Os desafios da detecção de CO2

Os benefícios do ar puro para a saúde são irrefutáveis, e a ausência dele afeta a nossa saúde e a capacidade de concentração. Infelizmente, neste mundo agitado, poucas pessoas conseguem passar tanto tempo ao ar livre quanto gostariam. Em média, passamos até 90% da vida em ambientes fechados e, na maior parte desse tempo, ficamos em casa. Apesar de sairmos de casa regularmente, grande parte do tempo que passamos fora de casa é em outro local fechado, como um escritório, restaurante ou loja. Isso mostra claramente a importância da alta qualidade do ar interno e do monitoramento adequado dos níveis de CO₂ especialmente em locais com muita gente.

Embora altos níveis de CO₂ e a má qualidade do ar não sejam sinônimos, concentrações elevadas de CO₂ podem ser uma boa indicação de que o ambiente precisa de ventilação adicional. Além disso, um aumento nos níveis de CO₂ geralmente vem acompanhado de um aumento nas concentrações de compostos orgânicos voláteis (VOC), pois ambos são emitidos por seres humanos. É de conhecimento geral que o ar ruim, especialmente o alto teor de VOCs, pode ser prejudicial à saúde e aumentar o risco de transmissão de vírus aerotransportados, como o SARS-CoV-2. Além disso, a ausência de ar puro também afeta imensamente a produtividade e a capacidade de concentração, uma afirmação que é apoiada por vários estudos.

Os extremos nunca são bons, e isso também se aplica à ventilação. Os sistemas AVAC que funcionam constantemente na capacidade máxima causarão um alto consumo de energia e, consequentemente, contas de luz exorbitantes, especialmente durante períodos muito quentes ou frios. Portanto, não é surpresa que a ventilação controlada por demanda seja considerada atualmente como o padrão ouro para sistemas AVAC, e a concentração de CO₂ é frequentemente utilizada como um parâmetro de controle, pois está estreitamente relacionada à qualidade do ar. Essa aplicação depende de sensores que oferecem informações exatas sobre os níveis de CO₂ que ativam o sistema ao alcançar um limite especificado. Embora as normas de conforto variem em todo o mundo, há um consenso de que os níveis de CO₂ devem sempre permanecer inferiores a 1000 ppm e não exceder 1500 ppm por longos períodos. Um bom compromisso é medir e ajustar os níveis de CO₂ a cada 30 segundos, o que mantém o ar puro e as contas de energia baixas.

O design comum de sensor de CO₂ é composto por uma fonte de luz e dois detectores (Imagem 1). À medida que a luz passa pela câmara de medição, preenchida com ar ambiente interno, ela é absorvida pelas moléculas presentes. Um detector tem um filtro com uma janela de cerca de 4,3 µm, que corresponde a um pico nos espectros de absorção de CO₂, o que significa que ele registra apenas a extinção da luz devido à presença de moléculas de CO₂. Por outro lado, o detector de referência mede a intensidade da luz não filtrada, possibilitando a determinação do nível de CO₂ ao comparar as duas medições. O design de sensor duplo também ajuda a combater a queda da intensidade da luz causada pela degradação da fonte de luz ou por pequenas partículas de poeira. Para aumentar ainda mais a robustez dos sensores, eles devem ser equipados com uma tampa antipoeira que impeça a interferência de partículas nos detectores.

Embora a abordagem de canal duplo seja considerada exata, ela sozinha não pode garantir medições estáveis no longo prazo, pois a linha de base pode começar a se desviar com o tempo devido ao envelhecimento dos componentes do sensor. Isso pode ser reparado por meio da correção automática da linha de base (ABC), que acompanha constantemente a leitura mais baixa dos sensores e corrige qualquer desvio detectado. Essa abordagem funciona bem em edifícios que ficam desocupados por longos períodos, como escritórios que ficam fechados durante o fim de semana. Entretanto, esse desvio não é tão fácil de identificar e solucionar em locais ocupados 24 horas por dia, 7 dias por semana, como salas de emergência em hospitais, centros de logística ou fábricas. Portanto, é fundamental usar sensores eficientes que ofereçam medições exatas em longo prazo, sem a necessidade de calibração constante, o que permite que sejam utilizados em todas as aplicações, independentemente dos padrões de ocupação.

Um sensor de ambiente precisa ter a capacidade de medir corretamente os níveis de CO₂ em qualquer condição, o que significa que precisa ter uma resistência satisfatória a mudanças graduais e graves de pressão, temperatura e umidade. As diferenças de pressão em diferentes altitudes também precisam ser consideradas, pois até uma elevação de 400 m acima do nível do mar resulta em um deslocamento de 70 ppm na concentração medida de CO₂. Considerando que algumas agências reguladoras – por exemplo, diversos governos estaduais nos EUA – permitem apenas uma tolerância de ±75 ppm, praticamente não há uma margem de erro. Qualquer sensor de CO₂ de alto desempenho deve, portanto, incluir uma compensação de pressão absoluta (Imagem 2)

É necessário realizar testes prolongados para garantir que o sensor tem a capacidade de funcionar em várias condições, de forma a garantir a estabilidade e o funcionamento no longo prazo. Desta forma, os sensores devem ser testados por um período prolongado, ao longo de diversas semanas, considerando todas as condições climáticas possíveis e concentrando-se naquelas que reconhecidamente causam muito estresse no dispositivo. Por exemplo, o desempenho de calor úmido sem condensação pode ser testado a 95% de umidade relativa e a 35 °C para garantir que o sensor demonstre resistência à corrosão e consiga manter o desempenho. Por outro lado, as medições de calor seco devem ser realizadas em temperaturas mais altas, de 60 a 70 °C, para confirmar que não há desvios devido à diferença nos coeficientes de expansão dos materiais. Como os gradientes de temperatura interna também podem influenciar o desempenho geral do dispositivo, os elementos do sensor devem ser construídos de forma a minimizar o autoaquecimento.