VOC传感器如何进行IAQ监测以及VOC传感器工作原理(lǐ)

一、VOC的定义VOC，即挥发性有(yǒu)机物(wù)(Volatile Organic Compounds)。美國(guó)环境署(EPA)对VOC的定义是：除了一氧化碳、二氧化碳、碳酸、金属碳化物(wù)、碳酸盐以及碳酸铵外，任何参与大气中光化學(xué)反应的含碳化合物(wù)。百度百科(kē)对VOC的描述是：“在常温下可(kě)以蒸发的形式存在于空气中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性，会影响皮肤和黏膜，对人體(tǐ)产生急性损害……是一类重要的空气污染物(wù)。”

每个人平均每天吸入大约15kg的空气，其中80%是室内空气。户外空气品质一般是由政府机构进行监测，而室内空气品质（IAQ）监测则是建筑物(wù)营运业者或居住者的责任——前提是他(tā)们愿意实际执行。现在，新(xīn)一代小(xiǎo)型表面贴装的低功率挥发性有(yǒu)机化合物(wù)（VOC）气體(tǐ)传感器已经上市，通过小(xiǎo)型、低成本的元件即可(kě)实现分(fēn)散式、本地IAQ监测功能(néng)，因此，用(yòng)户可(kě)以更容易地操作建筑物(wù)中的空气流动和空气过滤设备。

二、VOC的危害

当VOC在居室空气里达到一定浓度，人们会开始感到头痛、恶 心、四肢乏力;假如继续長(cháng)时间逗留，会伤害肝、肾、大脑和神经系统，甚至可(kě)能(néng)引起抽搐、昏迷、导致记忆力减退，带来严重后果。 VOC危害如此严重，可(kě)它又(yòu)是从何而来呢(ne)？专家指出，墙壁、天花(huā)板、地面等建材， 以及乳胶漆、墙纸、绝热材料、粘合剂等装饰材料都是VOC的主要来源。 需要特别指出的是:装修最常使用(yòng)的乳胶漆的VOC，主要来自于原材料的VOC，包括甲醛、氨、乙二醇等，所以控制原材料的VOC含量至关重要！就内墙乳胶漆的VOC含量，國(guó)家《室内装饰装修材料有(yǒu)害物(wù)含量》规定不应超过200克/升；“环境标志(zhì)认证标准”也要求≤100克/升;发达國(guó)家的标准更苛刻，欧盟标准中哑光类乳胶漆的VOC含 量须≤75克/升。

本文(wén)介绍新(xīn)型VOC传感器的工作原理(lǐ)，以及它与绝对单一气體(tǐ)传感器的不同之处。同时，ISweek工采网小(xiǎo)编还介绍传感器如何提供数据，使得空气管理(lǐ)设备能(néng)够更高效且有(yǒu)效地因应室内空气品质的变化。

三、如何进行IAQ监测？

目前，商(shāng)业建筑物(wù)的专业营运方一般利用(yòng)一、两类空气品质数据来控制通风和空气过滤系统的运作。最常见的是，他(tā)们使用(yòng)单一气體(tǐ)——通常是二氧化碳（CO2）进行绝对测量。他(tā)们也会参考居住者对空气品质的主观判断。

因為(wèi)人类呼出CO2，所以有(yǒu)人在的房间里，CO2浓度随时间的推移而增加是正常的，因此，在没有(yǒu)足够通风的情况下，房间中的人越多(duō)，CO2浓度就越高。

室内空气中CO2浓度过高会让人有(yǒu)“闷”的感觉，想打瞌睡、精神不集中，而且无法有(yǒu)效决策。因此，现在配备CO2传感器的商(shāng)业建筑物(wù)管理(lǐ)系统，就可(kě)以根据测得的CO2浓度调节、过滤和/或者通风设备的运作。目的在于保持室内空气新(xīn)鲜舒适，同时降低热交换率，因為(wèi)人為(wèi)加热或冷却空气的作法，既浪费金钱又(yòu)耗费了能(néng)源。

事实上，CO2浓度是代表某一空间中人员密度的适当方式。而且由于人类会生产VOC和CO2——在科(kē)學(xué)上称之為(wèi)“生物(wù)排放”，现在的建筑物(wù)营运方通常认為(wèi)配置了调节CO2浓度功能(néng)的空调设备也能(néng)充分(fēn)调节室内空气中多(duō)种VOC的浓度。

实际的考虑因素支持了这种假设。CO2传感器元件经过多(duō)年发展，封装、价格和功耗特性已经非常具有(yǒu)吸引力，足以确保其能(néng)整合至主流建筑物(wù)自动化设备的電(diàn)路板中。

直到最近，可(kě)选的VOC浓度测量方法还相当有(yǒu)限。有(yǒu)一些测量和分(fēn)析悬浮于空气中VOC的方法，包括光電(diàn)离、火焰電(diàn)离、比色管和波長(cháng)吸收等是比较轻便的方法。而在实验室中，倾向于结合使用(yòng)气相层析与质谱（称為(wèi)GC-MS）的方法。

然而，这些方法并不适合用(yòng)于紧凑、本地化、低功率的空气品质传感设备，因為(wèi)他(tā)们不是體(tǐ)积太大就是功耗太高。

这就是為(wèi)什么推出新(xīn)一代金属氧化物(wù)VOC传感器的原因，现在它可(kě)提供表面贴装IC型封装，功率只有(yǒu)毫瓦级，对于IAQ监测领域来说非常令人期待。这些低成本、紧凑型的低功耗VOC传感器件很(hěn)容易整合于灯具、空调、风扇以及风扇遠(yuǎn)端控制装置等日常用(yòng)品——甚至是手机中。分(fēn)散式的本地VOC传感是切实可(kě)行的，而且也是发展趋势之一。

通常会在室内发现的VOC类型及其来源(图1)

因此，空调设备使用(yòng)者应重新(xīn)考虑他(tā)们是否还只是依赖于CO2数据。事实上，VOC浓度不会随着CO2浓度的变化而上升和下降，主要有(yǒu)两个原因：

首先，并不是所有(yǒu)的VOC都是由人产生的；其次，人类产生CO2的速率是持续的，而且在不活动时一般会相当稳定。然而，人类产生VOC是波动，例如在饭后一段时间内会上升。

根据美國(guó)國(guó)家标准技术研究所（NIST）建筑物(wù)和消防研究实验室的报告指出：“许多(duō)污染源并非仅来自居住者，还包括建材的排放物(wù)，以及从户外进入建筑物(wù)的污染物(wù)等。CO2浓度并不能(néng)提供与居住者无关的释放源所排放的污染物(wù)浓度等数据。”

例如，在只有(yǒu)一个人的房间中，二氧化碳传感器记录到室内空气中的CO2浓度较低，但最近重新(xīn)安装了新(xīn)家居和地毯，还用(yòng)黏胶在房间的墙壁和地板上黏贴了一些固定装置。在这种情况下，房间中的空调设备通常被配置為(wèi)在此环境下提供最小(xiǎo)通风量，导致唯一的居住者呼吸大量的悬浮VOC。

室内空气中高浓度的VOC显着影响到居住者的舒适感。CO2是无味的，但VOC气味很(hěn)重，而且（大部份VOC）令人不愉快。

然而，空气中VOC的影响不仅仅是让人感到不舒服。美國(guó)國(guó)家环境保护局（EPA）网站列出了短期和長(cháng)期的健康影响，指出这些影响可(kě)能(néng)与室内空气中的VOC有(yǒu)关。EPA指出的这些影响包括： 眼睛、鼻子和喉咙有(yǒu)刺激感 ；头痛、失去协调和恶心；损害肝、肾，以及中枢神经系统；一些有(yǒu)机物(wù)会导致动物(wù)癌症；有(yǒu)些甚至被怀疑或已知会导致人类癌症。

因此，上面的这些实例促使OEM开始在IAQ监测设备中使用(yòng)表面贴装VOC传感器。

四、VOC气體(tǐ)传感器的工作原理(lǐ)

芯片型VOC气體(tǐ)传感器的工作原理(lǐ)(图2)

VOC元件本身可(kě)检测到多(duō)种VOC，并提供对应于VOC浓度变化的相对输出。当配备了板载处理(lǐ)器时，该传感器还能(néng)够计算多(duō)种VOC的等效相对值。由于这些元件的输出是相对的，因此不需要校准。

另外，还有(yǒu)一类绝对输出气體(tǐ)传感器：它们对于安全攸关的应用(yòng)来说是理(lǐ)想的也是必要的选择，在这些应用(yòng)中，某些气體(tǐ)浓度过高会对生命或者健康构成直接威胁。这种绝对输出元件通常： 相对比较昂贵；只能(néng)检测一种气體(tǐ)；需要定期校准以提供准确的输出数据。

在IAQ监测应用(yòng)中这些因素显然不受欢迎。VOC传感器是对这种重要但有(yǒu)限绝对测量源的补充：这种传感器能(néng)够检测到多(duō)种VOC，因此可(kě)以用(yòng)于检测由一种或者多(duō)种VOC化合物(wù)引起的室内空气品质变化——而这会影响建筑物(wù)内的人。

在IAQ监测中，例如ams CCS811（2.7mm x 4mm x 1.1mm，LGA封装）或iAQ-CORE（接脚布局為(wèi)15mm x 18mm的整合传感器模组）等宽频谱传感器，并非针对安全攸关应用(yòng)的某种特殊气體(tǐ)报告其绝对ppm值，而是提供环境中多(duō)种VOC浓度的相对变化值，包括但不限于图1所列出的。

在IAQ监测应用(yòng)中，VOC传感器可(kě)以与绝对输出CO2传感器一起使用(yòng)，随时為(wèi)CO2浓度提供确切的基准。VOC传感器补强了绝对CO2的测量，采集有(yǒu)关VOC事件的其它数据，这些数据不一定与居住者（通常是CO2浓度升高的主要原因）直接相关，如图3所示。

图3：在多(duō)人使用(yòng)会议室数小(xiǎo)时后，VOC传感器和CO2传感器同时运作时的测量值比较

图3中，在VOC传感器指示空气品质下降期间，CO2传感器完全没有(yǒu)任何动静，这可(kě)能(néng)是由于在会议休会期间使用(yòng)清洁化學(xué)品，或者来自打印机和复印机等设备的排放造成的。因应VOC传感器的输出（而非CO2传感器的指示），通常会有(yǒu)更好的通风；因此，在此例中，出现VOC事件期间，将会為(wèi)居住者改善房间中的空气品质。

五、空调系统测量数据的标定

诸如CCS811或iAQ-Core等VOC传感器能(néng)够有(yǒu)效地检测空气中VOC浓度随时间的变化。但是，如何使用(yòng)这些数据来管理(lǐ)空气过滤或空气流动设备的运作？

今天，空气管理(lǐ)系统的配置通常為(wèi)了因应所测量的CO2浓度绝对值。因此，iAQ-Core和CCS811包括执行所提供算法的处理(lǐ)器，计算相对eCO2（等效CO2）值以及相对TVOC（总挥发性有(yǒu)机化合物(wù)）值。如此，则可(kě)让空气品质管理(lǐ)系统设计人员将来自传感器的输入转换為(wèi)适当的指令，例如提高通风设备的风扇速度，或者把通风口开宽一些——或在VOC浓度下降后，放慢过滤和/或者空气交换速度以降低能(néng)耗。

根据测试显示，eCO2的计算相对值参考适当的基准值，且主要是由人类VOC排放引起的，与绝对CO2传感器测量的实际CO2浓度变化密切相关（参见图4）。

图4：在7天时间内，将来自ams MOX气體(tǐ)传感器计算标定的eCO2值与由绝对CO2传感器测量的实际值进行比较

六、整合IAQ监测的新(xīn)机遇

如今，芯片型VOC传感器的尺寸、成本和功耗等优势，使其成為(wèi)空调系统管理(lǐ)區(qū)域的分(fēn)散式传感来源，将它们整合于空气品质管制系统中只是时间早晚的问题——最终将建立一个更健康、更愉快的工作、生活和娱乐环境。

还可(kě)以在以前不具有(yǒu)空气品质感测功能(néng)的终端产品中整合小(xiǎo)型表面贴装VOC传感器，从而體(tǐ)现了这类传感器的价值所在。例如，炊具罩中的宽频谱VOC传感器可(kě)以检测原料和熟食气味、烟雾、清洁剂等产生的空气中VOC浓度的变化，根据这些变化自动管理(lǐ)气流。这样，厨师就不用(yòng)去手动操作换气设备了。

VOC传感器在任何室内空间都非常有(yǒu)帮助，包括公共交通工具、私家車(chē)以及医院、办公室和商(shāng)店(diàn)等公共建筑。由于这些传感器非常小(xiǎo)，足以和其他(tā)電(diàn)子元件一起安装在PCB上，因此几乎可(kě)以与任何连接元件整合，从而轻松地连接至空气管理(lǐ)系统