Miten hiilidioksidia (CO₂) mitataan

Hiilidioksidi ja muut vähintään kahdesta erilaisesta atomista koostuvat kaasut absorboivat infrapunasäteilyä niille ominaisella tavalla. Tällaiset kaasut voidaan havaita käyttämällä infrapunatekniikoita. Vesihöyry, metaani, hiilidioksidi ja hiilimonoksidi eli häkä ovat esimerkkejä kaasuista, joita voidaan mitata infrapuna-anturin avulla. Niille ominaiset absorptiojuovat esitetään kuvassa 1.

Infrapunateknologia on yleisimmin käytetty hiilidioksidin mittausmenetelmä. Infrapunaantureissa on useita etuja kemiallisiin antureihin verrattuna. Ne ovat stabiileja ja hyvin selektiivisiä mitattavalle kaasulle. Niillä on pitkä käyttöikä, ja koska mitattava kaasu ei ole suoraan vuorovaikutuksessa anturin kanssa, infrapunaanturit kestävät hyvin korkeita kosteuspitoisuuksia, pölyä, likaa ja muita vaativia olosuhteita.

Infrapuna-hiilidioksidianturin tärkeimmät osat ovat valonlähde, mittauskammio, interferenssisuodatin ja infrapunadetektori. Valonlähde tuottaa infrapunasäteilyä, joka ohjataan mitattavan kaasun läpi detektoriin. Detektorin edessä sijaitseva suodatin estää muiden kuin mitattavalle kaasulle ominaisten aallonpituuksien pääsyn detektoriin. Detektori havaitsee sille saapuvan säteilyn voimakkuuden, joka muunnetaan kaasun pitoisuudeksi.

Vaisala CARBOCAP® -hiilidioksidianturi käyttää infrapuna-anturitekniikkaa hiilidioksidipitoisuuden mittaamiseen. Anturi sisältää ainutlaatuisen, sähköisesti säädettävän Fabry-Perotinterferometrisuodattimen, joka mahdollistaa mittauksen kahdella eri aallonpituudella. Tämä tarkoittaa, että CARBOCAP® - anturi tekee hiilidioksidin absorptiomittauksen lisäksi myös referenssimittauksen, jolla kompensoidaan mahdollisia valonvoimakkuuden muutoksia sekä lian ja muiden epäpuhtauksien aiheuttamia mittausvirheitä. Referenssimittaus varmistaa anturin pitkäaikaisen vakauden. Voit tutustua Vaisalan hiilidioksidin mittaamiseen soveltuviin tuotteisiin osoitteessa www.vaisala.fi/CO2. 

Kuva 1. Hiilidioksidin (CO₂) ja joidenkin muiden kaasujen infrapuna-absorptio

Ideaalikaasulaista on hyötyä arvioitaessa lämpötila- ja painemuutosten vaikutuksia hiilidioksidimittaukseen. Sitä voidaan käyttää hiilidioksidilukemien kompensointiin.

Ideaalikaasu on teoreettinen kaasu, joka koostuu satunnaisesti liikkuvista identtisistä pistehiukkasista. Hiukkaset ovat mitättömän pieniä, joten molekyylien väliset voimat ovat merkityksettömiä. Ideaalikaasumolekyylien oletetaan törmäävän kimmoisasti sekä toistensa että säiliön seinämien kanssa.

Todellisuudessa kaasut eivät käyttäydy täsmälleen ideaalikaasun tavoin, mutta mallia käytetään usein myös todellisten kaasujen käyttäytymisen kuvaamiseen. Ideaalikaasulaki määrittää tietyn kaasumäärän paineen, tilavuuden ja lämpötilan välisen suhteen seuraavan kaavan mukaisesti:

pV = nRT 
missä
p = paine [Pa] 
V = kaasun tilavuus [m3] 
n = kaasun ainemäärä [mol] 
R = yleinen kaasuvakio (= 8.3145 J/mol K) 
T = lämpötila [K]

Kuva 2. Vaisala CARBOCAP® -hiilidioksidianturin rakenne

Useimpien kaasuanturien lähtösignaali on verrannollinen mitattavan kaasun molekyylitiheyteen (molekyylejä/kaasun tilavuus), vaikkakin laitteen lukema ilmaistaan miljoonasosina (tilavuus/tilavuus, ppm). Paineen tai lämpötilan muuttuessa kaasun molekyylitiheys muuttuu ideaalikaasulain mukaisesti. Muutos näkyy anturin ppm-lukemassa.

Seuraavat kuvat havainnollistavat sitä, miten paineen tai lämpötilan muutos vaikuttaa kaasun tilaan ja hiilidioksidin mittaukseen.

Ideaalikaasulakia voidaan käyttää kaasun molekyylitiheyden laskemiseen tietyssä lämpötilassa ja paineessa, kun kaasun tiheys ympäristön vakio-olosuhteissa (Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP) tunnetaan. Kun kaasun ainemäärä (n) korvataan arvolla ρV/M ja kaasun moolimassan (M) oletetaan olevan vakio eri olosuhteissa, laskutoimitus voidaan kirjoittaa yhtälön 1 avulla.

missä
ρ = kaasun (tilavuus)pitoisuus [ppm tai %]
p = paine [hPa] 
t = ympäristön lämpötila [°C]

Yhtälö 1. Kaasupitoisuuden laskeminen tietyssä lämpötilassa ja paineessa

Tiheyskaavan avulla voidaan arvioida, miten kaasuanturin lukema muuttuu lämpötilan tai paineen muuttuessa.

Kaavaa voidaan käyttää myös lämpötilan ja paineen muutosten kompensointiin hiilidioksidimittauksissa. Tyypillisesti hiilidioksidimittalaitteet eivät mittaa painetta, eivätkä ne siksi kykene automaattisesti kompensoimaan paineen vaihteluita. Kun mittalaitteet kalibroidaan tehtaalla, olosuhteet asetetaan tavallisesti vastaamaan merenpinnan paineolosuhteita (1 013 hPa). Muulla kuin merenpinnan tasolla mitattaessa on hyvä kompensoida paineen vaikutus mittaukseen. Tämä voidaan tehdä joko syöttämällä oikeat paineasetukset sisäistä kompensointia varten (vakiopaine) tai ohjelmoimalla kompensaatio automaatiojärjestelmään tai tietokoneelle (vaihtuvat paineolosuhteet).

Samoja sääntöjä voidaan soveltaa lämpötilan vaikutusta kompensoitaessa. Nykyään on kuitenkin saatavilla yhä enemmän hiilidioksidimittalaitteita, jotka sekä mittaavat että kompensoivat lämpötilan muutoksia, eivätkä ne siksi tarvitse ulkoista kompensointia.

Taulukossa 1 on esimerkki ideaalikaasun mukaisista hiilidioksidianturin lukeman muutoksista (kaasu sisältää 1 000 ppm hiilidioksidia SATPolosuhteissa) lämpötilan ja paineen muuttuessa.

Ideaalikaasulain avulla voidaan ymmärtää, mitä tapahtuu, kun kaasuseoksen koostumus muuttuu vakiopaineessa, -lämpötilassa ja -tilavuudessa. Tästä on hyötyä esimerkiksi arvioitaessa kosteuden muutoksen vaikutusta hiilidioksidilukemaan.

Kaasuseoksen molekyylit ovat samassa tilavuudessa (V on sama kaikille kaasuille) ja samassa lämpötilassa. Ideaalikaasulakia voidaan muokata seuraavaan muotoon:

missä

n_gas1 = kaasun 1 ainemäärä [mol] 
n_gas2 = kaasun 2 ainemäärä [mol], etc.

ja

missä

p = kaasuseoksen kokonaispaine
p_gas1 = kaasun 1 osapaine
p_gas2 = kaasun 2 osapaine jne.

Toista kaavaa kutsutaan Daltonin osapainelaiksi. Sen mukaan kaasuseoksen kokonaispaine on seoksen kaikkien kaasujen osapaineiden summa.

Tätä tietoa voidaan hyödyntää arvioitaessa vesihöyryn vaikutusta hiilidioksidianturin lukemaan. Kun vesihöyryä lisätään kuivaan kaasuun vakiopaineessa, -lämpötilassa ja -tilavuudessa, vesimolekyylit syrjäyttävät osan kaasuseoksen muista molekyyleistä. Samalla tavalla, kun erittäin kosteasta ympäristöstä otetaan kaasunäyte ja annetaan sen kuivua ennen vientiä hiilidioksidimittalaitteen mittauskammioon, vesimolekyylien väheneminen kaasunäytteen kuivuessa muuttaa kaasun koostumusta, mikä vaikuttaa hiilidioksidimittaukseen.

Tätä niin sanottua laimennusvaikutusta voidaan arvioida taulukon 2 avulla. Erittäin kostean ympäristön hiilidioksidipitoisuus voidaan laskea, kun kuivatun kaasun hiilidioksidipitoisuus tunnetaan. Sekä märkä- että kuivaolosuhteiden kastepisteen (T_d 1 013 hPa:n paineessa) tai vesipitoisuuden (ppm) täytyy olla tiedossa. Erittäin kostean ympäristön kosteusolosuhteet valitaan vaakariviltä ja kuivatun kaasun olosuhteet pystyriviltä.

Esimerkki: Kaasunäyte otetaan ympäristöstä, jonka kastepiste on 40 °C (73 000 ppm vettä), ja tuodaan ympäristöön, jonka kastepiste on 20 °C T_d (23 200 ppm vettä). Mitattu 5,263 prosentin hiilidioksidipitoisuus kastepistelämpötilassa 20 °C T_d tarkoittaa 5,000 prosentin hiilidioksidipitoisuutta ympäristössä, jossa kastepiste on 40 °C T_d (5,263 % × 0,950 = 5,000 %). Matalampi lukema johtuu suuremman vesihöyrypitoisuuden aiheuttamasta laimennuksesta ympäristössä, jossa kastepiste on 40 °C T_d.