Čidlo CO₂ SCD41 od Sensirionu: zapojení, přesnost a zkušenosti

Nedávno jsem zakoupil čidlo CO2 fungující na fotoakustickém principu. Což je naprosto odlišný princip od jiných čidel CO2, které fungují zejména na principu optické detekce, tzv. NDIR.

Pokud nevíte, co přesně hodnoty CO2 a dalších parametrů vzduchu znamená a jaké jsou bezpečné limity, přečtěte si nejdřív: TVOC, CO2ekv, AQI, IAQ, VOC — co to je?

Použití fotoakustické technologie u čidla SCD41 mu dává jedinečné vlastnosti. Firma Sensirion navíc dodává knihovny pro platfomu Arduino, čímž integraci toho čidla do vašeho projektu značně urychluje.

Pojďme se na toto čidlo podívat 🙂

Porovnání technologie

Abychom lépe porozuměli použité technologii, pojďme si vysvětlit technologii NDIR a PASens® (Photoacoustic sensor technology).

Photoacoustic sensor technology – (PASens®)

Na obrázku výše je technologie velmi jasně naznačena. V čidle je zdroj IR záření a mikrofon. Světlo z zdroje IR je skrze IR filter očištěno a vyzařováno do uzavřeného čidla. Absorbovaná energie molekul CO2 způsobí zvýšený tlak v obalu čidla – molekuly CO2 začnou vibrovat. Tento zvýšený tlak je závislý na koncentraci CO2 a je jeho změna je měřena mikrofonem.

Zdroj: https://www.mdpi.com/2076-3417/9/2/309/htm

Non Dispersive Infra-Red – (NDIR)

Čidla používají k měření koncentrace CO2 optickou detekci zvanou NDIR.

Princip je jednoduchý, molekuly CO2 absorbují některé vlnové délky z infračerveného spektra. Na jedné straně trubice je emitor infračerveného záření, na straně druhé je pak čidlo s filtrem, který tuto absorpci detekuje a měří.

SEK-SCD41-Sensor

Výhody čidla SCD41 jsou pak následující – široký rozsah napájení (od 2.4 do 5.5V). Velmi dobrá přesnost +-40 ppm a +-5% z měřené hodnoty, široký rozsah měření koncentrace CO2 (400 – 5000 ppm) a také velmi nízká spotřeba.

400 uA při jednorázovém měření 1x 5 minut s napájením 5V.

U samotného čidla CO2 je zároveň i čidlo pro měření teploty a vlhkosti.

Firma Sensirion zároveň připravila pro bastlíře i knihovnu jak pro platformu Arduino, tak i jednodeskové počítače Raspberry Pi s názornými příklady.
Knihovna pro Arduino: https://github.com/Sensirion/arduino-i2c-scd4x

Můžete také použít knihovnu od Sparkfun, který vyrábí vlastní modul s SCD41:https://github.com/sparkfun/SparkFun_SCD4x_Arduino_Library

Modul SEK-SCD41-Sensor je velmi prakticky malý – uprostřed je čidlo, po stranách vývody na I2C sběrnici.

Díky Arduino knihovně mi integrace do stávajícho projektu s ESP32, čidlem teploty a vlhkosti SHT40 a CO2 čidlem CozIR-LP zabrala jen pár minut.

Napájecí rozsah SCD41 je od 2.4 do 5.5V, použít tak můžete jak 3.3V desky, tak i ty 5V.

Porovnání

Porovnání mezi CozIR-LP (psal jsem o něm tady) a SCD41 ukládám jen chvíli, ale už během několika desítek hodin mohu udělat první srovnání.

Měření koncentrace CO2

Odezva na změnu koncentrace je u čidla CozIR-LP mnohem rychlější. V grafu lze vidět i menší změny koncentrace, SCD41 tyto změny – díky pomalejšímu měření – pak tyto krátkodobé výkyvy nejsou patrné.

Další zajímavou informací je samotná hodnota CO2 – SCD41 by potřeboval zkalibrovat na čerstvém vzduchu – stejně jako to dělám s CozIR-LP.

Že se jedná pouze o nutnou kalibraci lze vidět z grafu – hodnota z SCD41 je zvýšená o stejnou hodnotu napříč celým měřením.

Připomenu, že přesnost měření CO2 u SCD41 je +-40ppm a +-5% z měřené hodnoty.

Měření teploty

SCD41 má uvnitř i čidlo teploty a vlhkosti. Já hodnotu v grafu porovnával s SHT40.

Nemile mě překvapil rozdíl teplot i cca 1 °C mezi SHT40 a SCD41. Což se ale vysvětlilo v katalogovém listu.

SCD41 (vlevo) vs. SHT40 (vpravo)

V katalogovém listu je přímo zmíněno, že teplotní offset musí být nastaven přímo ve finální aplikaci zákazníka. V mém případě by to tak byla kompenzace cca + 1°C.

Pokud bych tuto hodnotu aplikoval na celý změřený rozsah, finální hodnota by byla mnohem blíže reálně teplotě.

Navíc, v katalogovém listu je přenost čidla udávána jako +- 0.8 °C (pro rozsah od 15 – 35 °C).

Závěr

Pokud vezmu v potaz všechny parametry čidla SCD41 i s nějakou nutností kalibrace – čerstvý vzduch, nastavení offsetu teplotního čidla, pomalejší reakci na změnu – a přidám k tomu velmi důležitý parametr – cena, pak mi vychází, že je to velmi povedené čidlo.

Za cenu cca 1200 Kč (celý modul) dostanete čidlo, které měří dostatečně přesně pro běžné účely, navíc s čidlem teploty, výstupem na I2C sběrnici a širokým napájecím rozsahem. Připojit ho tak můžete od ESP8266, ESP32 až po Arduino Uno.

TIP: pokud hledáte 3D tištěnou krabičku, pro tento modul, najdete ji na https://pinshape.com/items/105926-3d-printed-case-for-sek-scd41-with-air-vent