VOC傳感器如何進行IAQ監測以及VOC傳感器工(gōng)作原理

一(yī)、VOC的定義VOC，即揮發性有機物(wù)(Volatile Organic Compounds)。美國環境署(EPA)對VOC的定義是：除了一(yī)氧化碳、二氧化碳、碳酸、金屬碳化物(wù)、碳酸鹽以及碳酸铵外(wài)，任何參與大(dà)氣中(zhōng)光化學反應的含碳化合物(wù)。百度百科對VOC的描述是：“在常溫下(xià)可以蒸發的形式存在于空氣中(zhōng)，它的毒性、刺激性、緻癌性和特殊的氣味性，會影響皮膚和黏膜，對人體(tǐ)産生(shēng)急性損害……是一(yī)類重要的空氣污染物(wù)。”

每個人平均每天吸入大(dà)約15kg的空氣，其中(zhōng)80%是室内空氣。戶外(wài)空氣品質一(yī)般是由政府機構進行監測，而室内空氣品質（IAQ）監測則是建築物(wù)營運業者或居住者的責任——前提是他們願意實際執行。現在，新一(yī)代小(xiǎo)型表面貼裝的低功率揮發性有機化合物(wù)（VOC）氣體(tǐ)傳感器已經上市，通過小(xiǎo)型、低成本的元件即可實現分(fēn)散式、本地IAQ監測功能，因此，用戶可以更容易地操作建築物(wù)中(zhōng)的空氣流動和空氣過濾設備。

二、VOC的危害

當VOC在居室空氣裏達到一(yī)定濃度，人們會開(kāi)始感到頭痛、惡 心、四肢乏力;假如繼續長時間逗留，會傷害肝、腎、大(dà)腦和神經系統，甚至可能引起抽搐、昏迷、導緻記憶力減退，帶來嚴重後果。 VOC危害如此嚴重，可它又(yòu)是從何而來呢？專家指出，牆壁、天花闆、地面等建材， 以及乳膠漆、牆紙(zhǐ)、絕熱材料、粘合劑等裝飾材料都是VOC的主要來源。 需要特别指出的是:裝修最常使用的乳膠漆的VOC，主要來自于原材料的VOC，包括甲醛、氨、乙二醇等，所以控制原材料的VOC含量至關重要！就内牆乳膠漆的VOC含量，國家《室内裝飾裝修材料有害物(wù)含量》規定不應超過200克/升；“環境标志(zhì)認證标準”也要求≤100克/升;發達國家的标準更苛刻，歐盟标準中(zhōng)啞光類乳膠漆的VOC含 量須≤75克/升。

本文介紹新型VOC傳感器的工(gōng)作原理，以及它與絕對單一(yī)氣體(tǐ)傳感器的不同之處。同時，ISweek工(gōng)采網小(xiǎo)編還介紹傳感器如何提供數據，使得空氣管理設備能夠更高效且有效地因應室内空氣品質的變化。

三、如何進行IAQ監測？

目前，商(shāng)業建築物(wù)的專業營運方一(yī)般利用一(yī)、兩類空氣品質數據來控制通風和空氣過濾系統的運作。最常見的是，他們使用單一(yī)氣體(tǐ)——通常是二氧化碳（CO2）進行絕對測量。他們也會參考居住者對空氣品質的主觀判斷。

因爲人類呼出CO2，所以有人在的房間裏，CO2濃度随時間的推移而增加是正常的，因此，在沒有足夠通風的情況下(xià)，房間中(zhōng)的人越多，CO2濃度就越高。

室内空氣中(zhōng)CO2濃度過高會讓人有“悶”的感覺，想打瞌睡、精神不集中(zhōng)，而且無法有效決策。因此，現在配備CO2傳感器的商(shāng)業建築物(wù)管理系統，就可以根據測得的CO2濃度調節、過濾和/或者通風設備的運作。目的在于保持室内空氣新鮮舒适，同時降低熱交換率，因爲人爲加熱或冷卻空氣的作法，既浪費(fèi)金錢又(yòu)耗費(fèi)了能源。

事實上，CO2濃度是代表某一(yī)空間中(zhōng)人員(yuán)密度的适當方式。而且由于人類會生(shēng)産VOC和CO2——在科學上稱之爲“生(shēng)物(wù)排放(fàng)”，現在的建築物(wù)營運方通常認爲配置了調節CO2濃度功能的空調設備也能充分(fēn)調節室内空氣中(zhōng)多種VOC的濃度。

實際的考慮因素支持了這種假設。CO2傳感器元件經過多年發展，封裝、價格和功耗特性已經非常具有吸引力，足以确保其能整合至主流建築物(wù)自動化設備的電(diàn)路闆中(zhōng)。

直到最近，可選的VOC濃度測量方法還相當有限。有一(yī)些測量和分(fēn)析懸浮于空氣中(zhōng)VOC的方法，包括光電(diàn)離(lí)、火(huǒ)焰電(diàn)離(lí)、比色管和波長吸收等是比較輕便的方法。而在實驗室中(zhōng)，傾向于結合使用氣相層析與質譜（稱爲GC-MS）的方法。

然而，這些方法并不适合用于緊湊、本地化、低功率的空氣品質傳感設備，因爲他們不是體(tǐ)積太大(dà)就是功耗太高。

這就是爲什麽推出新一(yī)代金屬氧化物(wù)VOC傳感器的原因，現在它可提供表面貼裝IC型封裝，功率隻有毫瓦級，對于IAQ監測領域來說非常令人期待。這些低成本、緊湊型的低功耗VOC傳感器件很容易整合于燈具、空調、風扇以及風扇遠端控制裝置等日常用品——甚至是手機中(zhōng)。分(fēn)散式的本地VOC傳感是切實可行的，而且也是發展趨勢之一(yī)。

通常會在室内發現的VOC類型及其來源(圖1)

因此，空調設備使用者應重新考慮他們是否還隻是依賴于CO2數據。事實上，VOC濃度不會随着CO2濃度的變化而上升和下(xià)降，主要有兩個原因：

首先，并不是所有的VOC都是由人産生(shēng)的；其次，人類産生(shēng)CO2的速率是持續的，而且在不活動時一(yī)般會相當穩定。然而，人類産生(shēng)VOC是波動，例如在飯後一(yī)段時間内會上升。

根據美國國家标準技術研究所（NIST）建築物(wù)和消防研究實驗室的報告指出：“許多污染源并非僅來自居住者，還包括建材的排放(fàng)物(wù)，以及從戶外(wài)進入建築物(wù)的污染物(wù)等。CO2濃度并不能提供與居住者無關的釋放(fàng)源所排放(fàng)的污染物(wù)濃度等數據。”

例如，在隻有一(yī)個人的房間中(zhōng)，二氧化碳傳感器記錄到室内空氣中(zhōng)的CO2濃度較低，但最近重新安裝了新家居和地毯，還用黏膠在房間的牆壁和地闆上黏貼了一(yī)些固定裝置。在這種情況下(xià)，房間中(zhōng)的空調設備通常被配置爲在此環境下(xià)提供最小(xiǎo)通風量，導緻唯一(yī)的居住者呼吸大(dà)量的懸浮VOC。

室内空氣中(zhōng)高濃度的VOC顯着影響到居住者的舒适感。CO2是無味的，但VOC氣味很重，而且（大(dà)部份VOC）令人不愉快。

然而，空氣中(zhōng)VOC的影響不僅僅是讓人感到不舒服。美國國家環境保護局（EPA）網站列出了短期和長期的健康影響，指出這些影響可能與室内空氣中(zhōng)的VOC有關。EPA指出的這些影響包括： 眼睛、鼻子和喉嚨有刺激感 ；頭痛、失去(qù)協調和惡心；損害肝、腎，以及中(zhōng)樞神經系統；一(yī)些有機物(wù)會導緻動物(wù)癌症；有些甚至被懷疑或已知(zhī)會導緻人類癌症。

因此，上面的這些實例促使OEM開(kāi)始在IAQ監測設備中(zhōng)使用表面貼裝VOC傳感器。

四、VOC氣體(tǐ)傳感器的工(gōng)作原理

芯片型VOC氣體(tǐ)傳感器的工(gōng)作原理(圖2)

VOC元件本身可檢測到多種VOC，并提供對應于VOC濃度變化的相對輸出。當配備了闆載處理器時，該傳感器還能夠計算多種VOC的等效相對值。由于這些元件的輸出是相對的，因此不需要校準。

另外(wài)，還有一(yī)類絕對輸出氣體(tǐ)傳感器：它們對于安全攸關的應用來說是理想的也是必要的選擇，在這些應用中(zhōng)，某些氣體(tǐ)濃度過高會對生(shēng)命或者健康構成直接威脅。這種絕對輸出元件通常： 相對比較昂貴；隻能檢測一(yī)種氣體(tǐ)；需要定期校準以提供準确的輸出數據。

在IAQ監測應用中(zhōng)這些因素顯然不受歡迎。VOC傳感器是對這種重要但有限絕對測量源的補充：這種傳感器能夠檢測到多種VOC，因此可以用于檢測由一(yī)種或者多種VOC化合物(wù)引起的室内空氣品質變化——而這會影響建築物(wù)内的人。

在IAQ監測中(zhōng)，例如ams CCS811（2.7mm x 4mm x 1.1mm，LGA封裝）或iAQ-CORE（接腳布局爲15mm x 18mm的整合傳感器模組）等寬頻(pín)譜傳感器，并非針對安全攸關應用的某種特殊氣體(tǐ)報告其絕對ppm值，而是提供環境中(zhōng)多種VOC濃度的相對變化值，包括但不限于圖1所列出的。

在IAQ監測應用中(zhōng)，VOC傳感器可以與絕對輸出CO2傳感器一(yī)起使用，随時爲CO2濃度提供确切的基準。VOC傳感器補強了絕對CO2的測量，采集有關VOC事件的其它數據，這些數據不一(yī)定與居住者（通常是CO2濃度升高的主要原因）直接相關，如圖3所示。

圖3：在多人使用會議室數小(xiǎo)時後，VOC傳感器和CO2傳感器同時運作時的測量值比較

圖3中(zhōng)，在VOC傳感器指示空氣品質下(xià)降期間，CO2傳感器完全沒有任何動靜，這可能是由于在會議休會期間使用清潔化學品，或者來自打印機和複印機等設備的排放(fàng)造成的。因應VOC傳感器的輸出（而非CO2傳感器的指示），通常會有更好的通風；因此，在此例中(zhōng)，出現VOC事件期間，将會爲居住者改善房間中(zhōng)的空氣品質。

五、空調系統測量數據的标定

諸如CCS811或iAQ-Core等VOC傳感器能夠有效地檢測空氣中(zhōng)VOC濃度随時間的變化。但是，如何使用這些數據來管理空氣過濾或空氣流動設備的運作？

今天，空氣管理系統的配置通常爲了因應所測量的CO2濃度絕對值。因此，iAQ-Core和CCS811包括執行所提供算法的處理器，計算相對eCO2（等效CO2）值以及相對TVOC（總揮發性有機化合物(wù)）值。如此，則可讓空氣品質管理系統設計人員(yuán)将來自傳感器的輸入轉換爲适當的指令，例如提高通風設備的風扇速度，或者把通風口開(kāi)寬一(yī)些——或在VOC濃度下(xià)降後，放(fàng)慢(màn)過濾和/或者空氣交換速度以降低能耗。

根據測試顯示，eCO2的計算相對值參考适當的基準值，且主要是由人類VOC排放(fàng)引起的，與絕對CO2傳感器測量的實際CO2濃度變化密切相關（參見圖4）。

圖4：在7天時間内，将來自ams MOX氣體(tǐ)傳感器計算标定的eCO2值與由絕對CO2傳感器測量的實際值進行比較

六、整合IAQ監測的新機遇

如今，芯片型VOC傳感器的尺寸、成本和功耗等優勢，使其成爲空調系統管理區域的分(fēn)散式傳感來源，将它們整合于空氣品質管制系統中(zhōng)隻是時間早晚的問題——最終将建立一(yī)個更健康、更愉快的工(gōng)作、生(shēng)活和娛樂環境。

還可以在以前不具有空氣品質感測功能的終端産品中(zhōng)整合小(xiǎo)型表面貼裝VOC傳感器，從而體(tǐ)現了這類傳感器的價值所在。例如，炊具罩中(zhōng)的寬頻(pín)譜VOC傳感器可以檢測原料和熟食氣味、煙霧、清潔劑等産生(shēng)的空氣中(zhōng)VOC濃度的變化，根據這些變化自動管理氣流。這樣，廚師就不用去(qù)手動操作換氣設備了。

VOC傳感器在任何室内空間都非常有幫助，包括公共交通工(gōng)具、私家車(chē)以及醫院、辦公室和商(shāng)店(diàn)等公共建築。由于這些傳感器非常小(xiǎo)，足以和其他電(diàn)子元件一(yī)起安裝在PCB上，因此幾乎可以與任何連接元件整合，從而輕松地連接至空氣管理系統