VOC传感器 VOC传感器如何进行IAQ监测以及VOC传感器工作原理

1.挥发性有机物的定义挥发性有机物是挥发性有机化合物。美国环保局(EPA)将VOC定义为除一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物、碳酸盐和碳酸铵之外，在大气中参与光化学反应的任何含碳化合物。百度百科对VOC的描述是:“它以常温蒸发的形式存在于空气体中。其毒性、刺激性、致癌性和特殊气味会影响皮肤和粘膜，对人体造成急性损伤...它是空气体污染物的一个重要类别。”

每个人平均每天吸入15公斤空左右的气体，其中80%是室内空气体。室外空空气质量通常由政府机构进行监测，而室内空空气质量(IAQ)监测是建筑运营商或居住者的责任，只要他们愿意实际实施。现在，新一代小型表面贴装低功率挥发性有机化合物气体传感器已经上市，可以通过小而低成本的组件实现分布式和本地IAQ监测功能。因此，用户可以更容易地操作建筑物中的空气体流量和空气体过滤设备。

二、挥发性有机化合物的危害

当室内VOC达到一定浓度空时，人就会开始感到头痛，厌恶心脏，四肢疲劳。如果继续长时间停留，会对肝、肾、脑、神经系统造成伤害，甚至可能导致抽搐、昏迷、失忆，后果严重。VOC危害那么大，但它从何而来？专家指出，墙体、天花板、地板等建筑材料，以及乳胶漆、壁纸、保温材料、胶粘剂等装饰材料是VOC的主要来源。需要指出的是，装修中最常用的乳胶漆的VOC主要来源于原材料的VOC，包括甲醛、氨、乙二醇等。，所以控制原材料的VOC含量非常重要！关于内墙乳胶漆的VOC含量，国家《室内装饰材料有害含量》规定不超过200g/L；《环境标签认证标准》也要求≤100g/L；发达国家的标准更为严格，欧盟标准中哑光乳胶漆的VOC含量必须≤ 75g/L..

介绍了新型挥发性有机化合物传感器的工作原理及其与绝对式单一气体传感器的区别。同时，ISweek工业生产网络编辑器还介绍了传感器如何提供数据，使空气体管理设备能够更高效、更有效地响应室内空气体质量变化。

3.如何监控IAQ？

目前，商业建筑的专业操作人员一般使用一级和二级空空气质量数据来控制通风和空空气过滤系统的运行。最常见的是，他们使用单一气体，通常是二氧化碳(CO2)，进行绝对测量。还会参考居民对空燃气质量的主观判断。

因为人类呼出的是CO2，所以在有人的房间里，CO2浓度随着时间的推移而增加是正常的。所以没有足够的通风，房间里人越多，CO2浓度越高。

室内空空气中CO2浓度过高，会让人感到“无聊”，想打瞌睡，失去专注力，无法做出有效的决策。因此，配备有CO2传感器的商业建筑管理系统可以根据测量的CO2浓度来调节、过滤和/或通风设备的操作。目的是保持室内空空气清新舒适，同时降低热交换率，因为人工加热或冷却空空气既浪费金钱又浪费能源。

实际上，CO2浓度是表示某空房间中人的密度的合适方式。再者，由于人类会产生VOC和CO2，科学上称之为“生物排放”，所以目前的建筑运营者普遍认为空配备有调节CO2浓度功能的调节设备，也可以充分调节室内空气中各种VOC的浓度。

实际考虑支持这一假设。经过多年的发展，CO2传感器组件的封装、价格和功耗特性变得非常有吸引力，可以保证它们可以集成到主流楼宇自动化设备的电路板中。

直到最近，替代的挥发性有机化合物浓度测量方法还是相当有限的。有一些测量和分析悬浮在空气体中的VOC的方法，包括光电离法、火焰离子化法、比色管法和波长吸收法。在实验室中，气相色谱和质谱(称为气相色谱-质谱)联用。

然而，这些方法不适用于紧凑、本地化和低功耗空空气质量传感设备，因为它们要么尺寸过大，要么功耗太高。

这就是为什么推出新一代金属氧化物VOC传感器的原因。现在它可以为表面贴装集成电路封装提供毫瓦功率，这对于IAQ监控领域来说是非常令人兴奋的。这些低成本、紧凑、低功耗的VOC传感器件可以很容易的集成到灯具、空空调、风扇、风扇遥控装置甚至手机等日常生活用品中。分布式局部VOC传感是可行的，也是发展趋势之一。

室内常见的挥发性有机化合物类型及其来源(图1)

因此，空调整设备的用户应重新考虑是否只依赖CO2数据。实际上，VOC浓度不会随着CO2浓度的变化而升降，主要有两个原因:

首先，并非所有的VOCs都是人产生的；其次，人类产生CO2的速率是连续的，并且在不活动时通常相当稳定。但是人类产生的VOC是有波动的，比如饭后一段时间就会上升。

根据国家标准技术研究所(NIST)建筑与消防研究实验室的报告，“许多污染源不仅来自居民，还包括建筑材料的排放和从室外进入建筑物的污染物。CO2浓度不提供与居住者无关的排放源排放的污染物浓度等数据。”

比如一个只有一个人的房间，CO2传感器记录的是室内空气中的CO2浓度较低，但是最近新安装了新房和地毯，房间的墙壁和地板上也粘了一些固定装置。在这种情况下，房间里的空空调设备通常被配置为在这种环境中提供最小的通风，导致唯一的居住者呼吸大量的悬浮VOC。

室内空空气中VOC浓度高，显著影响居住者的舒适度。CO2无味，但VOC气味很浓，(大部分VOC)令人不愉快。

但是，空气体中VOC的影响不仅让人不舒服。美国环保局(EPA)网站列出了短期和长期的健康影响，指出这些影响可能与室内空气中的VOC有关。环保局指出的这些影响包括:刺激眼睛、鼻子和喉咙；头痛、失去协调性、恶心；肝、肾和中枢神经系统损伤；一些有机物会导致动物患癌症；有些甚至被怀疑或已知会导致人类癌症。

因此，上述例子促使原始设备制造商开始在IAQ监测设备中使用表面贴装挥发性有机化合物传感器。

四、挥发性有机化合物气体传感器的工作原理

片式VOC气体传感器工作原理(图2)

挥发性有机化合物元件本身可以检测各种挥发性有机化合物，并提供对应于挥发性有机化合物浓度变化的相对输出。当配备板载处理器时，传感器还可以计算各种挥发性有机化合物的等效相对值。由于这些组件的输出是相对的，因此不需要校准。

此外，还有一种绝对输出气体传感器，是安全关键应用的理想和必要选择。在这些应用中，某些气体的高浓度会对生命或健康构成直接威胁。这样的绝对输出元素通常比较贵；只能检测到一种气体；需要定期校准来提供准确的输出数据。

这些因素在IAQ监控应用中显然不受欢迎。VOC传感器是对这一重要但又有限的绝对测量源的补充:它可以检测多种VOC，因此可以用来检测由一种或多种VOC化合物引起的室内空气质量变化，这些变化会对建筑物中的人产生影响。

在IAQ监测中，宽光谱传感器，如AMS CCS 811(2.7毫米x 4毫米x 1.1mm毫米，LGA封装)或iAQ-CORE(引脚布局为15毫米x 18mm毫米的集成传感器模块)不报告安全关键应用的特殊气体的绝对ppm值，但提供环境中各种挥发性有机化合物浓度的相对变化值，包括但不限于图1中列出的值。

在IAQ监测应用中，挥发性有机化合物传感器可以与绝对输出CO2传感器一起使用，随时为CO2浓度提供准确的参考。挥发性有机化合物传感器增强了对绝对CO2的测量，并收集了与挥发性有机化合物事件相关的其他数据，这些数据不一定与居民直接相关(通常是CO2浓度增加的主要原因)，如图3所示。

图3:几个人使用会议室几个小时后，VOC传感器和CO2传感器同时工作时的测量值对比

在图3中，在VOC传感器指示空气体质量下降期间，CO2传感器完全没有移动，这可能是由于在会议休会期间使用清洁化学品或打印机和复印机的排放造成的。响应VOC传感器的输出(而不是CO2传感器的指示)，通常会有更好的通风；因此，在本例中，在VOC事件期间，室内空的空气质量将为居住者得到改善。

V.空调节系统测量数据的校准

CCS811或iAQ-Core等VOC传感器可有效检测空气体中VOC浓度随时间的变化。但是，如何使用这些数据来管理空气体过滤或空气流设备的运行？

如今，空气体管理系统通常根据CO2浓度的测量绝对值进行配置。因此，iAQ-Core和CCS811包括执行所提供算法的处理器，并计算相对eCO2(等效CO2)值和相对TVOC(总挥发性有机化合物)值。通过这种方式，空空气质量管理系统的设计者可以将传感器的输入转换成适当的指令，例如提高通风设备的风扇速度，或者将通风口开得更大——或者在VOC浓度降低后减慢过滤和/或空空气交换速度，以降低能耗。

根据测试，eCO2的计算相对值是指合适的参考值，主要由人体VOC排放引起，与绝对CO2传感器测得的实际CO2浓度变化密切相关(见图4)。

图4:将ams MOX气体传感器计算的校准eCO2值与绝对CO2传感器在7天内测量的实际值进行比较

不及物动词整合IAQ监测的新机遇

如今，片式VOC传感器的尺寸、成本、功耗等优势使其成为空空气质量控制系统管理领域的分布式传感源。它们融入空空气质量控制体系只是时间问题——一个更健康、更愉悦的工作、生活、娱乐环境终将建立。

也可以将小型表面贴装VOC传感器集成到之前没有空空气质量传感功能的终端产品中，从而体现此类传感器的价值。例如，吸油烟机中的广谱VOC传感器可以检测原料和熟食气味、烟雾、清洁剂等产生的空气体中VOC浓度的变化。，并根据这些变化自动管理气流。这样，厨师就不必手动操作通风设备。

VOC传感器在任何室内空房间都很有帮助，包括公共交通、私家车、医院、办公室、商店等公共建筑。由于这些传感器足够小，可以与其他电子元件一起安装在印刷电路板上，因此可以与几乎任何连接元件集成，从而轻松连接到空气体管理系统。