Richtige Luftqualität in der häuslichen Umgebung sicherstellen

Im Gegensatz zu vielen anderen Dingen, für die wir heutzutage Geld ausgeben müssen, ist Luft reichlich vorhanden und völlig kostenlos. Jüngste Nachrichtenberichte, in denen schlechte Luftqualität mit Atemwegserkrankungen wie Asthma in Verbindung gebracht und als Ursache für einen vorzeitigen Tod genannt wird, könnten jedoch darauf hindeuten, dass saubere Luft kostbarer ist, als uns manchmal bewusst ist.

Der Telaire SM-UART-01L+ von Amphenol.

Wir kennen zwar alle die Bilder von dicht besiedelten Städten, die unter einer dicken Smogwolke liegen, und die gesundheitlichen Folgen solcher Szenarien, aber die Diskussion über die Luftqualität dreht sich jetzt mehr um Innenräume. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht der Europäischen Umweltagentur (EUA) legt nahe, dass die Luft in unseren Wohnungen auf lange Sicht sogar schädlicher für unsere Gesundheit sein kann als die scheinbar weitaus offensichtlicheren Auswirkungen der durch Industrie- und Autoabgase verschmutzten Außenluft.

Für die Luftverschmutzung in Innenräumen gibt es zwei Hauptursachen. Dabei handelt es sich um flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs) und Feinstaub (Particulate Matter, PM). Bei den flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) handelt es sich um vom Menschen hergestellte und/oder organische chemische Stoffe, die einen wesentlichen Teil des Problems der Luftqualität ausmachen. Im Allgemeinen sind sie flüchtig und haben einen niedrigen Siedepunkt, so dass die Moleküle durch Verdunstung in die Umgebungsluft gelangen können. Zu den Quellen für flüchtige organische Verbindungen zählen Klebstoffe, Lösungsmittel, Haushaltsgeräte und Rauch, aber auch weniger offensichtliche Quellen wie Teppiche, Möbel und Haushaltsreinigungsmittel. Da moderne Häuser aus Gründen der Energieeffizienz sehr gut abgedichtet sind und daher nicht genügend Frischluft zirkulieren kann, können die VOC-Werte in Innenräumen die Außenwerte um das Zehnfache übersteigen.

Feinstaub umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher luftgetragener Stoffe, die durch zahlreiche menschliche Aktivitäten sowie bestimmte natürliche Quellen entstehen. Die amerikanische Umweltschutzbehörde (EPA) definiert PM als einen der sechs gesundheitsschädlichen „Kriterien-Schadstoffe“, zu denen unter anderem Staub, Rauch, Ruß und Schimmel gehören. Feinstaub (PM) wird nach seiner Größe kategorisiert. PM10 beispielsweise bezieht sich auf Moleküle mit einem Durchmesser von 10 μm oder weniger, wie beispielsweise Staub, Pollen und Schimmelsporen. Kleinere PM2,5-Moleküle haben einen Durchmesser von weniger als 2,5 μm, ein Dreißigstel der Dicke eines menschlichen Haares, und können aus Rauch, Smog, Bakterien, Feinstaub oder Flüssigkeitströpfchen bestehen.

Die Exposition gegenüber Feinstaub wird mit Augen-, Nasen- und Rachenreizungen sowie schwerwiegenderen Atemwegsproblemen und sogar Herzerkrankungen in Verbindung gebracht. PM2,5-Moleküle sind hierbei besorgniserregender als die der größeren PM-Kategorien, da sie tiefer in die Lunge eindringen und dort langwierige Erkrankungen auslösen können, die schwieriger zu behandeln sind. Laut einer 2015 veröffentlichten Studie der Europäischen Umweltagentur (EUA) sind PM2,5-Konzentrationen für mehr als 400.000 vorzeitige Todesfälle pro Jahr verantwortlich.

Die Überwachung der Luftqualität wird inzwischen ernst genommen, und die zuständigen Behörden überprüfen die Situation an wichtigen Orten (z. B. an stark befahrenen Straßen und Kreuzungen). Unternehmen haben eine Fürsorgepflicht gegenüber ihren Mitarbeitern und sind sich der Tatsache bewusst, dass gesundes Personal produktiver ist. Daher gewinnt die Überwachung der Luftqualität am Arbeitsplatz immer mehr an Bedeutung. Auch im privaten Bereich kaufen immer mehr Menschen Überwachungsgeräte, insbesondere Eltern mit kleinen Kindern oder Menschen mit älteren Angehörigen sowie diejenigen, die selbst an einer chronischen Krankheit leiden, die sich durch schlechte Luftqualität verschlimmern könnte.

Moderne Technologien zur Überwachung der Luftqualität
Da die Luftqualität einen so entscheidenden Einfluss auf die Gesundheit haben kann, ist es kaum überraschend, dass sie mehr als je zuvor überwacht wird. Dabei spielt der Zugang zu neuer fortschrittlicher Hardware eindeutig eine wichtige Rolle. Auf dem Markt sind verschiedene Sensortechnologien mit jeweils unterschiedlichen Leistungsmerkmalen und Funktionen erhältlich.

Metalloxid-Sensoren (MOX) arbeiten nicht-selektiv und ändern ihren Widerstand, um die Anwesenheit von Gasen anzuzeigen. Sie sind in ihrer Funktionsweise begrenzt und können nur relative Messungen vornehmen (sie melden, dass ein Niveau besser oder schlechter ist als ein anderes). Zudem ist zu beachten, dass MOX-Sensoren empfindlich auf Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit (RH) und der Temperatur (T) reagieren. Daher arbeiten Luftqualitätsüberwachungssysteme, die diese Technologie verwenden, häufig mit RH- und T-Sensoren, um diese Schwankungen auszugleichen. Einige flüchtige organische Verbindungen (wie beispielsweise After Shave, Parfüm, Edding-Marker oder sogar Bier) sind Teil des täglichen Lebens, und die begrenzte Leistung der MOX-Sensoren kann dazu führen, dass ein Problem gemeldet wird, obwohl es eigentlich gar nicht existiert. Im Allgemeinen sind kurzfristige Veränderungen der Luftqualität, die auf alltägliche Verhaltensweisen zurückzuführen sind, weitaus weniger besorgniserregend als Veränderungen der zugrundeliegenden Hintergrundwerte, die sich in der Regel sehr viel langsamer vollziehen.

Eine alternative Methode zur Ermittlung der Luftqualität ist die nichtdispersive Infrarotsensorik (NDIR). NDIR-Sensoren besitzen in der Regel eine IR-Quelle, eine Probenkammer, einen Spektralfilter und ein IR-Detektionssystem. Der Spektralfilter wird entsprechend dem zu messenden Gas ausgewählt. CO2 wird beispielsweise gewöhnlich bei einer Wellenlänge von 4,26 μm absorbiert. Je stärker die IR-Intensität bei dieser Wellenlänge abnimmt, desto größer ist die Menge an vorhandenem CO2 . In jüngster Zeit wurden weitere Technologien für die Partikelmessung eingeführt, z. B. die laserbasierte Messung. Diese Systeme basieren auf der Reflexion von Laserlichtstrahlen durch die Partikel zur Messung der in der Luft vorhandenen Partikelmenge.

Aktuelle Sensortechnologie
Es gibt mittlerweile eine große Auswahl an Sensoren für die Messung der Luftqualität. Mithilfe dieser kompakten und stromsparenden Komponenten können Systeme zur Überwachung der Luftqualität sowohl als eigenständige Einheiten entwickelt als auch in Geräte wie Klimaanlagen usw. integriert werden. Da intelligente Gebäude immer häufiger zum Alltag gehören, können diese Sensoren in komplexere, hochentwickelte automatische Systeme eingebunden werden, mit denen die Auswirkungen einer schlechten Luftqualität gemildert werden können. So könnten zum Beispiel die Fenster in einem Büro automatisch geöffnet werden, bis sich die Luftqualität verbessert.

Der Telaire SM-UART-01L+ von Amphenol Advanced Sensors ist ein Staubsensor, der die Konzentration von Staubpartikeln in der Luft über ein optisches Verfahren bestimmt. Das ultrakompakte (43 mm x 45 mm x 18 mm) Bauelement enthält eine Laserdiode und einen hochempfindlichen Fotosensor. Die Partikel in der Luft reflektieren das Licht der Laserdiode und dieses reflektierte Licht wird anschließend vom Fotosensor erfasst. Anhand des Impulsmusters des Ausgangssignals kann der SM-UART-01L+ kleine Partikel (wie Rauch) von größeren Partikeln (wie allgemeinem Staub) unterscheiden. Dieses voll integrierte laserbasierte Teilsystem eignet sich insbesondere für den Einsatz in Innenräumen, z. B. in Luftreinigern, Luftbefeuchtern und Klimaanlagen und kann Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 0,3 μm (PM0,3) messen und Konzentrationen von bis zu 1 μg/m3 erkennen. Die Ausgabe der seriellen Daten erfolgt über die integrierte 8-polige Steckerschnittstelle mit einer Geschwindigkeit von bis zu 9600 bps. Er zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit (≤±15 %) und kurze Reaktionszeiten von ≤15 s aus.

Der Feinstaubsensor SPS30 PM von Sensirion nutzt ebenfalls das Prinzip der Laserstreuung, um das Vorhandensein von Feinstaub zu bestimmen, arbeitet jedoch zusätzlich mit der von Sensirion entwickelten innovativen Verschmutzungsresistenztechnologie. In Verbindung mit der Spezifikation von hochwertigen und langlebigen Komponenten ermöglicht diese Technologie präzise Messungen über eine lange Lebensdauer von mehr als acht Jahren. Hochentwickelte Algorithmen sorgen für ein hohes Maß an Genauigkeit bei verschiedenen Arten von Feinstaub. Eine höhere Auflösung bei der Partikelgrößenbestimmung ermöglicht die Erkennung verschiedener Größen von Staub und anderen Partikeln in der Umgebung, so dass das System auf eine bestimmte Anwendung oder Umgebung abgestimmt werden kann.



Der SPS30 von Sensirion

Die HPM-Sensoren von Honeywell arbeiten ebenfalls mit dem Prinzip der Lichtstreuung. Diese vollständig kalibrierten Geräte sind in der Lage, Feinstaubpartikel der Klassen PM1.0, PM2.5, PM4.0 und PM10 im Bereich von 0 mg/m3 bis 1000 mg/m3 zu erkennen und haben eine Reaktionszeit von weniger als 6 Sekunden. Sie eignen sich für den Einsatz in der Schwerindustrie und erfüllen die Anforderungen der Norm IEC/EN61000 für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Mit einem Stromverbrauch von nur 80 mA sind sie auch für tragbare, batteriebetriebene Luftqualitätsmessgeräte geeignet.



Beispiel für einen HPM-Sensor von Honeywell (HPMA115C0-004 Compact).

Blick in die Zukunft
Immer mehr Menschen erkennen, wie schädlich sich die Luftqualität auf ihre eigene Gesundheit auswirken kann. Daher ist zu erwarten, dass die Messung dieses Parameters in unseren Wohnungen, an unseren Arbeitsplätzen und sogar in engen Räumen, wie z. B. in Autos, sehr verbreitet sein wird. Start-ups wie uHoo haben ästhetisch ansprechende Innenraumgeräte entwickelt, die sich gut in die Wohnungseinrichtung einfügen. Produkte wie das tragbare Luftverschmutzungsmessgerät Atmotube sind klein genug, um in einer Handtasche oder einem Rucksack mitgeführt zu werden, und ermöglichen es den Menschen, die Luftqualität ihrer Umgebung zu überprüfen, ganz gleich, wo sie sich gerade befinden.

Der technologische Fortschritt kann dazu beitragen, dass wir alle länger leben. Dabei ist die Qualität der Luft, die wir einatmen, ein entscheidender Faktor für ein gesundes Leben. Da wir zu Hause und auch am Arbeitsplatz in immer energieeffizienteren, isolierten Räumen leben, nimmt die Luftqualität deutlich ab. Im Umkehrschluss wird eine Überwachung der Luftqualität daher immer wichtiger. Moderne Sensoren können mit Hilfe fortschrittlicher optischer Technologien winzige Partikel im Submikrometerbereich messen, und da die Größe, die Kosten und der Stromverbrauch dieser Sensorsysteme sinken, wird die Überwachung der Luftqualität künftig als Funktion in viele andere Geräte integriert werden, sowohl für den Wohnbereich als auch für tragbare Geräte im Freien.

www.mouser.com

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