Kohlenmonoxid-Detektor

Hintergrund

Ein Kohlenmonoxidmelder ist ein elektronisches Gerät, das das Vorhandensein von Kohlenmonoxid (CO) in einem Gebäude erkennt und einen Alarm auslöst, um die Bewohner vor der Flucht zu warnen. Kohlenmonoxid ist ein geruchloses, giftiges Gas, das von Gasöfen und Warmwasserbereitern, Herden, Raumheizungen oder Holzöfen erzeugt werden kann, wenn diese nicht richtig funktionieren oder nicht richtig entlüftet werden. Auch Autos, tragbare Generatoren und gasbetriebene Gartengeräte erzeugen Kohlenmonoxid und können Probleme verursachen, wenn sie in geschlossenen Räumen oder angeschlossenen Garagen betrieben werden. Einmal eingeatmet, hemmt Kohlenmonoxid die Fähigkeit des Blutes, Sauerstoff zu transportieren, indem es den Sauerstoff in den roten Blutkörperchen ersetzt und verhindert, dass die Sauerstoffzufuhr die Organe im Körper erreicht. Dieser Sauerstoffmangel kann je nach Exposition unterschiedlich große Schäden verursachen. Eine geringe Exposition kann grippeähnliche Symptome wie Kurzatmigkeit, leichte Kopfschmerzen, Müdigkeit und Übelkeit verursachen. Eine höhere Exposition kann zu Schwindel, geistiger Verwirrung, starken Kopfschmerzen, Übelkeit und Ohnmacht führen. Eine längere Exposition mit hohen Konzentrationen kann zum Tod führen. Nach Angaben der US-amerikanischen Consumer Product Safety Commission werden in den nächsten 10 Jahren mehr als 2.500 Menschen durch Kohlenmonoxid sterben und 100.000 werden schwer verletzt.

Die Technologie zum Nachweis von Kohlenmonoxid wurde ursprünglich für industrielle Anwendungen entwickelt. Die chemische Industrie verwendet beispielsweise eine Reihe von elektronischen Gassensoren für analytische Anwendungen. Frühe industrielle Sensoren beinhalteten einen Doppelkammersensor, der Kohlenmonoxid oxidierte und die Oxidationswärme von der Testkammer mit einer Referenzkammer verglich. Diese Art der Oxidation erfordert einen speziellen Platinoxid-Katalysator und eine Wärmequelle, um das Kohlenmonoxid zu verbrennen. Diese Systeme waren aufgrund ihrer Komplexität des Betriebs, ihrer Kosten und ihres Mangels an Empfindlichkeit für den Heimgebrauch nicht akzeptabel. In den letzten zehn Jahren wurden jedoch Kohlenmonoxid-Detektoren für den Heimgebrauch durch Verbesserungen in der fortschrittlichen Gassensortechnologie möglich. Auch andere Schlüsselfaktoren haben zur zunehmenden Popularität von CO-Detektoren beigetragen. Einer davon ist die zunehmende Verwendung anderer Haushaltssicherheitsgeräte wie Rauchmelder. Ein anderer ist das gestiegene Bewusstsein für die Gefahren von Kohlenmonoxid. Heute sind relativ preiswerte CO-Detektoren für nur 30 bis 80 US-Dollar erhältlich. Tatsächlich verlangen viele Städte jetzt, dass in jedem Haus, jeder Wohnung und jedem Hotel mindestens ein Rauchmelder installiert wird.

Design

Der wichtigste Konstruktionsfaktor für einen CO-Melder ist die Art des verwendeten Sensors. Hausmelder können mit mehreren unterschiedlichen Arten von Sensoren ausgestattet sein. Der einfachste Typ ist als Erkennungskarte bekannt. Dies sind Faserplattenkarten, die mit einem Punkt bedruckt sind, der die Farbe chemisch ändert, wenn er Kohlenmonoxid ausgesetzt wird. Dieser Detektortyp gibt keinen Alarm aus und erfordert regelmäßige Kontrollen, um festzustellen, ob er Kohlenmonoxid ausgesetzt war. Obwohl sie kostengünstig sind (4-$ 18), bieten sie keinen ausreichenden Schutz, um als primärer Detektor verwendet zu werden. Der biomimetische Gelsensor ist eine anspruchsvollere Technologie, die die Reaktion des Körpers auf Kohlenmonoxid nachahmt, indem er kontinuierlich Gas absorbiert. Da dieser Sensortyp jedoch ständig Kohlenmonoxid aufnimmt, kann er sich nicht richtig auf Null zurücksetzen und ist daher anfälliger für Fehlalarme. Darüber hinaus kann es bis zu 48 Stunden dauern, bis der biomimetische Gelsensor nach der Exposition zurückgesetzt wird, während die Bewohner des Hauses während dieser Zeit ungeschützt sind. Metalloxid-Sensoren sind genauer und werden häufig in Heimmodellen verwendet. Diese Art von Sensor verwendet Festkörper-Zinndioxid-Kreise, die schnell reinigen und die Luft kontinuierlich auf das Vorhandensein von Kohlenmonoxid überwachen. Mit dieser Technologie gebaute Detektoren können die CO-Konzentration als digitale Anzeige anzeigen. Wenn ein bestimmter CO-Wert erreicht wird, schlägt der Detektor Alarm. Diese Detektoren haben jedoch eine begrenzte Selbstdiagnosefähigkeit, um die Effizienz oder den Arbeitszustand des Sensors zu bestimmen. Darüber hinaus können sie empfindlich auf andere Gase als Kohlenmonoxid reagieren, die im Haushalt vorkommen, wie beispielsweise Haarspray-Treibmittel. Schließlich kann die Genauigkeit dieses Sensortyps nach sechsmonatiger Nutzung um bis zu 40 % abweichen. Ein anderer Sensortyp, der von bestimmten Herstellern verwendet wird, ist die elektrochemische Sensortechnologie Instant Detection and Response (IDR), von der behauptet wird, dass sie die effektivste Erkennungsmethode ist. Die IDR-Technologie wird als Industriestandard für professionelle Sensorausrüstung verwendet und erkennt sofort das Vorhandensein von Kohlenmonoxid. Mit dieser Technologie gebaute Detektoren reagieren nicht auf andere Gase und sind auf plus oder minus 3% genau.

Ein weiterer wichtiger Konstruktionsfaktor ist die Art der Stromquelle für den Detektor. Es sind sowohl batteriebetriebene als auch wechselstrombetriebene Detektoren erhältlich. Batteriebetriebene Detektoren sind einfach zu installieren, leicht zu bewegen und bleiben auch bei Stromausfällen in Betrieb, wenn Notheizsysteme in Betrieb sind. Batterien müssen jedoch mindestens alle zwei Jahre ausgetauscht werden. Andererseits erfordern wechselstrombetriebene Plug-in-Detektoren keinen Batteriewechsel. Diese elektrisch betriebenen Einheiten sind in der Lage, einen falschen Messwert innerhalb von Minuten zu löschen. Gegen einen etwas höheren Preis sind auch steckbare Detektoren mit Batteriepufferung erhältlich. Neben Akku- und Plug-in-Modellen sind einige Modelle erhältlich, die fest verdrahtet werden können. Bei dieser Ausführung können mehrere Detektoren miteinander verkabelt werden, sodass sie alle einen Alarm auslösen, wenn von einem der Detektoren Kohlenmonoxid erkannt wird.

Komponenten

Kohlenmonoxiddetektoren bestehen aus den folgenden Komponenten:einem Sensor, der die Konzentration des Gases messen und ein Signal senden kann, wenn die Kohlenmonoxidkonzentration vorbestimmte Werte erreicht; einen Mikroprozessor, der elektrische Signale vom Sensor empfangen und Signale an das Alarmhorn und die Steuertafel senden kann; eine visuelle Anzeige (normalerweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD)), die den CO-Gehalt und andere Betriebsinformationen übermittelt; eine Alarmschaltung, die einen Ton erzeugen kann, der laut genug ist, um Personen zu wecken, die in Bereichen neben dem Detektor schlafen; einen Stromanschluss (entweder ein Wechselstromstecker, ein Batterieanschluss oder beides); eine Leiterplatte, die als Basis für die elektronischen Komponenten dient; und ein Kunststoffgehäuse, das alle Komponenten zusammenhält.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Herstellung eines Kohlenmonoxid-Detektors umfasst drei Hauptschritte. Der erste Schritt ist die Fertigung der einzelnen elektronischen Bauteile und deren Befestigung auf der Leiterplatte. Der zweite ist die Herstellung des Kunststoffgehäuses. Der dritte Schritt umfasst die Montage aller Komponenten, Tests zur Bestätigung der Leistung und die Verpackung für den Versand.

Komponentenkonstruktion

• 1 Die Leiterplatte wird nach schematischen Plänen durch Plattieren (oder Hinzufügen) von Kupfer auf die Oberfläche des Substrats im gewünschten Muster zusammengebaut. Die verschiedenen Dioden und Schaltungskomponenten werden in Löcher in der Platine eingesetzt und verlötet. Die wichtigsten Detektorkomponenten wie die Sensorkammer, das Alarmhorn und das LCD-Anzeigefeld werden normalerweise von Unternehmen, die sich auf elektronische Komponenten spezialisiert haben, separat hergestellt. Diese werden oft vom Rauchmelderhersteller gekauft.

Herstellung von Kunststoffgehäusen

• 2 Das Kunststoffgehäuse wird durch ein Spritzgussverfahren hergestellt, bei dem Kunststoffharz und andere Additive miteinander vermischt, geschmolzen und in eine zweiteilige Form gespritzt werden Die Herstellung von ein Der Kohlenmonoxid-Detektor umfasst drei Hauptschritte. Der erste Schritt ist die Fertigung der einzelnen elektronischen Bauteile und deren Befestigung auf der Leiterplatte. Der zweite ist die Herstellung des Kunststoffgehäuses. Der dritte Schritt umfasst die Montage aller Komponenten, Tests zur Bestätigung der Leistung und die Verpackung für den Versand. unter Druck. Nach dem Abkühlen des Kunststoffs wird das Werkzeug geöffnet und das Kunststoffgehäuse ausgeworfen. Die Teile müssen möglicherweise manuell gebürstet werden, um kleine Unvollkommenheiten oder Grate im Kunststoff zu glätten.

Endmontage und Verpackung

• 3 Die Platine wird in das Gehäuse eingebaut und entsprechende Verbindungen hergestellt. Ein Testknopf wird installiert, eine Montagehalterung wird hinzugefügt und eine Abdeckung wird angebracht, um die Montage abzuschließen. Die entsprechenden Kennzeichnungs- und Warnschilder werden mit Haftkleber angebracht. Eine repräsentative Anzahl von Einheiten wird vor dem Verpacken einer Leistungsprüfung unterzogen. Schließlich werden die Einheiten verpackt und an Händler versandt.

Qualitätskontrolle

Das wichtigste Qualitätskontrollmerkmal bei der Herstellung von CO-Detektoren ist die Kalibrierung des Sensors. Die höherwertigen CO-Detektoren sind echte Gasmonitore, die kontinuierlich die lokale CO-Konzentration im Vergleich zu einem internen Standard messen. Dieser Kalibrierungsprozess ermöglicht es den Sensoren, zwischen einem normalen CO-Hintergrundniveau und einer gefährlich hohen Konzentration zu unterscheiden. Unter normalen Bedingungen kann ein akzeptabler Hintergrundwert 25-35 Teile pro Million (ppm) betragen. Eine schädliche Exposition kann die Folge sein, wenn die Konzentration den Bereich von 75-100 ppm erreicht. Die Standards des Underwriter Laboratory für CO-Detektoren verlangen, dass sie innerhalb von 90 Minuten nach Exposition gegenüber 100 ppm CO einen Alarm auslösen; innerhalb von 35 Minuten bei Exposition gegenüber 200 ppm; und innerhalb von 15 Minuten bei 400 ppm ausgesetzt. Frühe CO-Detektoren mussten manuell kalibriert werden, indem das Instrument in eine Umgebung mit bekannter CO-Konzentration gebracht und die Ergebnisse gemessen wurden. Dieses Verfahren war jedoch teuer und zeitaufwendig und wurde daher nur für teure Industrieanlagen verwendet. Mit der zunehmenden Popularität von Heimgeräten waren effizientere Kalibrierungsmethoden erforderlich. Hochwertige moderne Detektoren sind mit internen Kalibrierungsfunktionen ausgestattet, die regelmäßig Diagnosetests auf niedrigem Niveau der Gasemissionen durchführen können, um die Genauigkeit und den Betriebszustand des Sensors zu bestätigen. Stellt der Melder ein Problem mit dem Sensor fest, gibt er ein spezielles Tonmuster aus, um die Insassen auf einen defekten Sensor aufmerksam zu machen. Darüber hinaus ist jeder Melder mit einer Testtaste ausgestattet, um eine manuelle Auswertung des Alarmkreises zu ermöglichen.

Das Underwriters Laboratory (UL) hat Qualitätsstandards herausgegeben, die von der CO-Detektorindustrie übernommen wurden. Ab dem 1. Oktober 1995 sollte ein Melder die Nummer „UL 2034“ tragen, wenn er den aktuellen Sicherheits- und Qualitätsstandards entspricht.

Die Zukunft

Die Zukunft von Kohlenmonoxid-Detektoren entwickelt sich ständig weiter, da Verbesserungen in der Gasmesselektronik vorgenommen werden. Die zuvor beschriebene IDR-Technologie ist ein Beispiel für diese Spitzentechnologie. Zukünftige Detektoren werden auch ähnlich fortschrittliche Funktionen enthalten. Erhöhte Steuerbarkeit durch computergesteuerte Schnittstellen wird zukünftige Geräte benutzerfreundlicher machen. Diese bieten Verbrauchernutzen in den kombinierten Sicherheitseinrichtungen. Beispielsweise können künftige Generationen computergesteuerter Detektoren mit Haushaltsgeräten verbunden werden, die am ehesten Kohlenmonoxid erzeugen, wie beispielsweise Gasöfen oder Warmwasserbereiter. Wenn das Gerät einen unzulässig hohen CO-Gehalt erkennt, sendet es ein Signal an das Gerät, um den Verbrennungsprozess zu beenden und den Gasfluss zu unterbrechen, damit kein Kohlenmonoxid mehr freigesetzt wird. Wenn neue Modelle mit verbesserter Empfindlichkeit und anderen Mehrwertfunktionen verfügbar sind, werden CO-Melder noch benutzerfreundlicher und als lebensrettende Geräte noch nützlicher.