Monitoring zawartości dwutlenku węgla (CO2) w powietrzu

---

D. Grobel,  A. Łobzowski, W. Szkolnikowski LAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J. artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 3/2006

---

Człowiek w procesie oddychania pobiera z powietrza tlen, a wydziela dwutlenek węgla. W spoczynku zdrowy człowiek oddycha około 16 razy na minutę. W czasie jednego oddechu, wdycha i wydycha ok. 500 cm3 powietrza, co nazywane jest objętością oddechową TV (ang. tidal volume). Wynika z tego, że wentylacja minutowa płuc równa jest 8 dm3/min. Zatem w ciągu minuty, 250 cm3 O2 przechodzi do organizmu, a wydalane jest 200 cm3 CO2. Powietrze wydychane przez człowieka zawiera od 2 do 3% dwutlenku węgla. Stężenie O2 w powietrzu mniejsze od 18% jest uważane za szkodliwe dla zdrowia człowieka. Zaleca się, aby udział CO2 w pomieszczeniu, w którym przebywają ludzie, nie przekraczał 0,15%. Niektóre standardy, w tym amerykańskie i unijne określają koncentrację CO2 w powietrzu wewnątrz budynku wynosząca 800 - 1500 ppm, co  odpowiada ilości powietrza wentylacyjnego 20  30 m3/h na osobę.
Zawartość dwutlenku węgla w powietrzu powinna być również kontrolowana i sterowana w procesach rolniczych. Rośliny uprawiane pod osłonami są narażone na niedostatek dwutlenku węgla, który jest dla nich głównym składnikiem odżywczym. Większość roślin uprawnych wymaga dla maksymalnej produkcji 800 - 1000 ppm CO2, a więc stężenia wyższego niż normalnie występujące w powietrzu (ok. 400 ppm). W szklarni lub w namiocie foliowym, w wyniku fotosyntezy roślin, stężenie dwutlenku węgla może obniżyć się nawet do 200 ppm. Dlatego, aby zwiększyć plon upraw szklarniowych często stosuje się dokarmianie roślin CO2 (ze zbiorników lub zawartym w spalinach pochodzących z nagrzewnic gazowych, spalinowych, itp.). Zabieg taki pozwala zwiększyć plon nawet o kilkadziesiąt procent.
Bardzo istotną rolę odgrywa sterowanie zawartością CO2 w pomieszczeniach upraw grzybów, co jest podstawowym warunkiem dobrego ich plonowania. Grzyby, w odróżnieniu od roślin, które wytwarzają dwutlenek węgla  w procesie fotosyntezy, poprzez przemianę materii grzybni i drobnoustrojów w podłożu, wydzielają duże ilości dwutlenek węgla,  powodując wzrost jego stężenia. Gaz ten jest nieobojętny dla wzrostu i rozwoju owocników, a o wysokich plonach i odpowiedniej jakości produkcji decyduje utrzymanie jego stężenia na poziomie 0.08  0.15 % (800 1500 ppm). Szkodliwe jest zarówno zbyt niskie stężenie CO2 (tworzy się zbyt dużo zawiązków), jak i jego nadmiar (owocniki ulegają zniekształceniu). W przypadku np. pieczarki, stężenie dwutlenku węgla większe od 2000 ppm, powoduje obniżenie jakości owocników. Przy stężeniu 4000 do 5000 ppm, owocniki mogą nie powstawać w ogóle, a powyżej 5000 ppm, zaczyna tworzyć się nowa grzybnia. Zawartość CO2 reguluje się poprzez sterowanie dopływem świeżego powietrza.
Długotrwałe przechowywanie owoców i warzyw, bardzo opłacalne ekonomicznie, wymaga zapewnienia odpowiednich warunków składowania: niskiej temperatury, niskiego stężenia tlenu i wysokiego stężenia CO2. Środowisko takie warunkuje ograniczenie strat związanych z oddychaniem żywych tkanek, które zużywają tlen, emitując CO2, a także parowaniem wody. Pozwala to wydłużyć okres przechowywania do kilku miesięcy, jak to ma miejsce w przypadku jabłek. Również inne owoce, a także warzywa powinny być przechowywane w kontrolowanej atmosferze. Generalną zasadą jest utrzymanie temperatury bliskiej O°C, stężenia tlenu około 1,5% i dwutlenku węgla około 3%. Od pewnego czasu promowana jest też w Polsce metoda ULO (ultra low oxygen), gdzie stężenia tlenu i dwutlenku węgla są utrzymywane na niższym poziomie (ok. 1%). Wymagania dla poszczególnych gatunków i odmian owoców opracowywane  i publikowane są przez instytuty sadownicze1.

Rys.1 Schemat blokowy czujnika optycznego zawartości CO2 wraz z układem przetwarzającym

Do pomiaru zawartości dwutlenku węgla w powietrzu dawniej służyły specjalne czujniki elektrochemiczne, które musiały być dość często regenerowane z uwagi na utratę właściwości metrologicznych, wynikających z chemicznych reakcji w samym czujniku. Obecnie stosowane są czujniki optyczne wykorzystujące zjawisko absorpcji światła przez przepływającą pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem mieszaniną gazów (np. powietrza z zawartością CO2). Na rys. 1 przedstawiony został schemat blokowy całego przetwornika.
Najważniejszą część układu stanowi czujnik (wyodrębniony na schemacie), stanowią go: dioda nadawcza emitująca światło w zakresie 3,8..4,3m (3) oraz dwie fotodiody odbiorcze uwrażliwione poprzez specjalne filtry na zakres referencyjny 4,2...4,3m (2) oraz zakres mierzony 3,8...3,9m (1). Dioda nadawcza zasilana jest impulsowo z mikrokontrolera (7) za pośrednictwem drajwera impulsowego (6). Sygnały z diod odbiorczych przekazywane są poprzez wzmacniacze sygnałowe (4) i (5) do mikrokontrolera (7), który po wyliczeniu zawartości CO2, przesyła informację na zewnątrz przyrządu za pośrednictwem interfejsu RS232/RS485 (9) oraz na lokalny wyświetlacz (8).
Firma LAB-EL posiada w swojej ofercie kilka przyrządów do pomiaru zawartości CO2 .