaluierungsboards (Eva-
rer Zeit in geschlossenen Räumen auf, luation-Kit, Arduino-Shield2Go, Ada
wo die Luftqualität meist zwei- bis fünf- fruit-Wingboard/Featherboard), Soft-
mal schlechter ist als im Freien. warebibliotheken und Dokumentation
Zwar gilt Kohlenstoffdioxid erst ab einschließlich Anwendungshinweisen
einer Konzentration von 2,5 Vol.-% für zur Verfügung gestellt.
den Menschen toxisch, doch Leistungs- Um ein zuverlässiges und langfristi-
fähigkeit, Aufmerksamkeit und Wohl- ges CO2-Monitoring zu ermöglichen,
befinden werden bereits ab einer Kon- ist ein gesamtheitlicher Ansatz gefor-
zentration von 0,1 Vol.-% (1000 ppm) dert. Der neue PAS-CO2-Sensor von
beeinträchtigt. Gerade in geschlosse- Infineon schafft dafür die idealen
nen Räumen, in denen sich häufig viele Voraussetzungen und ermöglicht als
Menschen befinden und in denen nur Connected-IoT-Sensor eine effiziente
eingeschränkt gelüftet werden kann, Steuerung über die Cloud. MHA
können bereits schon nach wenigen
Minuten Werte von 5000 ppm Kohlen- Literatur:
stoffdioxid oder mehr auftreten. Gute [1] Li, Y., et al,: Aerosol transmission of
Raumluftqualität sollte jedoch eine SARS-CoV-2. medRxiv, https://www.
CO2-Konzentration von 1000 ppm nicht medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.16.
übersteigen. Allerdings sind Werte von 20067728v1.article-metrics
1000 ppm bei heutigen Baustandards [2] Hartmann, A., Kriegel, M.: Risikobe-
für Energieeffizienz oft schwierig zu wertung von virenbeladenen Aerosolen
erreichen. Hier sind präzise, kosten- anhand der CO2-Konzentration. Techni-
günstige und einfach einsetzbare Sen- sche Universität Berlin, Hermann-Riet-
soren gefordert, die die CO2-Konzen- schel-Institut.
tration zuverlässig messen und eine
optimierte, energieeffiziente Frisch-
luftzufuhr ermöglichen. Die neuen
Sensoren schaffen die Voraussetzung KATHARINA
für eine bedarfsgesteuerte Belüftung, DAUSINGER
mit entsprechender Energieeinsparung
und Einhaltung der Normen für intel- ist Produktmanagerin im Accelerator
ligente Gebäude. Team für Umweltsensorik bei Infineon
Technologies. Die Vision des Teams ist es,
VERFÜGBARKEIT UND das Bewusstsein für Luftqualität in der
AUSBLICK Gesellschaft zu stärken und Luftqualitäts-
messung für alle zugänglich zu machen,
Evaluierungsboards für den Xensiv- nach dem Motto „Measure what matters“.
PAS-CO2-Sensor stehen für Kunden
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