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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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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