CO2 Meter

Im Rahmen des Maker Space des Fachbereichs 5 (FB 5 MakerSpace) beteiligen wir uns an der Entwicklung eines Bausatzes zur CO2 Messung.

Inhalt

Hintegrund
Bausatz
In den Medien
Forschungsprojekt
Publikationen
Team und Kontakt

Hintergrund

CO₂ Messungen, warum?

Das Handelsblatt veröffentlichte in einem Artikel Wie wahrscheinlich ist eine Infektion im Klassenzimmer? Diese Grafiken zeigen es¹ wie sich Aerosole in Klassenzimmern ausbreiten und wie Schutzmaßnahmen wie das Tragen von Masken und das regelmäßige Lüften helfen, die Aerosolbelastung (und damit ein Ansteckungsrisiko mit COVID-19) reduzieren.

Auch das Bundesumweltamt (BMU) informiert auf seinen Internetseiten², dass regelmäßiges Lüften hilft, die Aerosolbelastung zu reduzieren. Darüber hinaus wird ebenfalls empfohlen, CO2-Ampeln einzusetzen, um einen Indikator dafür zu haben, wenn die Luft in einem Raum "verbraucht" ist und das Lüften angeraten ist.

Die natürliche CO₂-Konzentration in der Atmosphäre liegt bei ca. 400 ppm³. Beim Ausatmen stoßen Menschen ca. 4 % Kohlendioxid aus (ca. 40.000 ppm), die sich in der Raumluft verteilt. Wenn Personen in einem Raum ohne Belüftung zusammen sind, steigt damit zwangsläufig die Konzentration von Kohlendioxid im Raum. Laut Bundesumweltamt gilt eine CO₂ -Belastung bis 1000 ppm noch als gut, über 2000 ppm als schlecht. Eine Studie des BMU⁴ veröffentlicht verschiedene Untersuchungen zu CO₂-Konzentration in unterschiedlichen Umgebungssituationen wie Schulen, Kitas, dem häuslichen Umfeld oder dem Arbeitsplatz.

Verfügbarkeit von CO₂ Ampeln und Ziele des Projektes CO2-Meter

Die Messung der Kohlenstoffkonzentration gibt also einen Indikator dafür, wann die Luft in einem Raum verbraucht ist und wann spätestens wieder gelüftet werden sollte. Daher sind gerade viele Schulen gerade dabei Messgeräte anzuschaffen, die am Markt erhältlich sind. Das Problem ist allerdings, das viele Geräte wegen der erhöhten Nachfrage nicht mehr oder erst später verfügbar sind.

Im den "Maker Communities" im Internet kursieren Bauanleitungen, die zeigen, wie man mit Elektronikbauteilen, die am Markt erhältlich sind, selber eine CO₂-Ampel bauen kann.⁵ Unabhängig davon hat sich eine Projektgruppe an der FH Aachen zusammengefunden, um ebenfalls eine solche Bauanleitung zu entwickeln. Dabei haben wir verschiedene Sensoren in unterschiedlichen Preiskategorien untersucht und evaluiert.

Die Ergebnisse unserer Untersuchen mündeten in der Idee, Schulen beim Eigenbau von CO₂-Ampeln zu unterstützen. Diese Idee führte zur Entwicklung der gegenwärtigen Bauanleitung und der Entwicklung einer Firmware für einen solchen Bausatz.

Sensortypen und Messprinzipien

Es gibt grundsätzlich zwei unterschiedliche Typen von Sensoren, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen:

Volatile Organic Compounds (VOC)
Non-Dispersive InfraRed (NDIR)

VOC steht für "Volatile Organic Compounds" (z.B. ⁶) und sind in der Lage Veränderungen an Gaskonzentrationen zu messen. Solche Sensoren sind damit in der Lage, bestimmte Ausgasungen von Benzol, Alkohol und anderen organischen Verbindungen zu detektieren. Solche Sensoren messen auch CO2, das jedoch nur indirekt. Die Annahme ist, dass in einem Innnenraum wie z.B. einem Klassenzimmer, andere gasförmigen Verbindungen nicht vorkommen und dass daher der gemessene Wert der CO2-Konzentration entspricht. Solche Sensoren sind im allgemeinen auch sehr preisgünstig. Unsere Erfahrungen und Messungen haben ergeben, dass sich solche Sensoren nicht gut dafür eignen, den CO2-Gehalt zuverlässig in einem Klassenraum zu bestimmen.

NDIR steht für "nondispersive infrared sensor". Das Prinzip beruht darauf, spektroskopisch mit Hilfe von Infrarotlicht die Konzentration von Gasen zu detektieren. Diese Sensoren eignen sich zur genauen Bestimmung von CO₂-Konzentration sehr viel besser als VOC-Sensoren. Die Sensoren sind jedoch aufgrund der komplexeren Messmethode und der aufwendigen Kalibrierung wesentlich teurer als VOC-Sensoren.

Wir haben mit einer Auswahl von NDIR-Sensoren Testreihen gemacht. Die Sensoren, die wir getestet haben sind:

MH-Z19 B (Hersteller: Zhengzhou Winsen Electronics, China) ⁷
S8 (Hersteller: Sensair AB, Schweden) ⁸
SCD-30 (Hersteller: Sensirion AG, Schweiz) ⁹

Mit allen diesen Sensoren haben wir befriedigende Ergebnisse zur Messung von CO2-Konzentrationen erzielt. Unsere Firmware funktioniert mit allen diesen Sensoren. Daher können diese Sensoren je nach Verfügbarkeit mit unserer Firmware verwendet wernden.

Bausatz

Ziel unserer Bestrebungen war/ist die Enwicklung einer Bauanleitung zur verlässlichen Bestimmung und Anzeige der CO₂-Konzentration. Der Bausatz besteht aus einer Reihe von Hardware-Komponenten und einer Steuerungssoftware.

Hardware

Der Bausatz enthält neben dem Sensor eine Steuereinheit und Komponenten zur Anzeige der gemessenen Werte. Zur Messung kommen, wie bereits geschildert, nur NDIR-Sensoren infrage. Wir haben mit einer Auswahl von NDIR-Sensoren Testreihen gemacht. Die Sensoren, die wir getestet haben sind:

MH-Z19 B (Hersteller: Zhengzhou Winsen Electronics, China)
S8 (Hersteller: Sensair AB, Schweden)
SCD-30 (Hersteller: Sensirion AG, Schweiz)

Der Bausatz verwendet einen der zuvor genannten NDIR-Sensoren zur Messung der CO₂ Konzentration. Der gemessene Wert wird wahlweise über ein LCD-Display angezeigt und/oder es wird über eine Ampelschaltung ein Lüftungshinweis gegeben.

Ein 1.3 Zoll LCD Display, zum Beispiel erhältlich bei AZ Delivery

Ein RGB-LED-Ampel-Bauteil, zum Beispiel erhältlich bei AZ Delivery

Teileliste

Die wesentlichen Komponenten sind:


CO2 Sensor	Sensirion SCD30
Mikrocontroller	NodeMCU ESP8266-12F
Display	1,3 inch OLED I2C 128 x 64 pixel (SH1106 controller, I2C Anschluss)
Ampel	LED Ampel Modul für 3,3V - 5V
Klemmen	Wago 413 Verbindungsklemme 3 Leiter mit Betätigungshebel 0,2-4 qmm
Netzteil	USB Steckernetzteil mit mind. 1A Ausgangstrom
Kabel	USB Kabel mit Micro-USB Anschluss
Verbinder	Jumper Wire Female-Female, Jumper Wire Female-Male

Die Bauteile können im Elektronikhandel beschafft werden.

Ein Bezug über die FH Aachen oder das MASKOR Institut ist nicht möglich!

Aufbauanleitung

Für die Aufbauanleitung bitten wir Sie, sich auf https://makerspace-ac.de/seite/ umzusehen.

Anzeige / Lüftungshinweise

Grundlage der Ampelschaltung unserer Bauanleitung zur CO₂ Messung sind auch die Vorgaben der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA), genauer die Arbeitschutzregel ASR A3.6 Lüftung.[^7] Hier werden in Abschnitt 4.2 unter Absatz 2 Grenzwerte für die Stoffbelastung in der Luft wie folgt festgelegt:

<1000: keine weiteren Maßnahmen notwendig
1000-2000: Lüftungsmaßnahme vornehmen, Lüftungsverhalten überprüfen und verbessern
>2000: weitergehende Maßnahmen notwendig

Software

Wir bereiten zur Zeit die Veröffentlichung einer Betriebssoftware vor. Es wird aller Voraussicht nach zunächst eine vorkompilierte Version geben. Voraussichtlich werden wir dann zu einem späteren Zeitpunkt dazu den Quellcode freigeben.

Präsentation

CO2 Meter Präsentation als PDF zum Download

Bilder

Wir haben entlang der Bauanleitung einige Versionen des Bausatzes in verschiedenen Ausgestaltungen hergestellt. Im folgenden finden Sie ein paar Impressionen.

Videos

Wir haben Videos erstellt, in denen der Bausatz und der Zusammenbau vorgestellt und erklärt werden. Es gibt Videos zu den nötigen Bauteilen für einen CO2 Meter, eine Aufbauanleitung zur Elektronik und zum Gehäuse.

CO2Meter - Unboxing

CO2Meter - Aufbauanleitung Elektronik

CO2Meter - Aufbauanleitung Karton-Gehaeuse

CO2Meter - Aufbauanleitung Elektronik - Version mit Real-Time Clock und NodeMCU v2

CO2Meter - Aufbauanleitung Laserschnitt-Gehaeuse (Holz/Kraftplex/Acryl)

In den Medien

Ueber unsere Idee wurde auch in den Medien berichtet. Hier finden Sie eine Auswahl.

WDR aktuell (2021-02-05)

Kiraka - WDR Kinderradio (2021-02-05)

Meldung zum CO2 Meter in den Klicker-Nachrichten auf Kiraka

Herzog Kultur- und Stadtmagazin (2021-02-05)

Kein Frieren im Klassenzimmer

Super Sonntag Region Aachen (2021-02-07)

Aachener Nachrichten / Aachener Zeitung (2021-02-08)

Bericht über CO2 Meter in den Aachener Nachrichten / der Aachener Zeitung

Grundschule – Kapellen Hemmerden (GGS Kapellen) (2021-02-08)

Neue CO2-Messgeräte

Willi-Fährmann-Schule (2021-03-11)

Stolberg: WDR Bericht - CO2 Messgeräte der FH Aachen

LVR Gutenberg-Schule (2021-04-16)

„Ist die Luft raus?“ – CO2 Messer zum Selberbauen

Rotary Club Aachen-Charlemagne (2021-04-16)

CO2 Messer zum Selberbauen: „Ist die Luft raus?“ --
RC Aachen Charlemagne unterstützt die LVR-GUTENBERG-SCHULE in Stolberg

Bildungsakademie für Therapieberufe Bestwig (2021-05-07)

Grünes Licht für Präsenzunterricht - CO2-Messgeräte für die Bildungsakademie

Elektor MAGAZINE (2021-07-07)

Eintrag zum CO2 Meter in den Elektor Lab Notes von Juni 2021 (Artikelserie in Planung)

Forschungsprojekt

Im Rahmen eines Forschungsprojektes am FB 5 der FH Aachen werden die Daten von einigen CO2-Sensoren gesammelt und ausgewertet. Dabei soll die Frage beantwortet werden, welche Faktoren bei der Veränderung des CO2-Gehaltes eine Rolle spielen und wie stark diese Effekte sind. Dazu werden neben den eigentlichen Messdaten noch zusätzliche Daten, wie z.B. die Größe der Räume, Personenzahl im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt und die unterrichteten Fächer zur Auswertung heran gezogen.

Die entstehende Datenanalyse-Software stellt den Schulen gleichzeitig eine Visualisierung der eigenen Daten zur Verfügung. So können die teilnehmenden Schulen auch langfristige Verläufe sehen und die Auswertung der Daten in ihren Unterricht integrieren.

Publikationen

Es gibt zum CO2 Meter Projekt auch Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Konferenzen und Zeitschriften.

Thomas Dey, Ingo Elsen, Alexander Ferrein, Tobias Frauenrath, Michael Reke, Stefan Schiffer
CO2 Meter: A do-it-yourself carbon dioxide measuring device for the classroom
In The 14th PErvasive Technologies Related to Assistive Environments Conference (PETRA 2021), June 29-July 2, 2021, Corfu, Greece.
ACM, New York, NY, USA, 8 pages. https://doi.org/10.1145/3453892.3462697

Zu der Publikation gibt es eine Präsentation, die Sie in folgendem Video ansehen können:

Es stehen auch die Folien zur CO2 Meter Präsentation beim PETRA Workshop als PDF zur Verfügung.

Team und Kontakt

Team

Der CO2 Meter wurde und wird entwickelt von Professoren und Mitarbeitern im Rahmen des Makerspace-Projektes des Fachbereichs 5 der FH Aachen.

Leitung

Mitarbeit

Kontakt

Sollten Sie an weiteren Informationen interessiert sein,
wenden Sie sich gerne an das CO2 Meter Team per E-Mail unter:

co2meter@maskor.fh-aachen.de

Die Webseite des CO2 Meter Projekts wird aktuell einer Prüfung und Überarbeitung unterzogen.