In den Jahren 2014 und 2015 kam es in Flint, Michigan, zu einer Krise im Zusammenhang mit der öffentlichen Gesundheit, als im kommunalen Trinkwasser hohe Mengen an Blei und anderen Schadstoffen festgestellt wurden. Infolge eines Ausbruchs der Legionärskrankheit kamen 12 Menschen ums Leben und viele weitere erkrankten schwer. Auch wenn die Bleileitungen zu gefährlich hohen Bleiwerten im Trinkwasser führten, hätte eine ordnungsgemäße Emissionserkennung den Ausbruch möglicherweise verhindern können.
Emissionssensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Überwachung und Kontrolle von Umgebungen in Industrie, Gesundheitswesen, Forschung und Alltag. Viele Arten von Emissionen können negative Auswirkungen haben, zum Beispiel ein hoher Bleigehalt oder eine hohe Verstrahlung des Wassers. Die Überwachung dieser Emissionen kann die menschliche Gesundheit schützen, die Umwelt schonen, die Prozessleistung erhalten, die Einhaltung von Vorschriften sicherstellen und eine Qualitätskontrolle ermöglichen. Dieser Artikel untersucht verschiedene Arten von Sensoren und die Emissionen, die sie überwachen sollen.
Partikelemissionen
Partikelemissionen umfassen Substanzen wie Staub, Rauch, Schadstoffe, flüchtige organische Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs), Bakterien, Chemikalien und mehr. Da es viele verschiedene Partikelemissionen gibt, werden auch viele verschiedene Sensortechnologien zur Erkennung von Partikelemissionen im Wasser und in der Luft eingesetzt. Der am häufigsten verwendete Begriff für diese Sensorfamilie ist „Wasser- oder Luftqualitätssensoren“. Die Technologie hinter diesen Sensoren kann sich je nach Anwendung jedoch erheblich unterscheiden.
Luftpartikel- und VOC-Sensoren
Laser stellen ein unverzichtbares Tool für die Erkennung mikroskopischer Partikel in der Luft dar. Zum Beispiel nutzt der Honeywell HPM Series-Partikelsensor eine Laserlichtquelle, um Partikel zu beleuchten, die durch die Detektionskammer geleitet werden. Wenn das Licht von den Partikeln reflektiert und gestreut wird, analysiert ein Fotodiodendetektor das empfangene Lasersignal, um ultrafeine Partikel zu erkennen. Diese Sensoren erkennen Feinstaub (Particulate Matter, PM) im Bereich PM1.0, PM2.5, PM4.0 und PM10. Daher können sie in Luftqualitätsmonitoren für Reinräume, HLK-Systeme und Luftreinigungsgeräte verwendet werden. Partikel der Größe PM1.0 bis PM10 haben eine Größe von weniger als 1 bis 10 Mikrometern und umfassen Partikel wie Staub, Pollen, Sporen, Bakterien, Viren und Rauch.
VOCs können schwere Gesundheitsprobleme verursachen, sind unterschiedlich groß und enthalten unterschiedliche Bestandteile. VOC-Sensoren wie SensirionAG SGP40-D-R4 enthalten ein CMOSens-Sensorsystem auf Basis der Metalloxid-Sensortechnologie. Bei Vorhandensein von VOCs ändert ein speziell entwickelter Metalloxidfilm den Widerstand eines Halbleitermaterials, das anschließend ein elektrisches Signal sendet, um die Erkennung von VOCs auf dem Film anzuzeigen. Metalloxidsensoren können auch so eingestellt werden, dass sie andere Materialien einschließlich bestimmter Gase erkennen, indem die Eigenschaften des Halbleiters und die Sensortemperatur geändert werden.
Sensoren zur Erkennung der Wasserqualität
Zur Erkennung von Feinstaub in Wasser kommen zwei häufig verwendete Sensortechnologien zum Einsatz. Elektrochemische Sensoren erkennen Mineralien, Metalle und pH-Werte, während optische Sensoren verteilte Feststoffe, Farbe und Klarheit erkennen.
Beispielsweise nutzt der Analog Devices CN0428-Sensor eine elektrochemische Reduktions-Oxidations (Redox)-Reaktion zur Erkennung, indem die Übertragung von Elektronen von einem Reaktanten zu einem anderen Reaktanten mittels Detektionssonden gemessen wird. Mit dieser Methode können Schwermetalle wie Blei und andere unerwünschte Chemikalien, Bakterien und biologische Partikel in Wasser nachgewiesen werden.
Der andere häufig verwendete Typ von Wasserqualitätssensoren nutzt optische Sender-/Empfängersysteme, um Wassertrübungen zu erkennen, üblicherweise als Test der Wasserklarheit bezeichnet. Trübungen können durch Schwebstoffe wie Ton, Schlick, Mikroplastik, Algen, Sedimente oder andere organische Stoffe verursacht werden. Der Analog Devices CN0409-Sensor nutzt Infrarotstrahler und Fotodioden zur Messung von Wassertrübungen im Bereich von 0 bis 1000 FTU mit einer Toleranz von +/-0,5 FTU. Der EPA-Grenzwert für Trinkwassertrübungen liegt bei 1 FTU.
Gasemissionssensoren
Gasemissionen werden am häufigsten mit Treibhausgas- und Fahrzeugemissionen wie CO2, Stickoxiden und Kohlenmonoxid in Verbindung gebracht. Gasemissionen können jedoch auch aus Industrieanlagen, Elektrizitätswerken, Farben, Lösungsmitteln, chemischen Dämpfen und sogar natürlichen Quellen wie Vulkanen stammen.
Kohlendioxid, das bekannteste Treibhausgas, gehört zu den am meisten überwachten Gasen in einer Vielzahl von Anwendungen. Beispielsweise können CO2-Sensoren wie SCD4X für Ampelanzeigen, die bedarfsgesteuerte Belüftung, Gewächshäuser in der Landwirtschaft und die Überwachung der Raumluftqualität verwendet werden. Dieser Sensor nutzt das Messprinzip der thermischen Masse und enthält einen MEMS-Kalorimetriesensor und ein Mikroheizelement, um während des Gasflusses ein Temperaturprofil zu erzeugen. Wenn verschiedene Gase durch die Membran strömen, ändert sich das Wärmeprofil. Anhand dieser Änderungen wird die Konzentration verschiedener auf der Membran vorhandener Gase ermittelt.
Ozon ist ein schädlicher Schadstoff, der zu Herz- und Lungenerkrankungen führen kann. Wenn Stickoxide (ein Nebenprodukt der Verbrennung fossiler Brennstoffe) in Gegenwart von VOCs, Hitze und Sonnenlicht vorhanden sind, können gasförmige chemische Reaktionen zu hohen Ozonkonzentrationen führen. In hohen Konzentrationen kann Ozon das Weichgewebe schädigen und die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen schädigen. Aus diesem Grund sind Ozonsensoren in städtischen Umgebungen weit verbreitet. Sie sollen die Behörden alarmieren, wenn hohe Ozonwerte vorhanden sind. Ozonsensoren wie SEN0321 verwenden die gleichen elektrochemischen Grundsätze wie die oben genannten Metalloxidsensoren und können Ozonkonzentrationen im Bereich von 0 bis 10 ppm erfassen.
Schließlich können Gasemissionen mit Infrarot-Gasdetektoren mit unglaublich hoher Genauigkeit gemessen werden. Diese hoch spezialisierten Sensorbaugruppen messen die Gaszusammensetzung, indem sie bestimmte Infrarotfrequenzen durch eine Gasprobe senden. Wenn sich das Zielgas in der Probe befindet, werden bestimmte Wellenlängen des Infrarotlichts absorbiert. Abhängig von der Absorptionsrate kann die Konzentration des spezifischen Gases durch den Infrarotdetektor erfasst werden. Infrarot-Gasdetektoren reichen von kleinen Geräten wie der KEMET USEQGSEx-Reihe bis zu sehr großen, spezialisierten Sensorbaugruppen, die ein breites Spektrum von Gasen gleichzeitig erfassen.
Die Bedeutung von Emissionssensoren und Emissionserkennung
Die Emissionserkennung ist ein kritisches Tool für die Überwachung und Kontrolle von Umgebungen in Industrie, Gesundheitswesen, Kommunen und Forschung. Die Wasserkrise in Flint, Michigan, hat die Notwendigkeit proaktiver Überwachungs- und Erkennungssysteme zum Schutz der öffentlichen Gesundheit deutlich gemacht.
Die verschiedenen in diesem Artikel erwähnten Sensoren und Technologien können verschiedene Emissionen erkennen. Für beinahe jede notwendige Emissionserkennung gibt es eine Lösung. Behörden, Unternehmen und Forscher sollten Emissionssensoren nutzen, um eine Umgebung für alle zu schaffen, die sicherer, gesünder und nachhaltiger ist.
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