Sensirionは、環境センサー ソリューションの革新における先駆者であることを再び証明しました。SCD4xは、わずか1立方センチメートルのスペースしか必要としない、初の小型CO₂ センサーです。この革新的なイノベーションは、光音響センサー技術の原理に基づいており、最小のサイズと最大のパフォーマンスを兼ね備えています。これにより、統合とアプリケーションのための数多くの新しい可能性が開かれます。SCD4xは、比類のない価格性能比を備えているため、量産やコスト重視のアプリケーションに特に適しています。
環境意識の高まりは、人々の生活、旅行、食事の仕方だけでなく、建物のデザインにも影響を与えます。現代の住宅は、主に暖房に使用される天然資源を節約するために、非常に高いエネルギー効率を目指しています。その結果、古い建物よりも断熱性に優れた気密性の高い建物が好まれる傾向にあります。気密性の高い建物では、壁、屋根、窓、隙間などを通した空気の交換が少なくなり、内部の空気の質に悪影響を及ぼします。室内の空気の質が低下すると、人々の生産性や健康に悪影響を及ぼします。最終的には、健康的で生産性の高い室内環境を維持するために、定期的に新鮮な空気を供給するアクティブな換気システムが必要になります。換気システムは、空調と新鮮な空気の供給に大量のエネルギーを必要とするため、システムの高いエネルギー効率を確保することが重要であり、これは、現在の需要に基づいて空気交換を制御する換気戦略によって可能になります。
人間は二酸化炭素濃度の上昇やその他の室内汚染の主な原因であるため、新鮮な空気の必要性は室内にいる人の数や活動（調理、スポーツ、レクリエーションなど）によって異なります。 人が閉ざされた建物内にいる場合、その室内のCO2 濃度が増加し、室内の空気の質が低下します。そのため、CO2 濃度は空気の質の指標として、また換気システムの制御パラメータとして推奨されています。室内の空気の質の測定に基づいて、需要に応じた空気交換が可能になり、一方では健康的で快適な環境が確保され、他方では高いエネルギー効率が保証されます。
Sensirionは現在、独自のPASensテクノロジーをベースにした新しいSCD4xセンサーにより、CO 2® センサー市場に革命を起こしています。PASens® テクノロジーは光音響測定原理を使用し、センサーの性能を損なうことなくCO2 センサーの極限の小型化を実現します。その理由は、現在一般的に使用されているNDIR測定原理とは対照的に、センサーの感度が光キャビティのサイズに依存しないからです。これにより、お客様はコスト効率が高く、柔軟でコンパクトな統合を実現でき、これまで十分な設置スペースがなかったアプリケーションでもCO2 センサー技術を使用できるようになります。さらに、統合された電気部品の数が大幅に削減されたため、コスト構造が非常に効率化され、価格が大幅に下がりました。センサーの小型化と魅力的なコスト構造により、SCD4xを小型換気システム、空気交換器、空気ダクトプローブ、空気清浄機、サーモスタット、空調ユニット、空気品質モニターなどの大量生産される新製品やアプリケーションに統合する新たな可能性が数多く生まれます。
SCD30 (NDIR) とSCD4x (PASens® テクノロジー) のサイズ比較 / 出典: Sensirion AG
室内空気中のCO2濃度上昇の影響
二酸化炭素は人間の代謝の中心的な産物の一つであり、摂取した食物とともに、CO中の酸素の供給下で石炭水和物、脂肪、タンパク質などが変換される。 2呼吸を通じて再び送られます。これは屋外ではすぐに希釈されますが、CO 2 密閉された部屋では濃度が急激に上昇する可能性があります。セミナーエリアや教室など特に人が集まる場所や、車のキャビンなど特に狭い室内では、CO 2 - 集中力はわずか数分で10倍に高まります。大気中のCO 2 濃度は、場所に比較的依存せず、約400 ppm (百万分の一) ですが、換気が不十分な屋内では最大5000 ppmに達する可能性があります。COの蓄積2 代謝が複雑になり、CO2濃度が1000 ppmに達すると、眠気や集中力障害が発生する可能性があります。
CO2 が人間の代謝に及ぼす特別な影響のため、この分子を選択的に測定することが正当化されます。CO2 の場合、赤外線の吸収によって達成できる個々の原子の相対振動の選択的励起が適しています。図1 は、大気中に存在する代表的なガスのさまざまな吸収帯を示しています。
図1: 大気中に存在する一般的なガスの吸収帯 (出典: Hodgkinson & Tatam、Meas.科学技術。24 (2013) 012004)
ここで、4.26 μmのCO2 は非常に顕著な吸収線を持ち、他のガスとはほとんど重なり合わない吸収線を持っていることがわかり、選択的な測定に適しています。SensirionのSCD30などのNDIRベースのガス センサーとは対照的に、光音響センサーは透過光の量ではなく、ガスに吸収された光の量を検出します。これは光音響効果を使用して間接的に行われます。この効果は一般に、ガス内での光吸収後の圧力の上昇を表します。
IR放射によって励起された分子は、振動励起を他の分子に伝達し、並進エネルギーの増加、つまり局所的な温度上昇につながります。密閉された空間では、並進エネルギーの増加によって圧力が増加し、圧力トランスデューサーによって検出できます。非共鳴型光音響ガスセンサーの一般的な設計を 図2に示します。
図2: 非共鳴光音響ガスセンサーのセットアップ図 (出典: Sensirion AG)
PASens® テクノロジー
光音響センサーの主要コンポーネントは、狭帯域IR光で照射される主に閉じられた測定ボリューム、測定ボリューム内の圧力変化を検出するマイクロフォン、および周囲とのガス交換を可能にする環境への測定セルの開口部です。狭帯域IR光は通常、広帯域エミッターによって生成され、その放射光は光バンドパス フィルターを通して照射されます。
SCD4xなどの光音響センサーを使用すると、次のようにCO2 濃度を決定する信号が生成されます。
- IR光源がオンになり、測定ボリューム内に狭帯域IR光を放射します。これにより、測定対象となるガス分子（ここではCO2）の振動励起が生じます。
- しばらくすると（通常は数ミリ秒）、振動が治まり、温度が上昇し、圧力も上昇します。
- ガス分子の励起時間と脱励起時間と比較して、測定室内の圧力はすぐにバランスをとるため、測定室内に接続されたマイクで圧力の上昇を記録できます。
- 数十ミリ秒後に光源がオフになり、測定セルが環境によって熱化されるため温度と圧力が低下し、システムは初期状態に戻ります。
生成された信号の信号対雑音比を高めるために、上記の測定サイクルを数回繰り返します。この目的のために光源が変調され、生成された周期的な圧力変化は音波として考えることができます。電球が第一選択だったSCD30とは対照的に、SCD4xにはSensirionが開発したMEMSベースのエミッターが選択されました。これは迅速に調整でき、アクティブ制御により長期的な安定性が向上します。小型化と環境の影響からのセンサーの保護のため、SCD4xのすべてのコンポーネントは測定セル内に設置されています ( 図3 を参照)。
図3: PASens® テクノロジー向けにSensirionが開発した主要コンポーネント (出典: Sensirion AG)
まとめ
Sensirionは、より健康的で生産性の高い環境を作り出す環境センシングのイノベーションの最前線に再び立っています。SCD30によるCO2 センサー技術の成功物語は、SCD40によってこれらのセンサーのサイズの壁を打ち破ることで継続されます。SCD4xは、従来のNDIRベースのセンサーと比較してパフォーマンスを犠牲にすることなく、家庭内のさまざまなデバイスに統合できるサイズと価格を実現した初の小型CO2 センサーです。この図は、Sensirionの革新的なCO2 センサー ソリューションを搭載できる代表的なアプリケーション/デバイスを示しています。
暖房、換気、空調におけるアプリケーションの概要 (出典: Sensirion AG)
この環境測定の新技術は、環境センサー技術分野におけるSensirionの専門家としての地位を強調するものです。まもなく発売されるSCD4x COの高度な革新性2 センサーもさまざまな指名によって強調されています。このセンサーは、すでにSensorsExpo 2019で「Best of Sensors」賞を受賞しており、AHR 2020トレードショーの「Most Innovative Product」部門のファイナリストに選ばれ、AMA Innovation Award 2020のファイナリストにも選ばれました。