Hoe CO2 meten?

De Beer-Lambert wet

Pierre Bouguer (1698 – 1758) merkte op, terwijl hij naar rode wijn keek, dat het licht dat inviel op de rode wijn werd afgezwakt. De afzwakking werd groter naarmate het licht door meer rode wijn moest passeren. Maar de afzwakking werk ook groter naargelang de concentratie van de rode wijn groter werd.

Alhoewel Pierre Bouguer dit ontdekte wordt de wet vaak toegeschreven aan Johann Heinrich Lambert (1728-1777) omdat die in zijn boek Photometria uit 1760 verwees naar deze wet. In 1852 ontdekte August Beer (1825 – 1863) nog een verzwakkingsrelatie waardoor de wet uiteindelijke de Beer-Lambert wet werd (maar soms ook de Lambert-Beer wet of de Beer-Lambert-Bouguer wet genoemd).

De wet Beer-Lambert kan je “eenvoudig” demonstreren met een groen laserlicht in een oplossing van Rhodamine 6B. In onderstaande foto’s kan je zien dat de lichtstraal zwakker wordt naarmate het door meer vloeistof moet gaan. De vloeistof absorbeert het licht.

In onderstaande figuur zie je hetzelfde maar met drie verschillende concentraties. Hoe hoger de concentratie, hoe moeilijker het licht er door geraakt (meer absorptie van het licht).

Een gelijkaardig absorptie gebeurt er met gassen. Alleen moeten we hiervoor licht gebruiken dat we niet kunnen zien.

In onderstaande figuur kan je zien dat licht met een golflengte van 4,26 um geabsorbeerd wordt door CO2 (ter info: zichtbaar licht zitten tussen 0,38 en 0,7 um dus wij kunnen dit niet zien).

In volgende figuur zie je dat het infrarood gedeelte tussen 0,7 um en 1 mm (1000 um) golflengte zit.

CO2 sensor meetprincipe

Met bovenstaande uitleg hebben we een mooie voorzet gegeven. We kunnen CO2 meten dmv licht. Weliswaar voor de mens onzichtbaar licht.

Door licht (infrarood) te laten schijnen op een gas (in ons geval de lucht) en aan de andere kant te kijken hoeveel van dit licht ontvangen wordt, kunnen we bepalen hoeveel CO2 er in de lucht zit. Hoe meer CO2, hoe meer het infrarood licht zal geabsorbeerd worden, en dus hoe minder infrarood licht we ontvangen. Het verlies aan licht is dus een maat van de hoeveelheid CO2.

Onderstaand een eenvoudige voorstelling van een CO2 sensor. De belangrijkste onderdelen zijn:

• Infrarood lamp
• monsterkamer of lichtbuis
• lichtfilter
• infrarood detector

Het infrarood licht wordt door de monsterkamer naar de detector geleid. De CO2 in de monsterkamer zal het infrarood licht absorberen waardoor niet al het licht op de detector toekomt. Hoe minder licht er toekomt, hoe meer CO2 er aanwezig is.

Wat doet de optische filter daar eigenlijk?
De lichtbron is niet ideaal. Ze stuurt niet exact een licht van 4,26 um uit. Ook zal de detector niet perfect zijn. Hij zal niet enkel reageren op licht van 4,26 um. De lichtbron zal dus ook andere licht uitsturen (wat al dan niet zal geabsorbeerd worden door andere gassen in de lucht) waar de lichtsensor op zal reageren. Echter is deze reactie niet correct want het is geen CO2. Je zou een foutieve CO2 waarde kunnen uitlezen. De optische filter lost dit op. Deze filter zal enkel licht van 4,26 um doorlaten. Dus zelfs als het infrarood licht niet perfect is, dan zal de filter dit licht tegenhouden. En zelfs als de detector niet perfect is, de filter zal er voor zorgen dat enkel het juiste licht er door geraakt. Een “perfect” optische filter maken is ook eenvoudiger dan een “perfecte” lichtbron of lichtdetector.

Meestal worden de ingang en uitgang van de monsterkamer afgesloten met een membraan. Op onze sensoren zijn dat de witte vlakjes. Dit is om te vermijden dat er vuil, stof of vocht in de monsterkamer zou terecht komen.

Kalibratie

We meten dus hoeveel licht er op de detector valt om te bepalen hoeveel CO2 er aanwezig is. Maar wat als de lamp minder hard begint te branden? Elke lamp zal door ouderdom toch minder licht uitstralen? Gaat onze detector dan een foutieve waarde geven?

Ja, dit is mogelijk en de enige mogelijkheid om dit op te lossen is door de CO2 sensor te gaan kalibreren. Kalibreren wilt zeggen dat je de sensor in een omgeving brengt die gekend is. Waarvan je exact weet hoeveel CO2 er aanwezig is. Typisch is dit 400 ppm. Eens je in deze gekende omgeving zit lees je de sensor uit. Je verwacht dat de sensor een waarde van 400 ppm zal geven. Maar stel dat hij 450 ppm geeft. Dan kan dit een teken zijn dat de lichtbron verzwakt is en de detector minder licht ontvangt. Dit is niet omdat er 450 ppm aan CO2 is. De detector werkt nog correct maar hij ontvangt gewoon minder licht omdat de lichtbron afgezwakt is.

Om de zwakkere lichtbron te compenseren gaan we kalibreren. Uit bovenstaande meting (450 ppm waarde gemeten maar de omgeving is 400 ppm) concluderen we dan dat de ppm waarde gegeven door onze sensor telkens 50 ppm te hoog is. Dus als onze sensor 450 ppm weergeeft, dan trekken we hier 50 ppm van af en dan bekomen we de werkelijke waarde. Geeft onze sensor 800 ppm, dan trekken we hier ook 50 ppm van af en weten we dat de werkelijke waarde 750 ppm is. We hebben de verzwakte lichtbron gecompenseerd.

Dit alles wordt uiteraard volledig intern, in de sensor, gecorrigeerd. De afgelezen waarde op de display is dus reeds de gecorrigeerde waarde.

Moeten wij nu onze CO2 sensor kalibreren?
Neen, de CO2 sensor doet dit automatisch. De CO2 sensor meet 24 u op 24 en houdt telkens de laagste waarde bij die hij meet. Na één week neemt hij de laagste waarde en stelt die gelijk aan 400 ppm.

Waarom?
De sensor gaat er van uit dat er gedurende 1 week minstens 1 moment was dat er niemand aanwezig was in het lokaal (in scholen mogen we er van uitgaan dat er ’s nachts en in het weekend niemand aanwezig is). In een leeg lokaal zou de CO2 waarde gelijk moeten zijn aan 400 ppm. Dus als de sensor 450 ppm heeft gemeten als laagste waarde in die week, dan gaat hij er van uit dat hij systematisch 50 ppm te hoog meet en zal hij dat intern automatisch corrigeren.

Onderstaande een CO2 meting van 24u. Merk op dat ’s nachts de waarde zakt naar 400 ppm.

Bovenstaand principe werkt uiteraard enkel als er geregeld een situatie is waar de CO2 ppm waarde voldoende kan zakken. In omgevingen waar er bijvoorbeeld continu mensen aanwezig zijn (ook ‘s nachts) of in omgevingen waar de CO2 waarde bijna nooit zakt tot 400 ppm (bijvoorbeeld een ondergrondse parking) moeten andere CO2 sensoren gebruikt worden. Die hiermee rekening houden. Of moeten de sensoren regelmatig manueel gekalibreerd worden.