Messen von Kohlendioxid (CO₂)

Kohlendioxid und andere Gase, die aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Atomen bestehen, absorbieren Infrarotstrahlung (IR) auf charakteristische und einzigartige Weise. Diese Gase sind mit IR-Geräten nachweisbar. Wasserdampf, Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sind Gase, die mit einem IR-Sensor gemessen werden können. Ihre charakteristischen Absorptionsbanden werden in Abbildung 1 gezeigt.

IR-Messung ist die gängige Technologie für CO₂-Nachweise. IR-Sensoren bieten gegenüber chemischen Sensoren viele Vorteile. Sie sind stabil und in hohem Maße selektiv gegenüber dem gemessenen Gas. Sie haben eine lange Lebensdauer und weil das gemessene Gas mit dem Sensor nicht direkt interagiert, sind IR-Sensoren widerstandsfähig gegen hohe Feuchte, Staub, Schmutz und sonstige raue Bedingungen.

Die Hauptkomponenten eines IR-CO₂-Sensors sind Lichtquelle, Messkammer, Interferenzfilter und IR-Sensor. IR-Strahlung wird von der Lichtquelle durch das gemessene Gas zum Sensor geleitet. Ein an der Vorderseite angebrachter Filter sorgt dafür, dass nur die Wellenlänge des gemessenen Gases den Sensor erreicht. Die Lichtintensität wird ermittelt und in einen Gaskonzentrationswert umgewandelt.

Der Vaisala CARBOCAP® Kohlendioxidsensor misst die Volumenkonzentration des CO₂ mithilfe von IR-Messtechnik. Er ist mit einem einzigartigen elektrisch abstimmbaren Fabry-Pérot-Interferometerfilter für Bifrequenzmessungen ausgestattet. Dies bedeutet, dass der CARBOCAP® Sensor neben der CO₂-Absorptionsmessung auch eine Referenzmessung durchführt, die alle Änderungen der Lichtquellenintensität sowie Verunreinigungen ausgleicht. Dadurch ist der Sensor langfristig besonders beständig. Eine vollständige Übersicht über die Vaisala Produkte für CO₂- Messungen finden Sie unter www.vaisala.com/CO2

Abbildung 1. IR-Absorption von CO₂ und einigen anderen Gasen.

Die ideale Gasgleichung ist nützlich, wenn es darum geht, die Auswirkung von Temperaturund Luftdruckänderungen auf CO₂-Messungen abzuschätzen. Mit ihr können die CO₂-Messwerte kompensiert werden.

Das ideale Gas ist ein hypothetisches Gas, das aus sich wahllos bewegenden identischen Punktpartikeln besteht, die vernachlässigbare Größen und intermolekulare Kräfte aufweisen. Es gilt dabei die Annahme, dass die idealen Gasmoleküle sich untereinander und an der Wand des Behälters elastisch abstoßen.

In der Praxis verhalten sich Gase nicht exakt wie bei dieser Modellannahme. Sie ist jedoch häufig ausreichend, um reale Gase zu beschreiben. Die ideale Gasgleichung gibt die Abhängigkeit der Zustandsgrößen Luftdruck, Volumen und Temperatur einer bestimmten Menge dieses Gases wie folgt an:

pV = nRT 
Dabei gilt:
p = Luftdruck [Pa] 
V = Gasvolumen [m3] 
n = Gasmenge [mol] 
R = universelle Gaskonstante (= 8.3145 J/mol K) 
T = Temperatur [K]

Abbildung 2. Der Aufbau des Vaisala CARBOCAP® CO₂-Sensors.

Die meisten Gassensoren erzeugen ein Signal, das der molekularen Dichte (Moleküle/Gasvolumen) entspricht, auch wenn die Messwerte als ppm (Volumen/Volumen) angezeigt werden. Bei einer Änderung von Luftdruck und/oder Temperatur ändert sich nach der idealen Gasgleichung die molekulare Dichte des Gases. Dieser Effekt wird durch die ppm-Messung des Sensors ersichtlich.

In den folgenden Abbildungen wird gezeigt, wie ein Anstieg der Temperatur oder des Luftdrucks den Zustand des Gases ändert und wie er sich auf CO₂-Messungen auswirkt.

Mit der idealen Gasgleichung kann die molekulare Dichte eines Gases bei gegebenen Temperatur- und Luftdruckwerten errechnet werden, wenn die Gasdichte für Umgebungstemperatur und Luftdruck unter Normalbedingungen bekannt ist. Durch Ersetzen der Gasmenge (n) durch ρV/M und unter der Annahme, dass die molare Masse M unter den beiden verschiedenen Bedingungen konstant ist, lässt sich die Gleichung wie in Gleichung 1 darstellen:

Dabei gilt:
ρ = Gasvolumenkonzentration [ppm oder %]
p = Umgebungsluftdruck [hPa] 
t = Umgebungstemperatur [°C]

Gleichung 1. Berechnung der Gaskonzentration bei gegebener Temperatur und Luftdruck.

Anhand der Dichteformel kann geschätzt werden, wie sehr sich die Gasmesswerte bei Temperaturund/oder Luftdruckschwankungen ändern.

Mit der Dichteformel können bei CO₂-Messungen die Temperaturund Luftdruckabweichungen kompensiert werden. Die meisten CO₂-Messgeräte messen den Luftdruck nicht und können daher auch Luftdruckabweichungen nicht automatisch kompensieren. Beim Kalibrieren im Herstellerbetrieb werden die Messgeräte gewöhnlich auf die Luftdruckbedingungen auf Meereshöhe (1 013 hPa) eingestellt. Für Messungen auf anderen Höhen wird empfohlen, eine Luftdruckkompensation vorzunehmen. Hierbei wird entweder der korrekte Luftdruck für die interne Kompensation eingegeben (konstanter Luftdruck) oder die Kompensation in ein Automationssystem bzw. einen PC einprogrammiert (veränderter Luftdruck).

Dieselben Kompensationsregeln gelten für die Temperatur. Allerdings sind immer mehr CO₂-Messgeräte auf dem Markt, die sowohl die Temperatur messen als auch für eine Kompensation der Temperaturschwankungen sorgen, weshalb eine externe Kompensation nicht mehr erforderlich ist.

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für die Änderungen der CO₂-Messwerte (Gas enthält 1 000 ppm an CO₂ unter Normalbedingungen) bei veränderter Temperatur/Luftdruck, gemäß der idealen Gasgleichung.

Stellt man die ideale Gasgleichung etwas weiter um, wird klarer was passiert, wenn sich Luftdruck, Temperatur und Volumen in der Zusammensetzung eines Gasgemischs verändern. Damit kann man bspw. die Auswirkung einer sich ändernden Feuchte auf CO₂-Messungen ermitteln.

Alle Moleküle eines Gasgemischs nehmen bei der gleichen Temperatur den gleichen Raum im System ein (V ist für alle Gase gleich). Die ideale Gasgleichung lässt sich umstellen nach:

Dabei gilt:

n_gas1 = Gasmenge 1 [mol] 
n_gas2 = Gasmenge 2 [mol] usw

und

Dabei gilt:

p = Gesamtluftdruck des Gasgemischs
p_gas1 = Teilluftdruck des Gases 1
p_gas2 = Teilluftdruck des Gases 2 usw.

Die zweite Gleichung ist als das Daltonsche Gesetz des Teilluftdrucks bekannt. Es besagt, dass in einem Gasgemisch der Gesamtgasdruck die Summe der Teilluftdrücke der einzelnen Gaskomponenten ist

Diese Information ist nützlich, wenn man den Einfluss von Wasserdampf auf die Messwerte eines CO₂- Sensors berücksichtigt. Setzt man beispielsweise einem trockenen Gas bei konstantem Luftdruck, Temperatur und Volumen noch Wasserdampf zu, verdrängt das Wasser einige der anderen Gasmoleküle im Gemisch. Ähnlich verhält es sich, wenn man eine Gasprobe aus einer Hochfeuchteumgebung entnimmt und diese vor dem Eintritt in die Messkammer eines CO₂-Messgeräts trocknen lässt. Der Verlust an Wassermolekülen verändert dann die Zusammensetzung des Gases und wirkt sich somit auf die CO₂-Messung aus.

Dieser sogenannte Dilutionseffekt kann mit Tabelle 2 ermittelt werden. Die CO₂-Konzentration der Hochfeuchteumgebung kann berechnet werden, wenn die CO₂ -Konzentration des trockenen Gases bekannt ist. Hierfür müssen der Taupunkt (T_d bei 1 013 hPa) oder die Wasserkonzentration (ppm) des feuchten und trockenen Zustands bekannt sein. Die Feuchte der Hochfeuchteumgebung wird an der horizontalen Achse und die des trockenen Gases an der vertikalen Achse abgelesen.

Beispiel: Eine Gasprobe wird von einer Umgebung mit Taupunkt 40 °C (73 000 ppm Wasser) in eine Umgebung mit 20 °C T_d (23 200 ppm Wasser) gebracht. Die gemessene CO₂-Konzentration von 5,263 % bei 20 °C T_d entspricht 5 % in der Umgebung mit 40 °C T_d (5,263 % x 0,950 = 5 %). Die niedrigere Messung ist auf Dilution zurückzuführen, die wiederum das Ergebnis eines erhöhten Feuchteanteils bei 40 °C T_d zur Folge hat.