Eine schlechte Luftqualität in Gebäuden kann eine Vielzahl an negativen Auswirkungen (Müdigkeit, Konzentrationsstörungen, Kopfschmerzen, etc.) auf die sich im Gebäude befindenden Menschen haben. Aus diesem Grund werden vermehrt Anstrengungen zur Verbesserung der Luftqualität in Gebäuden durchgeführt. In den letzten Jahren hat sich dabei bei Neubauten bzw. Modernisierungen die vollautomatisierte Gebäudeklimatisierung als energieeffiziente und komfortable Maßnahme durchgesetzt. Dabei sind vor allem der Kohlendioxidgehalt (CO2-Gehalt) als auch der Wasserdampfgehalt (H2O-Gehalt) in der Luft wichtige Indikatoren für die Luftqualität. Der Messung dieser Größen kommt daher in der vollautomatisierten Gebäudeklimatisierung eine hohe Bedeutung zu. Die Sensoren sollen vor allem langzeitstabil und wartungsarm sein, was einen Einsatz chemischer Sensoren zur Gaskonzentrationsmessung erschwert. Aus diesem Grund kommen in Gebäuden hauptsächlich optische Sensoren basierend auf dem non-dispersive-infrared-Verfahren (NDIR) zum Einsatz.
Die Grundlage dieser Sensoren ist die Absorption von Infrarotstrahlung durch die zu messenden Gasmoleküle. Viele Gase weisen Absorptionsspektren im infraroten Bereich auf (Abbildung 1) und können daher mithilfe optischer Sensoren gemessen werden.
Abbildung 1: Absorptionsspektren verschiedener Gase im mittleren Infrarotbereich aus [Graf; Software-tailored Non-dispersive Infrared Sensors].
Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines NDIR-Sensors.
Der schematische Aufbau von NDIR-Sensoren ist in Abbildung 2 zu sehen. Eine Quelle emittiert Strahlung im Infrarotbereich, welche durch eine Gasküvette geleitet wird. In der Küvette wird die Strahlung abhängig von der Konzentration der einzelnen Gasbestandteile wellenlängenabhängig abgeschwächt. Um nur die Abschwächung im für das Messgas interessierenden Wellenlängenbereich zu messen, wird ein geeigneter optischer Bandpassfilter eingesetzt. Mit einem Strahlungsdetektor wird schließlich die gefilterte und abgeschwächte einfallende Strahlung gemessen. Aus der Abschwächung kann dann auf die Konzentration des Messgases zurückgerechnet werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden alle Komponenten des Sensorsystems mathematisch modelliert, um untere Schranken des Messrauschens zu ermitteln und darauf aufbauend durch Adaption bzw. Ersetzen einzelner Elemente einen optimierten Sensor zu entwickeln. Zudem werden verschiedene Ansätze der Multigasmessung mit einem Sensor evaluiert.
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