Zo meet u koolstofdioxide (CO₂)

Koolstofdioxide en andere gassen die bestaan uit twee of meer ongelijke atomen, absorberen infraroodstraling (IR) op een karakteristieke, unieke wijze. Zulke gassen zijn detecteerbaar met behulp van IR-technieken. Waterdamp, methaan, koolstofdioxide en koolstofmonoxide zijn voorbeelden van gassen die met behulp van een IR-sensor kunnen worden gemeten. Hun kenmerkende absorptiebanden zijn te zien in Figuur 1.

IR-detectie is verreweg de meestgebruikte technologie om CO₂ op te sporen. IR-sensoren hebben veel voordelen ten opzichte van chemische sensoren. Ze zijn stabiel en zeer selectief betreffende het gemeten gas. Ze hebben een lange levensduur en doordat het gemeten gas niet rechtstreeks reageert met de sensor, zijn IR-sensoren goed bestand tegen hoge vochtigheid, stof, vuil en andere lastige omstandigheden.

De belangrijkste componenten van een infrarode CO₂-detector zijn de lichtbron, meetkamer, interferentiefilter en IR-detector. IR-straling wordt vanaf de lichtbron via het gemeten gas op de detector gericht. Een filter aan de voorzijde van de detector voorkomt dat andere golflengten dan de specifieke golven voor het gemeten gas de detector bereiken. De lichtintensiteit wordt gedetecteerd en omgezet in een gasconcentratiewaarde.

De Vaisala CARBOCAP® -koolstofdioxidesensor maakt gebruik van IR-detectietechnologie om de volumetrische concentratie van CO₂ te meten. De sensor is voorzien van een uniek, elektrisch afstelbaar FPIfilter (Fabry-Perot Interferometer) voor metingen met dubbele golflengte. Dit betekent dat, naast het meten van CO₂-absorptie, de CARBOCAP® -sensor ook een referentiemeting uitvoert. Zodoende worden eventuele veranderingen in de intensiteit van de lichtbron en opeenhopingen van vuil en besmetting gecompenseerd. Dit maakt de sensor blijvend extreem stabiel. Ontdek het volledige assortiment aan Vaisalaproducten voor CO₂-meting op www.vaisala.com/CO2

Afbeelding 1. IR-absorptie van CO₂ en enkele andere gassen.

De ideale gaswet is een hulpmiddel bij het inschatten van de invloed van veranderingen in temperatuur en druk op de CO₂-meting. De wet kan worden gebruikt om de CO₂- uitlezingen te compenseren.

Een ideaal gas is een hypothetisch gas dat bestaat uit willekeurig bewegende identieke puntdeeltjes, waarvan de omvang en de intermoleculaire krachten verwaarloosbaar zijn. Van ideale gasmoleculen wordt aangenomen dat ze elastische botsingen maken, zowel met elkaar als met de muren van het reservoir.

In werkelijkheid gedragen gassen zich niet precies zoals ideale gassen, maar de benadering wordt vaak gebruikt om het gedrag van echte gassen te beschrijven. De ideale gaswet legt een verband tussen een bepaalde hoeveelheid gas en de druk en temperatuur ervan, en wel volgens deze vergelijking:

pV = nRT 
waarbij
p = druk [Pa] 
V = volume van het gas [m3] 
n = hoeveelheid gas [mol] 
R = universele gasconstante (= 8,3145 J/mol K) 
T = temperatuur [K]

Afbeelding 2. De structuur van de Vaisala CARBOCAP® CO₂-sensor.

De meeste gassensoren zenden een signaal uit dat evenredig is aan de moleculaire dichtheid (moleculen/ gasvolume), zelfs wanneer de uitlezing wordt uitgedrukt in deeltjes per miljoen (volume/volume). Naarmate de druk en/of temperatuur verandert, verandert de moleculaire dichtheid van het gas overeenkomstig de ideale gaswet. Dit effect is te zien in de ppm-uitlezing van de sensor.

De volgende illustraties laten zien hoe een toename in de druk of temperatuur de toestand van het gas verandert en hoe dit de CO₂- meting beïnvloedt

De ideale gaswet kan worden gebruikt om de moleculaire dichtheid van een gas bij een gegeven temperatuur en druk te berekenen, wanneer de gasdichtheid bij omstandigheden met standaard-temperatuur en standaarddruk (SATP) bekend is. Wanneer de hoeveelheid gas (n) wordt vervangen door ρV/M en er wordt aangenomen dat de molaire massa van het gas (M) constant is onder twee verschillende omstandigheden, kan de vergelijking worden geschreven als in Vergelijking 1.

waarbij
ρ = gasvolumeconcentratie [ppm or %]
p = omgevingsdruk [hPa]
t = omgevingstemperatuur [°C]

Vergelijking 1. Berekening van de gasconcentratie bij een gegeven temperatuur en druk.

De dichtheidsformule kan worden gebruikt om in te schatten hoe de uitlezing van de gassensor verandert naarmate temperatuur en/of druk veranderen.

De dichtheidsformule kan worden gebruikt om bij het meten van CO₂ te compenseren voor de verschillen in druk en temperatuur. De meeste CO₂-instrumenten meten de druk niet en kunnen zodoende niet automatisch compenseren voor drukvariaties. Wanneer ze in de fabriek worden gekalibreerd, worden de instrumenten gewoonlijk afgestemd op de omstandigheden die heersen bij de druk op zeeniveau (1013 hPa). Wanneer er wordt gemeten op andere hoogtes dan op zeeniveau, wordt aanbevolen te compenseren voor het drukeffect. Dit kan worden gedaan door ofwel de juiste drukinstellingen in te voeren voor interne compensatie (constante drukomstandigheden), ofwel door de compensatie te programmeren in een automatiseringssysteem of pc (veranderende drukomstandigheden).

Dezelfde compensatieregels gelden voor het temperatuureffect. Er zijn echter steeds meer CO₂-meters die temperatuurvariaties meten én compenseren, en die daarom geen externe compensatie nodig hebben.

In Tabel 1 ziet u een voorbeeld van de veranderingen in de CO₂-sensoruitlezing (gas bevat 1.000 ppm CO₂ bij SATP) naarmate de temperatuur en druk veranderen, overeenkomstig de ideale gaswet.

Werken met de ideale gaswet is ook een manier om te begrijpen wat er gebeurt wanneer de samenstelling van een gasmengsel varieert bij een constante druk, temperatuur en volume. Dit kan bijvoorbeeld worden gebruikt om het effect van een veranderende vochtigheid op de CO₂-uitlezing te schatten.

De moleculen van een gasmengsel bestaan in hetzelfde systeemvolume (V is hetzelfde voor alle gassen) en bij dezelfde temperatuur. De ideale gaswet kan worden gewijzigd in:

waarbij

n_gas1 = hoeveelheid van gas 1 [mol]
n_gas2 = hoeveelheid van gas 2 [mol], enz.

en

waarbij

p = totale druk van het gasmengsel
p_gas1 = partiële druk van gas 1
p_gas2 = partiële druk van gas 2, enz.

De tweede vergelijking wordt de wet van Dalton voor partiële druk genoemd. Volgens deze wet is de totale druk van een gasmengsel gelijk aan de som van de partiële drukken van alle samenstellende gassen in het mengsel.

Deze informatie is nuttig wanneer rekening wordt gehouden met de invloed van waterdamp op CO₂- sensoruitlezingen. Wanneer er waterdamp wordt toegevoegd aan een droog gas bij constante druk, temperatuur en volume, vervangt het water enkele van de gasmoleculen in het mengsel. Wanneer op soortgelijke wijze een gasmonster aan een ruimte met hoge vochtigheid wordt onttrokken en kan drogen voordat het de meetkamer van een CO₂- meter binnengaat, verandert het verlies aan watermoleculen de samenstelling van het gas en heeft dit een effect op de CO₂-meting.

Dit zogenaamde verdunningseffect kan worden geschat aan de hand van Tabel 2. De CO₂-concentratie van de omgeving met hoge vochtigheid kan worden berekend wanneer de CO₂- concentratie van het gedroogde gas bekend is. Om dit te bereiken moeten het dauwpunt (T_d bij 1013 hPa) of waterconcentratie (ppm) van de droge en natte omstandigheden bekend zijn. De luchtvochtigheid van de omgeving met hoge vochtigheid wordt geselecteerd aan de horizontale as en de toestand van het gedroogde gas wordt geselecteerd aan de verticale as.

Voorbeeld: Er wordt een gasmonster genomen vanuit een omgeving met een dauwpunt van 40°C (73.000 ppm water) naar een omgeving van 20°C T_d (23.200 ppm water). De gemeten CO₂-concentratie van 5,263% bij 20°C T_d wordt vertaald naar 5,00% in de omgeving van 40°C T_d (5,263% × 0.950 = 5,00%). De lagere uitlezing wordt veroorzaakt door verdunning als gevolg van het hogere watergehalte bij 40°C T_d.