Der CO2 -Detektiv - All

Automobil Elektronik 2/2007, S. 44, 20.03.2007, 11:46, SB
KOMPONENTEN
Ein Gassensor auf der Basis des infraroten
Messprinzips nutzt die Eigenschaft bestimmter
Gase, Infrarotlicht einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren.
Der CO2-Detektiv
Da eine überhöhte CO2-Konzentration sich entscheidend auf das Fahrverhalten auswirkt, kann der
EINSATZ EINES CO2-SENSORS dabei helfen, die Fahrsicherheit zu erhöhen. AUTOMOBIL ELEKTRONIK
liefert Hintergrund-Informationen und erklärt, wie solch ein Sensor funktioniert.
I
n der heutigen Zeit gehören Klimaanlagen zur Standardausrüstung im Auto. Leider verwenden diese Klimaanlagen das Kältemittel R134a, das im Vergleich zu Kohlendioxid (CO2) ein um
mehrere Größenordnungen höheres
Treibhauspotenzial (GWP) aufweist. Zusätzlich zum erhöhten Kraftstoffverbrauch kommt hinzu, dass jährlich zirka
8 % des Kältemittels in die Atmosphäre
gelangen und so einen weiteren Beitrag
zur globalen Erwärmung leisten. Das
Kyoto-Protokoll legt fest, dass die Treibhausgas-Emissionen verringert werden
müssen. Aus diesem Grund arbeiten die
Automobilhersteller an alternativen
Kühlmitteln, zu denen auch CO2 gehört.
Sicherheitsfunktion
für R744-Klimaanlagen
Die neuen CO2-Klimaanlagen enthalten
jeweils eine Füllung von etwa 400 g CO2.
Bei einem Mittelklasse-Auto mit einem
typischen Innenraumvolumen kann es
in relativ kurzer Zeit zu hohen CO2-Konzentrationen kommen, wenn durch sehr
große Leckstellen im Innenraum des
Fahrzeuges das gesamte Kältemittel in
Parameter
Wert
Maximale Verlustleistung
< 200 mW
Betriebstemperatur
–40 °C bis +85 °C
Feuchtigkeit
0% – 95% relative Feuchtigkeit
Messbereich
0 bis 20,000 ppm
Auflösung
200 ppm
Messfehler im Bereich 2000 bis 20.000 ppm
< 20% vom Messwert
Messfehler im Bereich 0 bis 2000 ppm
< 500 ppm
Messfehler im Bereich 0 bis 2000 ppm< 500 ppm
Ansprechzeit (t90)
< 10 s
Gewicht
< 200 g
Tabelle 1: Die technischen Daten des CO2-Sensors im Überblick (Quelle: Tyco Electronics)
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AUTOMOBIL-ELEKTRONIK April 2007
die Fahrgastzelle einströmt – eine Situation, die beispielsweise nach einem Rohrbruch am Verdampfer der Klimaanlage
auftreten kann, Diese hohe CO2-Konzentration ist für den gesunden Menschen
für eine relativ kurze Zeit ungefährlich,
kann jedoch bei Menschen mit Atemproblemen ein erhöhtes Risiko darstellen.
Außerdem kommt es auch bei gesunden
Erwachsenen zu einer Einschränkung
der Konzentrationsfähigkeit sowie zu einer Verlängerung der Reaktionszeit, so
dass der CO2-Austritt letztendlich ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Ein geeigneter Sicherheitssensor kann
die Fahrzeuginsassen vor einer erhöhten
CO2-Konzentration warnen sowie automatisch Maßnahmen gegen diese hohen
Konzentrationen einleiten, um auf diese
Art und Weise z. B. durch eine Erhöhung
der Frischluftzufuhr das CO2 so schnell
wie möglich aus der Fahrgastzelle zu entfernen.
Steuerung der Luftqualität
im Fahrzeuginnenraum
Neben der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit gehört die CO2-Konzentration zu den primären Parametern zur
Steuerung der Raumluftqualität. Abhän-
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KOMPONENTEN
Testdrive with closed HVAC flaps
Bild 1: Testfahrt ohne Frischluftzufuhr (Quelle: Tyco Electronics)
gig von der Anzahl der Passagiere im
Fahrzeug ist es notwendig, die Frischluftzufuhr entsprechend zu erhöhen, damit
die CO2-Konzentration die Grenzwerte
der Luftqualität nicht überschreitet.
Eine bedarfsgerechte Frischluftsteuerung
bietet neben dem Vorteil der optimalen
Luftqualität ein Potenzial zur Energieeinsparung, denn so muss nur die wirklich
notwendige Frischluft erwärmt bzw. gekühlt werden.
CO2-Sensor mit Infrarot-Messung
Ein Gassensor auf der Basis des infraroten
Messprinzips nutzt die Eigenschaft bestimmter Gase, Infrarotlicht einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren
(Bild 2). Auf Grund des individuellen
Molekülaufbaus eines jeden Gases hat
die Absorptions-Wellenlänge für jedes
Gas auch einen individuellen Wert. Die
Messung selbst erfolgt optisch und damit
rein physikalisch, so dass Gassensoren,
die nach dem Infrarot-Messverfahren arbeiten, keinen direkten Kontakt mit dem
zu messenden Gas benötigen. Derartige
Sensoren können die Gaskonzentration
schnell und genau messen.
Der CO2-Gassensor von Tyco Electronics,
der in Bild 3 zu sehen ist, basiert auf den
Infrarot- Messprinzip. Er besteht aus
zwei Infrarot-Lichtquellen, einem Gaskanal mit einer bekannten optischen Länge,
einem Dünnfilm-Interferenzfilter, einem
Infrarot Detektor sowie der Elektronik
zur Auswertung.
Das Dünnfilm-Interferenzfilter ermöglicht es, genau die Wellenlänge aus dem
breitbandigen Infrarotlicht herauszufiltern, die für die Messung der Gase inte-
ressant ist – bei CO2 ist dies eine Wellenlänge von 4,25 μm. Wenn sich das zu
messende Gas im Messkanal befindet,
wird das Infrarotlicht der relevanten
Wellenlänge absorbiert und durch die
Auswertung des Spannungssignals am
Detektorausgang kann die Gaskonzentration errechnet werden.
„Der CO2-Gassensor von Tyco Electronics
basiert auf einem Patent der Firma GasBeetle GmbH“, erläutert Lars Mickan,
Marketing Manager bei Tyco Electronics.
„Durch diese Technologie garantiert der
Sensor eine Langzeitstabilität über mindestens 10 Jahre sowie eine geringe Verlustleistung. Die Langzeitstabilität wird
dadurch erreicht, dass der Sensor neben
der Infrarot-Lichtquelle, die als Messquelle dient, eine zusätzliche Lichtquelle
als Referenz nutzt.“ Die Messquelle misst
dabei nach jeweils etwa 3 Sekunden die
CO2-Konzentration. Auf Grund dieser
dauerhaften Nutzung altert die Messquelle jedoch. Die Referenzquelle kommt
bei etwa einer Messung pro Tag nicht so
oft zum Einsatz und kann damit zur Kalibrierung der Alterung der Messquelle herangezogen werden.
Autor: Alfred Vollmer, Redaktion
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK
infoDIRECT
weitere Infos:
www.all-electronics.de
302AEL0207
Absorptionsspektren
Aufbau des CO2-Sensors von Tyco Electronics
Bild 2: Absorptionsspektren (Quelle: Tyco Electronics). Ein Gassensor
auf der Basis des infraroten Messprinzips nutzt die Eigenschaft bestimmter Gase, Infrarotlicht einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren.
Bild 3: Die beiden Infrarot-Lichtquellen (7 und 8) emittieren Licht durch
den Gaskanal (11), dessen optische Länge bekannt ist. Durch das Dünnfilm-Interferenzfilter (12) gelangt das Licht zum Infrarot-Detektor (13),
der seine Signale an die Auswerte-Elektronik (14) weiterleitet. (Quelle:
Tyco Electronics)
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