Luftqualitätsmessung mittels optischer Sensoren
Optische Sensoren werden in Luftmessgeräten oft verwendet, um bestimmte Gase oder Partikel in der Luft zu erfassen. Dies gelingt entweder via Infrarot-Messung oder per Fluoreszenz-Messung.
Diese Messwerte lassen sich u. A. durch optische Sensoren feststellen: Feinstaub (PM₁ – PM₂,₅ – PM₁₀), Kohlendioxid (CO₂), Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄), Lachgas, Distickstoffmonoxid) (N₂O).
Luftanalyse durch Infrarot-Messung
Bei der Infrarot-Messung werden eine Infrarot-LED und ein Detektor genutzt, die im Luftmessgerät durch eine Wand getrennt sind und sich daher nie direkt „sehen“. Der Infrarot-Sensor (auch als IR-Sensor bezeichnet) nutzt Infrarotlicht, das außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums liegt, um Veränderungen in seiner Umgebung zu erfassen.
Taucht ein Partikel im Licht der LED auf, nimmt der Detektor ein Aufblitzen wahr und reagiert auf die ausgesendeten Strahlen des Emitters (Infrarot-LED). Der Detektor misst die Menge an reflektiertem, bzw. ausgesandtem Infrarotlicht. Grundlage hierfür ist die Infrarotabsorption. Einige Moleküle nehmen bestimmte Wellenlängen von Infrarotstrahlung auf. Anschließend stellt der Detektor fest, wie viel Licht bei den spezifischen Wellenlängen absorbiert wurde.
Der Sensor zählt also die Häufigkeit der Lichtblitze. Für eine maximale Genauigkeit kann ein zweiter Messstrahl (Reflexionssensor) die Intensität der Infrarot-LED, also deren Helligkeit, überwachen. Hierbei misst der Detektor die reflektierte Strahlung. Je heller die Blitze sind, desto größer sind die jeweiligen Partikel. Je dunkler die Blitze erscheinen, desto kleiner sind die Teilchen. Veränderungen in der reflektierten Intensität weisen demnach auf das Vorhandensein oder die Eigenschaften der Luftbestandteile hin.
Analyse von Luftschadstoffen durch Fluoreszenz
Einige Substanzen können bei Bestrahlung mit Licht in einer bestimmten Wellenlänge fluoreszieren, d. h., sie emittieren Licht einer anderen Wellenlänge. Indem der optische Sensor die Fluoreszenzintensität misst, kann er auf die Konzentration dieser Substanzen schließen. Die gemessene Fluoreszenz kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden, einschließlich der Detektion von Molekülen, Biomarkern, Umweltschadstoffen oder anderen Substanzen. Wobei die Intensität, Wellenlänge und Dauer der Fluoreszenz Informationen über die Menge, Konzentration oder Reaktionskinetik der analysierten Substanzen liefern.
Elektrochemische Sensoren
Mittels resistiver Sensoren lassen sich verschiedene Gase detektieren und quantifizieren. Hierfür besteht der elektrochemische Sensor typischerweise aus drei Hauptkomponenten: einer Arbeits-, einer Bezugselektrode und einer Gegenelektrode. Die Arbeits- und Referenzelektroden sind in einem Elektrolyten eingebettet, der die ionische Leitfähigkeit unterstützt. Gelangen Partikel des Gases zum Sensor, findet dort eine elektrochemische Reaktion statt, die spezifisch für das zu detektierende Gas ist. Diese Reaktion verändert die Ionen-Konzentration im Elektrolyten in unmittelbarer Nähe der Arbeits- und Referenzelektroden. Immer wenn auf der Oberfläche des Sensors entsprechende Partikel „andocken“, verursachen die Stoffe einen kleinen Strom im Sensor – ein messbares elektrisches Signal.
Der Vorteil dieser Sensor-Typen ist die individuelle Sensitivitätskalibrierung: Verschiedene elektrochemische Sensoren sind demnach für verschiedene Gase spezifisch, da die elektrochemischen Reaktionen gasabhängig sind. Daher werden spezielle Sensoren für die Detektion von Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Methan und anderen Gasen verwendet. Nachteil der elektrochemischen Sensoren ist eine möglicherweise bestehende Querempfindlichkeit mit anderen Gasen. So können die jeweiligen Sensoren auch auf andere Gase reagieren und bei deren Vorkommen ausschlagen.
Diese Messwerte lassen sich u. A. durch elektrochemische Sensoren feststellen: Schwefeldioxid (SO₂), Flüchtige Organische Verbindungen (VOC), Ammoniak (NH₃), Chlor / Chlorgas (Cl₂), Stickstoffdioxid (NO₂), Kohlenmonoxid (CO), Ozon (O₃), Formaldehyd (CH₂O), Schwefelwasserstoff (H₂S), Wasserstoff (H₂).
Schimmel & Pollen: Künftige Luftmessungen mit KI
Bisher lassen sich Schimmelsporen oder Pollen nicht direkt mithilfe eines Luftmessgeräts erkennen, da sie sich kaum eindeutig von anderen Partikeln wie Staub unterscheiden. Momentan lassen sich lediglich die Bedingungen feststellen, die eine Schimmelentwicklung begünstigen, wie eine zu hohe Luftfeuchtigkeit und ein unzureichender Luftaustausch. Künftig wollen wir das unter Verwendung innovativer Technik ändern. Gemeinsam mit der TU Chemnitz forscht air-Q daher an einer Möglichkeit, Schimmel sowie Pollen zu messen. Hierfür entwickeln wir unsere Sensoren weiter und suchen nach KI-basierten Lösungen, um Partikel hinsichtlich ihrer Art und Größe zu unterscheiden. Künstliche Intelligenz soll dabei eine effiziente Verarbeitung und Analyse großer Datenmengen ermöglichen, die von verschiedenen Sensoren und Quellen stammen. Wir streben durch den Einsatz von Machine Learning und Datenanalyse-Algorithmen an, komplexe Muster und Zusammenhänge in den Luftqualitätsdaten zu identifizieren und versprechen uns präzisere Vorhersagen, schnellere Reaktionszeiten und eine verbesserte Genauigkeit bei der Erkennung von Luftschadstoffen.
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