DE102016112495B4

DE102016112495B4 - Messgerät zur Messung und Bewertung der Güte von Umgebungsluft

Info

Publication number: DE102016112495B4
Application number: DE102016112495.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Linne
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2016-07-07
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2019-06-13
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: DE102016112495A1

Abstract

Messgerät (100, 200, 300) zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft, mit:einem Luftgütesensor (101), der ausgebildet ist, erste Messdaten über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds) zu erfassen;einem Temperatur- und Luftfeuchtesensor (102), der ausgebildet ist, zweite Messdaten über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft zu erfassen; undeiner Steuerschaltung (103) zum Empfangen der von dem Luftgütesensor (101) erfassten ersten Messdaten über eine erste interne Schnittstelle (111) und zum Empfangen der von dem Temperatur- und Luftfeuchtesensor (102) erfassten zweiten Messdaten über eine zweite interne Schnittstelle (112),wobei die Steuerschaltung (103) ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein externes Datenprotokoll anzupassen und über eine externe Schnittstelle (113) zu einem Automatisierungssystem (106) zu übertragen, wobei die Steuerschaltung (103) folgendes umfasst:einen Mikrocontroller (104), der ausgebildet ist, die ersten Messdaten und die zweiten Messdaten zu empfangen; undeine Anpassungsschaltung (105), die ausgebildet ist, die empfangenen ersten und zweiten Messdaten an das externe Datenprotokoll anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Messung und Bewertung der Güte von Umgebungsluft und ein entsprechendes Verfahren.
Flüchtige organische Verbindungen (Abkürzung VOC bzw. VOCs nach „volatile organic compound(s)“ ist die Sammelbezeichnung für organische, also kohlenstoffhaltige Stoffe, die leicht verdampfen, d.h. flüchtig sind, bzw. schon bei niedrigen Temperaturen, z.B. Raumtemperatur als Gas vorliegen.
Durch die Belastung mit flüchtigen organischen Verbindungen in der Innenraumluft können Menschen dauerhaft erkranken. Am häufigsten davon betroffen sind Kinder, ältere und sensible Menschen. Die Symptome wie Kopfschmerzen, Allergien, Müdigkeit, Leistungsminderung, Schlafstörungen und Reizungen der Atemwege werden unter dem Begriff „Sick-Building-Syndrom“ zusammengefasst. Das Krankheitsbild ist international verbindlich durch die WHO definiert.
Aus Erfahrung ist die Luftqualität auch im eigenen Büro starken Schwankungen unterworfen. Dies ist von vielen Faktoren, wie z.B. der Anzahl an Personen pro Fläche, der Funktionsweise der Lüftungsanlage oder wie viele Geräte betrieben werden, abhängig. Die Bewertung der Luftgüte ist sowohl in privaten als auch öffentlichen Gebäuden und in industrieller Umgebung interessant. Durch ein optimiertes Lüftungskonzept lässt sich die Gesundheit der Mitarbeiter schützen und verbessern.
Die Druckschrift US 2016 / 0 048 142 A1 beschreibt ein intelligentes Steuerungssystem zur Steuerung einer Klimaanlage.
Der Artikel von Texas Instruments: TI Designs - Turnkey IO-Link Sensor Transmitter, Firmenschrift TIDU259A - April 2014 - Revised August 2014. Dallas, TX: Texas Instruments Inc., 2014, offenbart Informationen zur IO-Link Technologie.
Der Auszug aus dem Fachbuch von HERING, Ekbert; MARTIN, Rolf; GUTEKUNST, Jürgen; KEMPKES, Joachim: Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer, 2. Auflage, ISBN 978-3-642-12880-6, Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag 2012, Kapitel H: Feldbusse, S.471-514, offenbart Feldbustechnologien und Informationen zur IO-Link-Technologie.
7 zeigt die Änderung des CO2-Gehalts 711 und des TVOC („total volatile organic compounds“)-Gehalts 710 eines Besprechungsraumes vor und nach dem Lüften 702 bzw. während des Rauchens 703. Mit dem TVOC-Sensor 710 können weitere VOC-Ereignisse 701 erfasst werden, die der CO2 Sensor 711 nicht erfassen kann. Auch der Zigarettenrauch 703 wird erst durch den TVOC Sensor 710 erfasst. Nach dem Öffnen des Fensters 702 klingt der VOC-Gehalt spürbar ab.
Die Messungen in 7 wurden mit einem externen Messgerät durchgeführt, das über einen 4..20mA bzw. 0..10V Standardausgang verfügt und nicht zur Anbindung an ein Automatisierungssystem geeignet ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zur Anbindung der Luftgütemessung an ein Automatisierungssystem, insbesondere ein Feldbussystem, zu schaffen, mit dem eine automatisierte Messung und Bewertung der Luftqualität durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Messgerät zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft, mit: einem Luftgütesensor, der ausgebildet ist, erste Messdaten über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds) zu erfassen; einem Temperatur- und Luftfeuchtesensor, der ausgebildet ist, zweite Messdaten über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft zu erfassen; und einer Steuerschaltung zum Empfangen der von dem Luftgütesensor erfassten ersten Messdaten über eine erste interne Schnittstelle und zum Empfangen der von dem Temperatur- und Luftfeuchtesensor erfassten zweiten Messdaten über eine zweite interne Schnittstelle, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein externes Datenprotokoll anzupassen und über eine externe Schnittstelle zu einem Automatisierungssystem zu übertragen. Die Steuerschaltung umfasst einen Mikrocontroller, der ausgebildet ist, die ersten Messdaten und die zweiten Messdaten zu empfangen; und eine Anpassungsschaltung, die ausgebildet ist, die empfangenen ersten und zweiten Messdaten an das externe Datenprotokoll anzupassen.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass das Messgerät einfach in ein Automatisierungssystem integriert werden kann, da die ersten und zweiten Messdaten an das externe Datenprotokoll angepasst sind und das Messgerät über eine entsprechende externe Schnittstelle zur Übertragung der angepassten Messdaten an das Automatisierungssystem verfügt. Durch die Messung von vier verschiedenen Messgrößen, d.h. CO2-Gehalt der Luft, TVOC-Gehalt der Luft sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft lassen sich sehr präzise Aussagen machen über den Zustand der Umgebungsluft.
Des Weiteren wird der technische Vorteil erreicht, dass die Funktionalität der Steuerschaltung auf zwei getrennten physikalischen Einheiten implementiert werden kann, beispielsweise zwei Chips. Der Mikrocontroller kann die Steuerung der beiden Sensoren übernehmen und die Messdaten empfangen, während die Anpassungsschaltung die Protokollanpassung zu dem Automatisierungssystem übernehmen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts umfasst die Anpassungsschaltung einen Feldbus Protokoll-Chip, der ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein Feldbus Datenprotokoll anzupassen und über eine Feldbus-Schnittstelle an das Automatisierungssystem zu übertragen.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass das Messgerät in ein Feldbussystem integriert werden kann, um so eine automatisierte Messung und Bewertung der Luftgüte durchzuführen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts umfasst die Anpassungsschaltung einen IO-Link Protokoll-Chip, der ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein IO-Link Datenprotokoll anzupassen und über eine IO-Link Schnittstelle an ein externes IO-Link Master Modul zu übertragen.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass das Messgerät in einem IO-Link System eingesetzt werden kann. Damit ist es möglich, das Messgerät nicht im Schaltschrank mit direktem Zugang zum Feldbus zu betreiben, sondern an geeigneter Stelle im Raum, um so eine optimale Messung der Umgebungsluft durchführen zu können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist die Anpassungsschaltung über eine SPI und/oder UART Schnittstelle an den Mikrocontroller angebunden.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Anpassungsschaltung in standardisierter Weise an den Mikrocontroller angebunden werden kann, was den Entwicklungsaufwand reduziert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts umfasst die erste interne Schnittstelle eine I²C oder SPI Schnittstelle, und die zweite interne Schnittstelle umfasst eine weitere I²C oder SPI Schnittstelle.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die beiden Sensoren in standardisierter Weise an den Mikrocontroller angebunden werden können, was den Entwicklungsaufwand reduziert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Luftgütesensor ausgebildet, die ersten Messdaten als relative Werte zu erfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Luftgütesensor ausgebildet, eine Änderung des CO2-Gehalts der Umgebungsluft zu einem CO2-Initialwert und eine Änderung des TVOC-Gehalts der Umgebungsluft zu einem TVOC-Initialwert zu erfassen.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Initialwerte der aktuellen Luftgüte beim Einschalten entsprechen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Luftgütesensor ausgebildet, eine Erhöhung des CO2-Gehalts der Umgebungsluft in Bezug auf den CO2-Initialwert und eine Erhöhung des TVOC-Gehalts der Umgebungsluft in Bezug auf den TVOC-Initialwert zu erfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Luftgütesensor ausgebildet, den CO2-Initialwert und den TVOC-Initialwert nach einem Einschaltvorgang des Luftgütesensors auf einen aktuellen CO2-Gehalt und TVOC-Gehalt der Umgebungsluft beim Einschalten zu kalibrieren.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass der Luftgütesensor nach jedem Einschaltvorgang auf den aktuellen CO2-Gehalt und TVOC-Gehalt der Umgebungsluft kalibriert ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Mikrocontroller ausgebildet, den Luftgütesensor im Betrieb zurückzusetzen, um eine Kalibrierung des Luftgütesensors zu veranlassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Mikrocontroller ausgebildet, den Luftgütesensor zurückzusetzen, wenn die erfassten ersten Messdaten über den CO2-Gehalt der Umgebungsluft über einen vorgegebenen Zeitraum mit dem CO2-Initialwert übereinstimmen und/oder wenn die erfassten ersten Messdaten über den TVOC-Gehalt der Umgebungsluft über den vorgegebenen Zeitraum mit dem TVOC-Initialwert übereinstimmen.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass damit eine Verbesserung der Luftqualität erfasst werden kann, um so den Luftgütesensor neu zu kalibrieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts ist der Mikrocontroller ausgebildet, die erfassten ersten Messdaten mehrmals innerhalb des vorgegebenen Zeitraums mit dem CO2-Initialwert und/oder dem TVOC-Initialwert zu vergleichen und erst bei mehrmaliger Übereinstimmung den Luftgütesensor zurückzusetzen.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Verbesserung der Luftqualität zuverlässig erfasst werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts umfasst der Mikrocontroller einen Speicher, der ausgebildet ist, den CO2-Initialwert und den TVOC-Initialwert zu speichern.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Initialwerte intern im Mikrokontroller vorliegen, was die Latenzzeit beim Zugriff auf die Initialwerte durch den Mikrocontroller verringert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts sind der Luftgütesensor und der Temperatur- und Luftfeuchtesensor in einer Sensoreinheit integriert.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass die Sensoreinheit kompakt aufgebaut sein kann und durch die höhere Integration Kosten gespart werden können.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft, mit folgenden Schritten: Erfassen von ersten Messdaten über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds) durch einen Luftgütesensor; Erfassen von zweiten Messdaten über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft durch einen Temperatur- und Luftfeuchtesensor; Empfangen der erfassten ersten und zweiten Messdaten durch einen Mikrocontroller einer Steuerschaltung; Anpassen der empfangenen ersten und zweiten Messdaten an ein externes Datenprotokoll durch eine Anpassungsschaltung der Steuerschaltung; und Übertragen der angepassten ersten und zweiten Messdaten über eine externe Schnittstelle zu einem Automatisierungssystem.
Dadurch wird der technische Vorteil erreicht, dass das Verfahren einfach in einem Automatisierungssystem eingesetzt werden kann. Durch die Messung von vier verschiedenen Messgrößen, d.h. CO2-Gehalt der Luft, TVOC-Gehalt der Luft sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft lassen sich sehr präzise Aussagen machen über den Zustand der Umgebungsluft.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm mit einem Programmcode zum Ausführen eines derartigen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Messgerätes 100 zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft,
2 eine schematische Darstellung eines Messgerätes 200 mit Feldbus-Protokoll-Chip zur Anbindung an ein Feldbussystem,
3 eine schematische Darstellung eines Messgerätes 300 mit IO-Link Protokoll-Chip zur Anbindung an ein IO-Link-System,
4 eine Messkurve des CO2-Gehalts über der Zeit mit Darstellung der Kalibrierungsphasen des Lüftgütesensors in einem erfindungsgemäßen Messgerät,
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zur Kalibrierung des Lüftgütesensors in einem erfindungsgemäßen Messgerät,
6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens 600 zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft, und
7 ein Diagramm 700, das den zeitlichen Verlauf des CO2-Gehalts 711 und des TVOC-Gehalts 710 in einem Besprechungsraum darstellt.

Im Folgenden werden Feldbussysteme bzw. Messgeräte mit Feldbusschnittstelle beschrieben. Ein Feldbus ist ein Bussystem, das in einer Anlage Feldgeräte wie Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zwecks Kommunikation mit einem Automatisierungsgerät verbindet. Der Feldbus ersetzt die parallelen Leitungsbündel zwischen einzelnen Geräten durch ein einziges Buskabel und verbindet alle Ebenen, von der Feld- bis zur Leitebene. Unabhängig von der Art des Automatisierungsgeräts, z.B. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) unterschiedlicher Hersteller oder PCbasierte Steuerungen, vernetzt das Übertragungsmedium des Feldbusses die Komponenten im Feld. Anstelle mehrerer I/O-Karten wird eine Bus-Interface-Karte eingesetzt. Hierdurch wird der Platzbedarf im Schaltschrank verringert.
Im Folgenden werden IO-Link Systeme bzw. Messgeräte mit IO-Link Schnittstelle beschrieben. Ein IO-Link System besteht aus IO-Link Geräten, meist Sensoren, Aktoren oder Kombinationen hieraus sowie einem Standard 3-Leiter Sensor- / Aktorkabel und einem IO-Link Master. Dabei kann der Master als Gerät beliebiger Bauweise und Schutzart ausgeführt werden. Ein IO-Link Master kann über einen oder mehrere Ports verfügen. An jeden Port kann immer nur ein IO-Link Gerät angeschlossen werden. Somit ist IO-Link eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation und kein Feldbus.
Im Folgenden werden Messgeräte mit SPI, UART und/oder I²C Schnittstelle beschrieben. Das Serial Peripheral Interface (kurz SPI) ist ein Bus-System für einen synchronen seriellen Datenbus, mit dem digitale Schaltungen nach dem Master-Slave-Prinzip miteinander verbunden werden können. Eine UART-Schnittstelle dient zum Senden und Empfangen von Daten über eine Datenleitung und bildet den Standard der seriellen Schnittstellen an PCs, Mikrocontrollern sowie im industriellen Bereich. Die Daten werden als serieller digitaler Datenstrom mit einem fixen Rahmen übertragen, der aus einem Start-Bit, fünf bis maximal neun Datenbits, einem optionalen Parity-Bit zur Erkennung von Übertragungsfehlern und einem Stopp-Bit besteht. I²C ist ein serieller Datenbus, der als Master-Slave-Bus konzipiert ist. Ein Datentransfer wird immer durch einen Master initiiert; der über eine Adresse angesprochene Slave reagiert darauf. Die Zugriffsregelung auf den Bus ist per Spezifikation geregelt.
Im Folgenden werden Messgeräte mit Luftgütesensoren beschrieben. Derartige Luftgütesensoren können beispielsweise als iAQ (Indoor Air Quality bzw. Innenraum Luftqualität) Core (Kern) Module ausgeführt sein. Das iAQ Core Modul ist eine preiswerte, ultrakompakte Lösung zum Detektieren schlechter Luftqualität. Das iAQ Core Modul nutzt Mikromaschinen MOS (Metall-Oxid-Halbleiter) Technologie zum Detektieren eines breiten Bereichs von VOCs und korreliert diese direkt mit dem CO2- und TVOC-Gehalt der Raumluft. Es bietet eine hohe Empfindlichkeit und schnelle Reaktionsfähigkeit, eine geringe Größe zur leichten Installation, Langzeitstabilität sowie geringen Leistungsverbrauch.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messgerätes 100 zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft. Das Messgerät umfasst einen Luftgütesensor 101, einen Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 und eine Steuerschaltung 103.
Der Luftgütesensor 101 erfasst bzw. misst erste Messdaten über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds).
Der Luftgütesensor 101 kann den CO2- und TVOC-Gehalt in der Raumluft erfassen, der z.B. durch Rauch, Kochdünste, tierische oder menschliche Ausdünstungen oder Ausdünstungen aus Möbeln und Fußbodenbelägen beeinflusst wird. Anhand dieser beiden Werte, d.h. CO2 und TVOC, lässt sich die Qualität der Raumluft bewerten. Es lässt sich beurteilen, ob und wie lange sich Personen im Raum aufhalten sollten und wann z.B. gelüftet oder der Raum verlassen werden sollte.
Der Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 erfasst bzw. misst zweite Messdaten über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft. Die Steuerschaltung 103 empfängt die von dem Luftgütesensor 101 erfassten ersten Messdaten über eine erste interne Schnittstelle 111 und empfängt die von dem Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 erfassten zweiten Messdaten über eine zweite interne Schnittstelle 112. Die Steuerschaltung 103 passt die ersten und zweiten Messdaten an ein externes Datenprotokoll an und überträgt diese über eine externe Schnittstelle 113 zu einem Automatisierungssystem 106.
Die Steuerschaltung 103 umfasst einen Mikrocontroller 104 und eine Anpassungsschaltung 105. Der Mikrocontroller 104 empfängt die ersten Messdaten und die zweiten Messdaten. Die Anpassungsschaltung 105 passt die empfangenen ersten und zweiten Messdaten an das externe Datenprotokoll an.
Die Anpassungsschaltung 105 kann einen Feldbus Protokoll-Chip 205 umfassen, wie beispielsweise in 2 beschrieben, der dazu dient, die ersten und zweiten Messdaten an ein Feldbus Datenprotokoll anzupassen und über eine Feldbus-Schnittstelle 213 an das Automatisierungssystem zu übertragen.
Alternativ kann die Anpassungsschaltung 105 einen IO-Link Protokoll-Chip 305 umfassen, wie beispielsweise in 3 beschrieben, der dazu dient, die ersten und zweiten Messdaten an ein IO-Link Datenprotokoll anzupassen und über eine IO-Link Schnittstelle 313 an ein externes IO-Link Master Modul 307 zu übertragen.
Die Anpassungsschaltung 105 kann über eine SPI und/oder UART Schnittstelle 202, wie beispielsweise in 2 beschrieben, an den Mikrocontroller 104 angebunden sein. Die erste interne Schnittstelle 111 kann eine I²C oder eine SPI Schnittstelle umfassen. Die zweite interne Schnittstelle 112 kann ebenfalls eine I²C oder SPI Schnittstelle umfassen.
Der Luftgütesensor 101 kann die ersten Messdaten als relative Werte erfassen. Er kann beispielsweise eine Änderung des CO2-Gehalts der Umgebungsluft zu einem CO2-Initialwert und eine Änderung des TVOC-Gehalts der Umgebungsluft zu einem TVOC-Initialwert erfassen. Insbesondere kann der Luftgütesensor 101 eine Erhöhung des CO2-Gehalts der Umgebungsluft in Bezug auf den CO2-Initialwert und eine Erhöhung des TVOC-Gehalts der Umgebungsluft in Bezug auf den TVOC-Initialwert erfassen.
Der Luftgütesensor 101 kann den CO2-Initialwert und den TVOC-Initialwert nach einem Einschaltvorgang des Luftgütesensors 101 auf einen aktuellen CO2-Gehalt und TVOC-Gehalt der Umgebungsluft beim Einschalten kalibrieren, wie beispielsweise unten zu 4 näher beschrieben. Der Mikrocontroller 104 kann den Luftgütesensor 101 im Betrieb zurückzusetzen, um eine Kalibrierung des Luftgütesensors 101 zu veranlassen, wie beispielsweise unten zu 4 näher beschrieben.
Der Mikrocontroller 104 kann den Luftgütesensor 101 zurücksetzen, wenn die erfassten ersten Messdaten über den CO2-Gehalt der Umgebungsluft über einen vorgegebenen Zeitraum mit dem CO2-Initialwert übereinstimmen und/oder wenn die erfassten ersten Messdaten über den TVOC-Gehalt der Umgebungsluft über den vorgegebenen Zeitraum mit dem TVOC-Initialwert übereinstimmen. Der Mikrocontroller 104 kann die erfassten ersten Messdaten mehrmals innerhalb des vorgegebenen Zeitraums mit dem CO2-Initialwert und/oder dem TVOC-Initialwert vergleichen und erst bei mehrmaliger Übereinstimmung den Luftgütesensor 101 zurücksetzen, wie beispielsweise unten zu 5 näher beschrieben.
In einer Ausführungsform des Messgerätes 100 sind der Luftgütesensor 101 und der Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 in einer Sensoreinheit integriert. Beispielsweise kann der Luftgütesensor 101 den Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 beinhalten. Damit kann die Messung der vier Werte CO2, TVOC, Temperatur und Luftfeuchte mit einem statt mit zwei Sensoren erfasst werden. Die Schaltungsauslegung des Messgerätes 100 kann somit flexibel erfolgen, d.h. je nach Anforderung mit zwei verschiedenen Sensoreinheiten oder mit einer einzigen Sensoreinheit.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messgerätes 200 mit FeldbusProtokoll-Chip zur Anbindung an ein Feldbussystem. Das Messgerät 200 kann beispielsweise ein Automatisierungsgerät mit Feldbusschnittstelle 213 sein.
Das Messgerät 200 ist eine Ausführungsform des Messgeräts 100 aus 1, bei der die Anpassungsschaltung 105 als Feldbus Protokoll-Chip 205 realisiert ist. Der Feldbus Protokoll-Chip 205 passt die vom Mikrocontroller 104 erfassten ersten und zweiten Messdaten an ein Feldbusprotokoll an, so dass diese über einen Feldbus 213 übertragen werden können. Der Feldbus 213 kann beispielsweise als Interbus oder Profinet oder IO-Link realisiert sein. Es versteht sich, dass weitere Feldbusprotokolle realisiert werden können. Der Feldbus 213 dient als Busschnittstelle eines externen Automatisierungssystems, das in 2 nicht weiter dargestellt ist.
Mikrocontroller 104 und Feldbus Protokoll-Chip 205 sind über eine (dritte) interne Schnittstelle 202, beispielsweise eine UART oder SPI Schnittstelle miteinander verbunden. Die erste interne Schnittstelle 111 zwischen Mikrocontroller 104 und Luftgütesensor 101 ist als eine I2C Schnittstelle oder als eine SPI Schnittstelle realisiert. Ebenso ist die zweite interne Schnittstelle 112 zwischen Mikrocontroller 104 und Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 ist als eine I2C Schnittstelle oder als eine SPI Schnittstelle realisiert.
Das Messgerät 200 kann als ein Feldbusgerät mit integrierten Sensoren 101, 102 implementiert sein, welche neben Temperatur und Luftfeuchtigkeit auch den CO2- und TVOC-Gehalt in der Raumluft ermitteln. Durch die ermittelten Werte von Temperatur, Luftfeuchte, CO2 und TVOC lässt sich die Luftqualität in Wohnräumen, Büros und Industriehallen sehr gut bewerten.
In einer Implementierung misst der Luftgütesensor keine absoluten sondern relative Werte. Dies bedeutet, dass lediglich eine Änderung des CO2- und TVOC-Wertes zu einem Initialwert, z.B. nach dem Lüften des Raumes gemessen wird. Die Messwerte können dem Anwender für CO2 in ppm und für TVOC in ppb ausgegeben werden. Anhand von Wertetabellen der Gesundheitsbehörden kann der Anwender dann die Raumluft bewerten und anhand von Empfehlungen, wie lange sich Personen bei bestimmten TVOC-Konzentrationen im Raum aufhalten sollten, kann der Anwender Orientierung erhalten. Die Auswertung der Messergebnisse kann entweder offline bzw. extern erfolgen, beispielsweise durch ein Bewertungssystem im Automatisierungssystem oder online bzw. intern durch eine Auswerteroutine in der Steuerschaltung, beispielsweise im Mikroprozessor. Im ersteren Fall können die rohen Messdaten (mit Anpassung an das externe Datenprotokoll) an das Feldbussystem übertragen werden. Im zweiten Fall können bereits ausgewertete Daten (ebenfalls mit Anpassung an das externe Datenprotokoll) an das Feldbussystem übertragen werden.
Mit dem Messgerät 200 kann eine Luftgütebewertung nach dem oben beschriebenen Messverfahren durch Messung von Temperatur, Luftfeuchte und des CO2- und TVOC-Gehaltes durchgeführt werden. Das Messgerät 200 kann an den Feldbus 213 angebunden sein und die Messwerte und/oder deren Auswertung über den Feldbus 213 an eine (nicht dargestellte) Steuerung oder Anzeigeeinheit übertagen.
Durch die Feldbusanbindung lässt sich das Messgerät 200 in ein Automatisierungssystem, beispielsweise für die Gebäudeautomation, integrieren.
Wie bereits oben zu 1 beschrieben, können in einer Ausführungsform des Messgerätes 200 der Luftgütesensor 101 und der Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 in einer Sensoreinheit integriert sein.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Messgerätes 300 mit IO-Link Protokoll-Chip zur Anbindung an ein IO-Link-System.
Das Messgerät 300 ist eine Ausführungsform des Messgeräts 100 aus 1, bei der die Anpassungsschaltung 105 als IO-Link Protokoll-Chip 305 realisiert ist. Der IO-Link Protokoll-Chip 305 passt die vom Mikrocontroller 104 erfassten ersten und zweiten Messdaten an ein IO-Link Datenprotokoll an, so dass diese über eine externe IO-Link Schnittstelle 313 zu einem IO-Link Master Modul 307 übertragen werden können. Das IO-Link Master Modul 307 sorgt für die Anpassung an einen Feldbus 213, der beispielsweise als Interbus oder Profinet oder IO-Link realisiert sein kann. Es versteht sich, dass weitere Feldbusprotokolle realisiert werden können.
Mikrocontroller 104 und IO-Link Protokoll-Chip 305 sind über eine (dritte) interne Schnittstelle 202, beispielsweise eine UART oder SPI Schnittstelle miteinander verbunden. Die erste interne Schnittstelle 111 zwischen Mikrocontroller 104 und Luftgütesensor 101 ist als eine I²C Schnittstelle oder als eine SPI Schnittstelle realisiert. Ebenso ist die zweite interne Schnittstelle 112 zwischen Mikrocontroller 104 und Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 ist als eine I²C Schnittstelle oder als eine SPI Schnittstelle realisiert.
Die Messfunktion des Messgeräts 300 macht eine Platzierung des Gerätes 300 im Raum erforderlich, um die Umgebungsluft in geeigneter Weise messen zu können. Mit einer IO-Link-Schnittstelle 313 ist dies problemlos zu realisieren, während ein Messgerät 200 mit Feldbus-Schnittstelle sinnvoller Weise im Schaltschrank verbaut werden müsste. Per Definition ist die IO-Link-Schnittstelle ein „Kommunikationssystem zur Anbindung an ein Automatisierungssystem“. Das Gerät 300 wird über die IO-Link-Schnittstelle 313 an den IO-Link Master 307 angeschlossen und lässt sich so in den Feldbus 213 bzw. das Automatisierungssystem integrieren.
Die Messung der CO2- und TVOC-Werte kann beispielsweise mit einem iAQ-Core Sensor erfolgen, die der Temperatur und Luftfeuchte mit einem geeigneten anderen Sensor. Die Verarbeitung der Messwerte kann im Mikrocontroller 104 erfolgen.
Wie bereits oben zu 1 beschrieben, können in einer Ausführungsform des Messgerätes 300 der Luftgütesensor 101 und der Temperatur- und Luftfeuchtesensor 102 in einer Sensoreinheit integriert sein.
Die 4 zeigt eine Messkurve des CO2-Gehalts über der Zeit mit Darstellung der Kalibrierungsphasen des Luftgütesensors in einem erfindungsgemäßen Messgerät.
Der Luftgüte-Sensor 101 kann in einer Ausführungsform nur relative und keine absoluten Werte erfassen. Der Sensor 101 liefert nach dem Power-Up 410 (Einschalten dessen Spannungsversorgung) nach ca. 5 Minuten den ersten gültigen Wert für CO2 und TVOC. Die Initialwerte 450 für CO2 und 125 für TVOC entsprechen der aktuellen Luftgüte beim Einschalten. Die gemessenen Werte werden in ppm für CO2 und ppb für TVOC ausgegeben.
Verschlechtert sich die Luftgüte, steigen die Werte für CO2 und TVOC. Verbessert sich die Luftgüte hingegen, fallen die Werte bis auf die Initialwerte als Minimum. Es kann somit nur eine Verschlechterung der Luftgüte ab dem Zeitpunkt des Einschaltens 410 ermittelt werden.
Um eine Verbesserung der Luftgüte auch nach dem Einschalten 410 des Gerätes zu erfassen und in die Bewertung einfließen zu lassen, ist es erforderlich den Sensor im Betrieb zurückzusetzen 411, 412 um diesen neu zu kalibrieren 402, 404 und somit an die verbesserte Luftgüte anzupassen. In 4 ist der Zustand 401 nach dem Einschalten 410 dargestellt, sowie ein erstes Rücksetzen 411 des Luftgütesensors mit nachfolgender Kalibrierungsphase 402 und Haltephase 403 und ein zweites Rücksetzen 412 des Luftgütesensors mit nachfolgender Kalibrierungsphase 404 und Haltephase 405.
Ist der Betrag der Messwerte für CO2 und TVOC gleich den Initialwerten und ändern sich diese über einen bestimmten Zeitraum nicht, ist von einer Verbesserung der Luftqualität auszugehen. Wie in der Grafik in 4 dargestellt wird der Sensor zurückgesetzt 411 und die neuen Werte erfasst. Ist der Betrag der Messwerte erneut gleich den Initialwerten und ändern sich diese über einen bestimmten Zeitraum nicht, ist weiterhin von einer Verbesserung der Luftqualität auszugehen. Dieser Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis der Sensor wieder Messwerte abweichend der Initialwerte liefert. Mit diesem Prinzip kann das Gerät an die beste Luftgüte, die über einen längeren Zeitraum während des Betriebs auftritt, angepasst werden und trägt zu einer optimierten Bewertung der Raumluft bei.
Die 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zur Kalibrierung des Luftgütesensors in einem erfindungsgemäßen Messgerät.
Das Verfahren 500 kann beispielsweise in dem Mikroprozessor 104 der Messgeräte 100, 200, 300 implementiert werden. Der Mikroprozessor 104 dient damit der Kalibrierung des Luftgütesensors 101.
Nach dem Start 501 wird in einem zweiten Block 502 der Zustand des IAQ Sensors, d.h. des Luftgütesensors 101 bestimmt. In einem dritten Block 503 wird geprüft, ob der Zustand OK (0x00) oder (0x01) ist und der Sensor nicht in der Aufwärmphase (0x10) ist. Falls nein, wird ein vierter Block 504 ausgeführt; falls ja, wird ein fünfter Block 505 ausgeführt. In dem vierten Block 504 wird das Zustandwort auf „Kalibrierung“, TVOC auf 125 und CO2 auf 450 gesetzt. Diese Werte sollen während der Kalibrierung stehen bleiben und ein Plateau bilden.
Nach dem vierten Block 504 wird zu dem zweiten Block 502 zurückgesprungen. In dem fünften Block 505 wird geprüft, ob eine Sekunde vorbei ist (es versteht sich, dass hier auch andere Werte gewählt werden können). Falls nein, wird zurückgesprungen zum zweiten Block 502; falls ja, dann wird ein sechster Block 506 ausgeführt. Dort wird eine Messung ausgeführt und die Werte für TVOC und CO2 in einem Feld im Speicher gespeichert.
In einem anschließenden siebten Block 507 wird geprüft ob 60 Messungen durchgeführt wurden. Falls nein wird zurückgesprungen zum fünften Block 505, falls ja wird ein folgender achter Block 508 ausgeführt. Mit der Schleife, welche durch die Blöcke 505, 506, 507 gebildet wird, werden 60 Messungen ausgeführt, wobei jede Messung eine Sekunde dauert. Es versteht sich, dass hier auch andere Werte für die Anzahl und die Dauer der Messungen gewählt werden können.
Im achten Block 508 wird das Feld der Messungen mit typischen Werten verglichen. In einem anschließenden neunten Block 509 wird geprüft, ob TVOC[Mess], d.h. das Feld von TVOC Messwerten gleich 125 ist und ob CO2[Mess], d.h. das Feld von CO2 Messwerten gleich 450 ist. Damit werden die Werte im Speicher mit typischen Werten des Sensors verglichen (z.B. 125 und 450 gemäß Datenblatt). Falls nein, wird zu dem zweiten Block 502 zurückgesprungen. Falls ja wird in einem zehnten Block 510 die Reset_Bedingung hochgezählt.
Über einen elften Block 511 wird schließlich ein zwölfter Block 512 erreicht, in dem geprüft wird, ob 60 Werte (Reset_Bedingung) gleich sind. Falls nein, wird zu dem zweiten Block 502 zurückgesprungen. Falls ja, wird ein Reset des IAQ-Sensors, d.h. des Luftgütesensors 101 durchgeführt. Ein Reset wird nur dann durchgeführt, wenn alle 60 Werte gleich sind. Nach dem Reset ist das Verfahren beendet 514 oder es kann alternativ zu dem zweiten Block 502 zurückgesprungen werden, um eine weitere Kalibrierung durchzuführen.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 600 zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft.
Das Verfahren 600 umfasst einen ersten Schritt 601: Erfassen von ersten Messdaten über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds) durch einen Luftgütesensor.
Das Verfahren 600 umfasst einen ersten Schritt 602: Erfassen von zweiten Messdaten über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft durch einen Temperatur- und Luftfeuchtesensor.
Das Verfahren 600 umfasst einen dritten Schritt 603: Empfangen der erfassten ersten und zweiten Messdaten 603 durch eine Steuerschaltung.
Das Verfahren 600 umfasst einen vierten Schritt 604: Anpassen der empfangenen ersten und zweiten Messdaten 604 an ein externes Datenprotokoll durch die Steuerschaltung.
Das Verfahren 600 umfasst einen fünften Schritt 605: Übertragen der angepassten ersten und zweiten Messdaten über eine externe Schnittstelle zu einem Automatisierungssystem.
Das Verfahren kann beispielsweise auf einem Messgerät 100, 200, 300, wie oben zu den 1 bis 3 beschrieben, realisiert werden.
Bezugszeichenliste

100: Messgerät zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft gemäß einer ersten Ausführungsform
101: Luftgütesensor
102: Temperatur- und Luftfeuchtesensor
103: Steuerschaltung
104: Mikrocontroller
105: Anpassungsschaltung
106: Automatisierungssystem
111: erste interne Schnittstelle
112: zweite interne Schnittstelle
113: externe Schnittstelle
200: Messgerät zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft gemäß einer zweiten Ausführungsform
202: Schnittstelle zwischen Mikroprozessor und Anpassungsschaltung
205: Feldbus Protokoll-Chip
213: Feldbus, Feldbussystem
300: Messgerät zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft gemäß einer dritten Ausführungsform
305: IO-Link Protokoll-Chip
307: IO-Link Master Modul
313: IO-Link Schnittstelle
400: Messkurve des CO2-Gehalts über der Zeit
401: erste Phase
402: zweite Phase
403: dritte Phase
404: vierte Phase
405: fünfte Phase
411: erster Reset
412: zweiter Reset
500: Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kalibrierung des Lüftgütesensors
501- 514: Schritte des Verfahrens
600: Verfahren zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft
601: erste Schritt: Erfassen von ersten Messdaten
602: zweiter Schritt: Erfassen von zweiten Messdaten
603: dritter Schritt: Empfangen der ersten und zweiten Messdaten
604: vierter Schritt: Anpassen der erfassten Messdaten
605: fünfter Schritt: Übertragen der angepassten Messdaten
700: Diagramm des zeitlichen Verlaufs des CO2- und VOC-Gehalts
701: VOC Ereignisse
702: Fenster geöffnet
703: Zigarettenrauch
711: CO2-Gehalt
712: VOC-Gehalt

Claims

Messgerät (100, 200, 300) zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft, mit: einem Luftgütesensor (101), der ausgebildet ist, erste Messdaten über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds) zu erfassen; einem Temperatur- und Luftfeuchtesensor (102), der ausgebildet ist, zweite Messdaten über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft zu erfassen; und einer Steuerschaltung (103) zum Empfangen der von dem Luftgütesensor (101) erfassten ersten Messdaten über eine erste interne Schnittstelle (111) und zum Empfangen der von dem Temperatur- und Luftfeuchtesensor (102) erfassten zweiten Messdaten über eine zweite interne Schnittstelle (112), wobei die Steuerschaltung (103) ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein externes Datenprotokoll anzupassen und über eine externe Schnittstelle (113) zu einem Automatisierungssystem (106) zu übertragen, wobei die Steuerschaltung (103) folgendes umfasst: einen Mikrocontroller (104), der ausgebildet ist, die ersten Messdaten und die zweiten Messdaten zu empfangen; und eine Anpassungsschaltung (105), die ausgebildet ist, die empfangenen ersten und zweiten Messdaten an das externe Datenprotokoll anzupassen.
Messgerät (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Anpassungsschaltung (105) einen Feldbus Protokoll-Chip (205) umfasst, der ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein Feldbus Datenprotokoll anzupassen und über eine Feldbus-Schnittstelle (213) an das Automatisierungssystem zu übertragen.
Messgerät (100, 300) nach Anspruch 1, wobei die Anpassungsschaltung (105) einen IO-Link Protokoll-Chip (305) umfasst, der ausgebildet ist, die ersten und zweiten Messdaten an ein IO-Link Datenprotokoll anzupassen und über eine IO-Link Schnittstelle (313) an ein externes IO-Link Master Modul (307) zu übertragen.
Messgerät (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anpassungsschaltung (105) über eine SPI und/oder UART Schnittstelle (202) an den Mikrocontroller angebunden ist.
Messgerät (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste interne Schnittstelle (111) eine I²C oder eine SPI Schnittstelle umfasst, und wobei die zweite interne Schnittstelle (112) eine I²C oder eine SPI Schnittstelle umfasst.
Messgerät (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Luftgütesensor (101) ausgebildet ist, die ersten Messdaten als relative Werte zu erfassen.
Messgerät (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Luftgütesensor (101) ausgebildet ist, eine Änderung des CO2-Gehalts der Umgebungsluft zu einem CO2-Initialwert und eine Änderung des TVOC-Gehalts der Umgebungsluft zu einem TVOC-Initialwert zu erfassen.
Messgerät (100, 200, 300) nach Anspruch 7, wobei der Luftgütesensor (101) ausgebildet ist, eine Erhöhung des CO2-Gehalts der Umgebungsluft in Bezug auf den CO2-Initialwert und eine Erhöhung des TVOC-Gehalts der Umgebungsluft in Bezug auf den TVOC-Initialwert zu erfassen.
Messgerät (100, 200, 300) nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Luftgütesensor (101) ausgebildet ist, den CO2-Initialwert und den TVOC-Initialwert nach einem Einschaltvorgang des Luftgütesensors auf einen aktuellen CO2-Gehalt und TVOC-Gehalt der Umgebungsluft beim Einschalten zu kalibrieren.
Messgerät (100, 200, 300) nach Anspruch 9, wobei der Mikrocontroller (104) ausgebildet ist, den Luftgütesensor (101) im Betrieb zurückzusetzen, um eine Kalibrierung des Luftgütesensors (101) zu veranlassen.
Messgerät (100, 200, 300) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Mikrocontroller (104) ausgebildet ist, den Luftgütesensor (101) zurückzusetzen, wenn die erfassten ersten Messdaten über den CO2-Gehalt der Umgebungsluft über einen vorgegebenen Zeitraum mit dem CO2-Initialwert übereinstimmen und/oder wenn die erfassten ersten Messdaten über den TVOC-Gehalt der Umgebungsluft über den vorgegebenen Zeitraum mit dem TVOC-Initialwert übereinstimmen.
Messgerät (100, 200, 300) nach Anspruch 11, wobei der Mikrocontroller (104) ausgebildet ist, die erfassten ersten Messdaten mehrmals innerhalb des vorgegebenen Zeitraums mit dem CO2-Initialwert und/oder dem TVOC-Initialwert zu vergleichen und erst bei mehrmaliger Übereinstimmung den Luftgütesensor (101) zurückzusetzen.
Messgerät (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Mikrocontroller (104) einen Speicher umfasst, der ausgebildet ist, den CO2-Initialwert und den TVOC-Initialwert zu speichern.
Verfahren (600) zur Messung und Bewertung einer Güte von Umgebungsluft, mit folgenden Schritten: Erfassen von ersten Messdaten (601) über einen CO2-Gehalt der Umgebungsluft und einen Gesamtgehalt der Umgebungsluft an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC, Total Volatile Organic Compounds) durch einen Luftgütesensor; Erfassen von zweiten Messdaten (602) über eine Temperatur und eine Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft durch einen Temperatur- und Luftfeuchtesensor; Empfangen der erfassten ersten und zweiten Messdaten (603) durch einen Mikrocontroller (104) einer Steuerschaltung (103); Anpassen der empfangenen ersten und zweiten Messdaten (604) an ein externes Datenprotokoll durch eine Anpassungsschaltung (105) der Steuerschaltung (103); und Übertragen der angepassten ersten und zweiten Messdaten (605) über eine externe Schnittstelle zu einem Automatisierungssystem.