Cảm biến CO2 là gì? Tổng quan về cảm biến khí CO2

Trong bối cảnh hiện nay, vấn đề chất lượng không khí, an toàn môi trường và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng đang trở thành tiêu chuẩn bắt buộc. Nồng độ khí CO2 (Carbon Dioxide) là một trong những chỉ số quan trọng nhất cần được giám sát thường xuyên bởi nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, sự vận hành của hệ thống HVAC, hiệu suất nhà kính, và an toàn trong các khu vực sản xuất kín.

Bài viết sau sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về cảm biến khí CO2, nguyên lý hoạt động, phân loại, ứng dụng thực tế, đồng thời đưa ra các tiêu chí lựa chọn cảm biến phù hợp với nhu cầu kỹ thuật và công nghiệp.

Tổng quan về cảm biến khí CO2

Cảm biến khí CO2 là gì?

Cảm biến khí CO2 (CO2 Sensor) là một thiết bị đo lường chuyên dụng, được thiết kế để phát hiện và định lượng nồng độ của khí Carbon Dioxide trong một môi trường không khí. Về bản chất, nó chuyển đổi thông tin về sự hiện diện và mật độ của các phân tử CO2 thành một tín hiệu điện tiêu chuẩn có thể đọc được.

Tín hiệu này, thường là dòng điện 4-20mA, điện áp 0-10V, hoặc tín hiệu số Modbus, sẽ được truyền đến các hệ thống hiển thị hoặc bộ điều khiển tự động, cho phép con người và máy móc có thể giám sát và phản ứng một cách kịp thời. Nồng độ CO2 thường được biểu thị bằng đơn vị PPM (Parts Per Million – Phần triệu), một đơn vị đo mật độ cho thấy có bao nhiêu phân tử CO2 trong một triệu phân tử không khí.

Tại sao chúng ta nên đo khí CO2?

Việc giám sát nồng độ khí CO₂ là vô cùng quan trọng, bởi khi hàm lượng của nó trong không khí trong nhà tăng cao, sẽ gây ra tình trạng khó chịu và có thể dẫn đến ngộ độc. Mức độ ảnh hưởng sẽ phụ thuộc vào nồng độ CO₂ cụ thể:

Bắt đầu từ mức 2,5%, cơ thể có thể chịu đựng trong vài giờ mà không có triệu chứng. Tuy nhiên, khi nồng độ tăng lên 3,0%, nhịp thở sẽ tăng lên một cách vô thức. Ở ngưỡng 4,0%, các dấu hiệu kích ứng tại chỗ sẽ xuất hiện.

Các mức độ nguy hiểm hơn bao gồm:

• 6,0%: Tăng thể tích hô hấp.
• 8,0%: Gây ra tình trạng khó thở.
• 10,0%: Có thể dẫn đến bất tỉnh và tử vong sớm.
• 20,0%: Mức độ cực kỳ nguy hiểm, gây tê liệt chỉ sau vài giây và làm tim ngừng đập.

Để so sánh, nồng độ CO₂ trong không khí trong lành chỉ chiếm 0,04%. Vì vậy, việc duy trì chất lượng không khí trong không gian kín không chỉ đảm bảo một môi trường sạch sẽ, an toàn mà còn giúp tối ưu hóa chi phí năng lượng.

Dưới đây là bảng tóm tắt về nồng độ khí CO₂ và các triệu chứng tương ứng.

Nồng độ	PPM	Triệu chứng
0.04% (Không khí trong lành)	400 ppm	Không có triệu chứng
2.50%	25,000 ppm	Không có triệu chứng trong vài giờ
3.00%	30,000 ppm	Tăng tần suất thở, dẫn đến bất tỉnh
4.00%	40,000 ppm	Xuất hiện các triệu chứng kích ứng tại chỗ
6.00%	60,000 ppm	Tăng thể tích hô hấp
8.00%	80,000 ppm	Khó thở
10.00%	100,000 ppm	Bất tỉnh, dẫn đến tử vong
20.00%	200,000 ppm	Bị tê liệt trong vài giây, tim ngừng đập

Phân loại cảm biến khí CO2 hiện nay

Để đáp ứng các nhu cầu đo lường đa dạng, nhiều công nghệ cảm biến CO2 khác nhau đã được phát triển. Mỗi công nghệ hoạt động dựa trên một nguyên lý riêng, quyết định đến độ chính xác, tuổi thọ và ứng dụng phù hợp của nó.

Cảm biến NDIR (Non-Dispersive Infrared)

Công nghệ hồng ngoại không phân tán (NDIR) được xem là tiêu chuẩn vàng trong lĩnh vực đo lường CO2 cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy cao như HVAC và giám sát chất lượng không khí trong nhà (IAQ).

Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên một đặc tính vật lý cố hữu: các phân tử CO2 hấp thụ rất mạnh ánh sáng hồng ngoại ở một bước sóng cụ thể là 4.26 micromet (μm). Cảm biến NDIR phát ra một chùm tia hồng ngoại đi qua một buồng chứa không khí, sau đó đo lường lượng ánh sáng bị hấp thụ tại bước sóng này. Do chỉ tập trung vào một bước sóng duy nhất, công nghệ này có độ chọn lọc rất cao, gần như không bị ảnh hưởng bởi các loại khí khác. Nhờ cấu trúc quang học và không có thành phần hóa học bị tiêu hao, cảm biến NDIR có độ ổn định lâu dài và tuổi thọ hoạt động rất cao, thường kéo dài trên 10-15 năm.

Cảm biến điện hóa (Electrochemical)

Cảm biến điện hóa hoạt động dựa trên một phản ứng hóa học xảy ra tại các điện cực khi chúng tiếp xúc với khí CO2. Phản ứng này tạo ra một dòng điện có cường độ tỷ lệ thuận với nồng độ CO2 trong không khí. Công nghệ này có đặc tính là độ nhạy cao, cho phép phát hiện được nồng độ CO2 ở mức thấp và tiêu thụ ít năng lượng, nên thường được ứng dụng trong các thiết bị đo cầm tay chạy bằng pin.

Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động dựa vào các chất hóa học (chất điện phân) có thể bị tiêu hao hoặc suy giảm theo thời gian, điều này giới hạn tuổi thọ của cảm biến trong khoảng vài năm và đòi hỏi phải hiệu chuẩn định kỳ để duy trì độ chính xác.

Cảm biến bán dẫn (Semiconductor / Metal-Oxide)

Công nghệ cảm biến bán dẫn oxit kim loại (MOS) sử dụng một màng vật liệu bán dẫn được nung nóng. Khi các phân tử khí trong không khí, bao gồm cả CO2 và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác (VOCs), bám vào bề mặt nóng này, chúng sẽ làm thay đổi độ dẫn điện của màng. Điểm đặc trưng của công nghệ này là nó không có tính chọn lọc cao và không thể phân biệt rạch ròi giữa CO2 và các khí khác.

Do đó, nó không đưa ra một giá trị đo CO2 thực tế mà là một giá trị CO2 tương đương (eCO2), thường được sử dụng như một chỉ báo chung về chất lượng không khí tổng thể thay vì một công cụ đo lường CO2 chính xác.

Cảm biến dẫn nhiệt (Thermal Conductivity)

Cảm biến dẫn nhiệt hoạt động dựa trên một nguyên tắc vật lý đơn giản: mỗi loại khí có một độ dẫn nhiệt khác nhau. Cảm biến sẽ đo lường sự thay đổi trong độ dẫn nhiệt của mẫu khí để xác định tỷ lệ CO2. Do sự khác biệt về độ dẫn nhiệt không quá lớn ở nồng độ thấp, công nghệ này chỉ thực sự hiệu quả khi đo nồng độ CO2 rất cao, thường là trên 10,000 PPM (tương đương 1%). Với cấu trúc đơn giản và độ bền cao, nó không phù hợp cho các ứng dụng đo chất lượng không khí thông thường nhưng lại là lựa chọn tốt cho các ứng dụng công nghiệp đặc thù.

Nguyên lí hoạt động của cảm biến khí CO2

Về cơ bản, mọi cảm biến CO2 đều hoạt động dựa trên việc đo lường một sự thay đổi có thể định lượng được trong môi trường khi có sự hiện diện của các phân tử CO2. Tùy thuộc vào công nghệ, sự thay đổi này có thể là vật lý hoặc hóa học. Sau khi ghi nhận sự thay đổi này, một mạch điện tử sẽ phân tích và chuyển đổi nó thành tín hiệu nồng độ tiêu chuẩn, thường là PPM (Phần triệu).

Để dễ hình dung, chúng ta có thể xem xét nguyên lý của công nghệ NDIR (Hồng ngoại không phân tán), vốn là công nghệ phổ biến và chính xác nhất hiện nay. Bên trong cảm biến có một nguồn phát ra chùm tia hồng ngoại và một đầu dò thu ánh sáng ở phía đối diện. Các phân tử CO2 trong không khí có một đặc tính vật lý đặc biệt là chúng hấp thụ rất mạnh ánh sáng hồng ngoại ở một bước sóng cụ thể (4.26 μm).

Quá trình hoạt động diễn ra như sau:

1. Nguồn phát sẽ chiếu một chùm tia hồng ngoại đi qua một buồng đo chứa không khí cần phân tích.
2. Khi các phân tử CO2 có mặt trong buồng, chúng sẽ hấp thụ một phần năng lượng từ chùm tia hồng ngoại ở đúng bước sóng đặc trưng của chúng. Nồng độ CO2 trong không khí càng cao, lượng ánh sáng hồng ngoại bị hấp thụ càng nhiều.
3. Đầu dò ở phía đối diện, được trang bị một kính lọc chuyên biệt, sẽ chỉ đo lường cường độ của chùm tia hồng ngoại còn lại sau khi đã bị các phân tử CO2 hấp thụ.
4. Cuối cùng, bộ vi xử lý của cảm biến sẽ so sánh cường độ ánh sáng mà đầu dò nhận được với cường độ ánh sáng ban đầu. Sự chênh lệch này cho phép nó tính toán chính xác nồng độ CO2. Lượng ánh sáng bị mất đi càng nhiều thì chứng tỏ nồng độ CO2 càng cao.

Trong khi đó, các công nghệ khác như cảm biến điện hóa lại hoạt động dựa trên một phản ứng hóa học trên bề mặt điện cực, tạo ra một dòng điện tỷ lệ với nồng độ CO2. Dù sử dụng phương pháp nào, mục tiêu cuối cùng vẫn không đổi: chuyển đổi một đặc tính của CO2 thành một tín hiệu điện mà các hệ thống điều khiển có thể hiểu và sử dụng.

Các ứng dụng thực tế của cảm biến khí CO2 hiện nay

Cảm biến CO2 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để cải thiện hiệu quả và chất lượng cuộc sống.

Trong việc kiểm soát môi trường

Các trạm quan trắc khí tượng và các nhà khoa học môi trường sử dụng cảm biến CO2 có độ chính xác cao để theo dõi sự thay đổi của nồng độ CO2 trong khí quyển, phục vụ cho các nghiên cứu về biến đổi khí hậu.

Trong hệ thống HVAC

Đây là ứng dụng cốt lõi để triển khai hệ thống thông gió điều khiển theo nhu cầu (DCV). Cảm biến CO2 được lắp trong phòng hoặc trong đường ống gió hồi để giám sát mật độ người. Dựa trên tín hiệu này, hệ thống BMS sẽ tự động điều khiển van gió tươi và quạt, chỉ cung cấp lượng không khí tươi cần thiết, qua đó vừa đảm bảo chất lượng không khí vừa tối ưu hóa chi phí năng lượng.

Giám sát chất lượng không khí trong nhà (IAQ)

Các thiết bị giám sát IAQ dành cho gia đình, văn phòng, trường học, bệnh viện thường tích hợp cảm biến CO2. Chúng giúp người dùng nhận thức được chất lượng không khí họ đang hít thở và cung cấp cảnh báo khi nồng độ CO2 tăng cao, khuyến khích họ mở cửa sổ hoặc bật hệ thống thông gió.

An toàn công nghiệp

Trong các ngành sử dụng CO2 với nồng độ cao như sản xuất bia, nước giải khát, hoặc trong các hầm lò, kho lạnh, cảm biến CO2 là một thiết bị an toàn sống còn. Chúng được kết nối với hệ thống báo động (còi, đèn) và hệ thống thông gió khẩn cấp để kích hoạt ngay lập tức khi có sự rò rỉ hoặc tích tụ CO2 đến ngưỡng nguy hiểm.

Trong nhà kính và nông nghiệp

Bằng cách sử dụng cảm biến CO2 để kiểm soát hệ thống châm CO2, các nhà kính công nghệ cao có thể duy trì nồng độ CO2 ở mức tối ưu (1000-1500 PPM), giúp thúc đẩy tốc độ tăng trưởng và tăng năng suất cây trồng lên đáng kể.

Những tiêu chí khi lựa chọn cảm biến CO2

Xác định mục đích sử dụng

Cảm biến CO₂ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Hệ thống HVAC: Giám sát chất lượng không khí trong các tòa nhà, văn phòng, trường học.
• Nhà kính nông nghiệp: Điều chỉnh nồng độ CO₂ để tối ưu hóa quá trình quang hợp của cây trồng.
• Chăn nuôi: Đảm bảo môi trường sống lành mạnh cho vật nuôi, tránh các bệnh liên quan đến hô hấp.
• Phòng thí nghiệm và nghiên cứu: Đo lường chính xác nồng độ CO₂ trong các thí nghiệm.
• Giáo dục STEM: Sử dụng trong các thí nghiệm khoa học để đo và phân tích khí CO₂.

Lựa chọn cảm biến dựa trên thông số kỹ thuật

• Dải đo (ppm): Chọn cảm biến có dải đo phù hợp với môi trường sử dụng. Ví dụ, trong phòng học hoặc văn phòng, dải đo từ 0–2000 ppm thường đủ. Trong khi đó, nhà kính nông nghiệp có thể cần dải đo lên đến 5000 ppm hoặc cao hơn.
• Độ chính xác: Đảm bảo cảm biến có độ chính xác cao để tránh sai lệch trong việc điều chỉnh hệ thống.
• Thời gian phản hồi: Cảm biến có thời gian phản hồi nhanh giúp phát hiện kịp thời sự thay đổi nồng độ CO₂.
• Đầu ra tín hiệu: Chọn loại tín hiệu phù hợp với hệ thống điều khiển của bạn, như RS485, 4–20mA, hoặc 0–10V.
• Khả năng chống nhiễu: Đặc biệt quan trọng trong môi trường công nghiệp, nơi có nhiều nguồn nhiễu điện từ.

Chọn loại cảm biến phù hợp với môi trường

• Trong nhà: Cảm biến treo tường với cấp bảo vệ IP65 là lựa chọn phổ biến.
• Ngoài trời: Cảm biến có vỏ chống thấm nước và bụi, phù hợp với điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
• Ứng dụng đặc biệt: Cảm biến có khả năng đo thêm nhiệt độ và độ ẩm, hoặc tích hợp màn hình hiển thị để dễ dàng quan sát.

Xem xét nhà cung cấp và hỗ trợ kỹ thuật

• Uy tín nhà cung cấp: Lựa chọn các nhà cung cấp có uy tín, cung cấp sản phẩm chính hãng và có chế độ bảo hành rõ ràng.
• Hỗ trợ kỹ thuật: Đảm bảo nhà cung cấp có đội ngũ hỗ trợ kỹ thuật sẵn sàng giúp đỡ khi cần thiết.
• Tài liệu hướng dẫn: Cung cấp đầy đủ tài liệu kỹ thuật và hướng dẫn lắp đặt, sử dụng.

Một số mẫu cảm biến CO2 phổ biến hiện nay

Sản phẩm	Dải đo CO₂	Đầu ra tín hiệu	Tính năng nổi bật	Ứng dụng
SCD.D51.MD (gắn ống gió)	0–2000 ppm, 0–5000 ppm, 0–10,000 ppm	4–20 mA, 0–10 V, Modbus RTU, LCD	Cảm biến NDIR không cần bảo trì, tuổi thọ 15 năm, tùy chọn đo nhiệt độ và độ ẩm	Hệ thống HVAC, tòa nhà thương mại, văn phòng, khách sạn
SCD.R51.MDRRB (gắn phòng)	0–2000 ppm, 0–5000 ppm, 0–10,000 ppm	4–20 mA, 0–10 V, Modbus RTU, LCD, 2xRelay, Buzzer	Cảm biến NDIR không cần bảo trì, tuổi thọ 15 năm, tùy chọn đo nhiệt độ và độ ẩm	Văn phòng, phòng họp, trung tâm hội nghị
Lefoo LFG201 (gắn tường)	0–5000 ppm	RS485	Thiết kế gắn tường, phù hợp cho hệ thống HVAC, tiết kiệm chi phí	Phòng học, văn phòng, nhà kính nông nghiệp
Lefoo LFG203 (trong nhà)	0–2000 ppm, 0–5000 ppm	4–20 mA, 0–10 V, RS485	Thiết kế gắn tường, phù hợp cho hệ thống HVAC, tiết kiệm chi phí	Phòng học, văn phòng, nhà kính nông nghiệp
Lefoo LFG202 (đường ống)	0–5000 ppm	4–20 mA, 0–10 V	Thiết kế gắn ống gió, phù hợp cho hệ thống HVAC	Hệ thống thông gió trong tòa nhà, văn phòng
UG-M-SENSE III (gắn ống gió)	0–5000 ppm	4–20 mA, 0–10 V	Kết hợp đo CO₂ và nhiệt độ, thiết kế gắn ống gió	Hệ thống HVAC, nhà kính nông nghiệp, phòng thí nghiệm
CDT Series (nhiều dải đo)	0–2000 ppm, 0–5000 ppm	4–20 mA, 0–10 V, RS485	Ứng dụng đa dạng trong các môi trường khác nhau	Nhà kính, phòng thí nghiệm, chăn nuôi

Mua cảm biến CO2 uy tín chính hãng ở đâu?

CÔNG TY TNHH TM&DV THIẾT BỊ ĐIỆN MẠNH TÙNG là đại lý ủy quyền tại Việt Nam, cung cấp cảm biến khí CO2 chính hãng. Tất cả sản phẩm đều đi kèm chứng nhận CO, CQ, giá cạnh tranh và hỗ trợ kỹ thuật từ đội ngũ hơn 10 năm kinh nghiệm. Liên hệ ngay để nhận báo giá và tư vấn miễn phí.

Lời kết

Cảm biến CO2 đã và đang chuyển mình từ một thiết bị chuyên dụng thành một thành phần không thể thiếu trong nỗ lực xây dựng các không gian sống và làm việc thông minh, lành mạnh và bền vững. Nó không chỉ đơn thuần là một thiết bị đo lường, mà là một công cụ mạnh mẽ giúp chúng ta lượng hóa và kiểm soát một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày. Việc đầu tư vào một hệ thống giám sát CO2 chính xác là một khoản đầu tư trực tiếp vào sức khỏe con người, hiệu quả vận hành và sự an toàn của môi trường.

Xem thêm các bài viết liên quan:

Cảm biến là gì? Phân loại các dòng cảm biến

Cảm biến áp suất là gì? Phân loại cảm biến áp suất

Top 5 cảm biến áp suất được mua nhiều nhất

Cảm biến nhiệt độ: Nguyên lý hoạt động và ứng dụng trong công nghiệp

Các ứng dụng đa dạng của cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp tự động hoá

---

Cảm ơn quý khách đã truy cập vào website MTEE.VN. Kính chúc quý khách nhận được những thông tin hữu ích và có những trải nghiệm tuyệt vời trên trang.