Ngày nay, cảm biến CO2 xuất hiện ở khắp nơi: từ nhà ở, trường học, văn phòng cho đến nhà kính và nhà máy. Dù kích thước nhỏ gọn, các thiết bị này vẫn có khả năng theo dõi nồng độ CO2 liên tục với độ chính xác cao trong nhiều năm liền.

Yếu tố quyết định chính là công nghệ hồng ngoại không tán sắc - NDIR (Non-dispersive infrared), nền tảng đo lường đang được sử dụng phổ biến nhất trong các cảm biến CO2 hiện đại.

NDIR là gì và vì sao được dùng để đo CO2?

NDIR, nghĩa là công nghệ hồng ngoại không tán sắc, là phương pháp đo khí dựa trên khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại của các phân tử khí tại những bước sóng đặc trưng. Mỗi loại khí có khả năng hấp thụ hồng ngoại khác nhau, tạo nên một “dấu hiệu nhận diện” riêng trong phổ ánh sáng.

Điểm khác biệt của công nghệ NDIR nằm ở khái niệm “không tán sắc”. Thay vì tách chùm sáng thành nhiều bước sóng như các phương pháp quang phổ truyền thống, cảm biến NDIR chỉ sử dụng một dải bước sóng được chọn lọc chính xác bằng bộ lọc quang học. Nhờ đó, phép đo trở nên đơn giản hơn, ổn định hơn và ít sai lệch hơn theo thời gian.

Ưu điểm khiến NDIR trở thành tiêu chuẩn đo CO2

Không phải ngẫu nhiên mà NDIR trở thành công nghệ chủ đạo trong các hệ thống HVAC, BMS, IAQ hay nhà kính. Những ưu điểm nổi bật có thể kể đến gồm:

- Độ ổn định cao, ít bị trôi sai số trong quá trình vận hành dài hạn

- Ít chịu ảnh hưởng từ độ ẩm và các loại khí thông thường khác

- Tuổi thọ cảm biến dài, có thể đạt 5-10 năm nếu được sử dụng và bảo trì đúng cách

Những đặc tính này giúp cảm biến CO2 NDIR phù hợp cho cả môi trường dân dụng lẫn công nghiệp.

Nguyên lý đo nồng độ khí CO2 của công nghệ NDIR

Trong công nghệ NDIR, CO2 được phát hiện thông qua khả năng hấp thụ hồng ngoại tại bước sóng 4,26 µm. Đây là bước sóng mà phân tử CO2 hấp thụ mạnh nhất và cũng là đặc điểm giúp phân biệt CO2 với các khí khác trong không khí.

Chính sự khác biệt này cho phép cảm biến NDIR đo chính xác nồng độ CO2 ngay cả khi môi trường chứa nhiều loại khí khác nhau. Quá trình đo nồng độ CO2 bằng công nghệ NDIR thường diễn ra theo 6 bước cơ bản sau:

Bước 1: Phát xạ hồng ngoại

Cảm biến sử dụng nguồn phát hồng ngoại trong dải bước sóng từ 1-20 µm, chiếu tia hồng ngoại vào buồng đo quang học (sample chamber).

Bước 2: Tương tác với khí CO2

Khi không khí đi vào buồng đo, các phân tử CO2 sẽ hấp thụ bức xạ hồng ngoại tại bước sóng 4,26 µm. Mức độ hấp thụ tỉ lệ thuận với nồng độ CO2 trong môi trường đo.

Bước 3: Lọc quang học

Phần ánh sáng còn lại tiếp tục đi qua bộ lọc quang học, chỉ cho phép ánh sáng ở bước sóng 4,26 µm đi tới bộ dò, giúp loại bỏ nhiễu từ các bước sóng không mong muốn.

Bước 4: Phát hiện và đo cường độ

Bộ dò hồng ngoại (thường là cảm biến thermopile) đo cường độ ánh sáng còn lại sau khi CO2 đã hấp thụ một phần năng lượng.

Bước 5: Tính toán nồng độ CO2

Cảm biến so sánh cường độ ánh sáng ban đầu với cường độ ánh sáng sau hấp thụ để xác định số lượng phân tử CO2, sau đó quy đổi thành nồng độ CO2 theo đơn vị ppm (parts per million).

Bước 6: Xử lý và xuất tín hiệu

Giá trị CO2 đo được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện phù hợp để truyền về PLC, BMS hoặc hiển thị trên thiết bị giám sát.

Những yếu tố cần lưu ý khi sử dụng cảm biến CO2 NDIR

Để cảm biến CO2 NDIR hoạt động chính xác và bền bỉ, một số yếu tố quan trọng cần được lưu ý:

- Dải đo: Nên chọn dải đo lớn hơn nhu cầu thực tế khoảng 20%. Ứng dụng dân dụng thường phù hợp với 0-5000 ppm, trong khi công nghiệp có thể cần tới 50.000 ppm.

- Tự hiệu chuẩn (ABC): Tính năng này giúp cảm biến tự điều chỉnh về mức nền 400 ppm, hạn chế sai số tích lũy.

- Thời gian phản hồi: Các cảm biến chất lượng cao thường có thời gian đáp ứng dưới 30 giây.

- Thời gian khởi động: Trong 2-5 phút đầu, cảm biến cần ổn định nhiệt để đạt độ chính xác tối ưu.

- Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và hiện tượng ngưng tụ nước có thể ảnh hưởng đến kết quả đo.

- Lắp đặt và bảo trì: Nguyên lý hoạt động cảm biến CO2 hoạt động chính xác nhất khi được:
    + Vận hành đúng cách (lắp đặt ở độ cao lý tưởng 1,2 - 1,8m so với sàn, tránh lắp quá gần nơi có luồng khí trực tiếp từ điều hoà, tránh lắp quá gần khu vực có hơi thở con người…).

    + Bảo trì định kỳ: Nguyên lý hoạt động cảm biến khí CO2 NDIR có thể bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn nên người dùng cần vệ sinh thiết bị thường xuyên hoặc chọn thiết bị có màng lọc bụi cho buồng đo.

Công nghệ NDIR khai thác chính xác khả năng hấp thụ hồng ngoại đặc trưng của CO2 tại bước sóng 4,26 µm. Nhờ đó, cảm biến CO2 NDIR mang lại độ chính xác cao, vận hành ổn định lâu dài và chi phí bảo trì thấp, phù hợp cho nhiều lĩnh vực từ dân dụng đến công nghiệp.