Art-of-Electronics

Wer das Raumklima verbessern möchte, wird Lufttemperatur, relative Luftfeuchte und CO₂-Werte erfassen wollen. Darüber hinaus können tVOC-Werte und Feinstaub interessant sein, in kritischen Umgebungen (z.B. im Hausanschlussraum) wird man noch Gassensoren, Wasserlecksensoren etc. platzieren.

Hier interessiert uns der Vergleich zwischen zwei CO₂-Sensortypen:
– NDIR: CO₂ wird mit einem Infrarotlaser und einer lichtempfindlichen Diode gemessen
– MOX: Der elektrische Widerstand eines Metalloxids wird gemessen und daraus Werte für mehrere Gaskonzentrationen errechnet, u.a. für CO₂.

Da das Netz von Beschreibungen der beiden Verfahren voll ist, verweise ich auf diese.

Der NDIR-Sensor misst die Menge CO₂ in seiner Umgebungsluft recht genau und dauerhaft stabil. Der hier verwendete MH-Z19B verlangt 1x pro Monat ein Freiluftbad für ca. 45 Minuten und durchläuft in dieser Zeit einen Kalibrierzyklus.

MOX-Sensoren gibt es in vielen Versionen, auch für den professionellen Einsatz. Für meinen Vergleich habe ich jeweils drei Sensoren des Typs CCS811 und des neueren Typs ENS160 eingekauft und mit dem MH-Z19B verglichen.

Der Versuchsaufbau

Jeder MOX-Sensor bekam nach Herstellerempfehlung einen Standard-Sketch mit eine Datenübergabe an eine Datensammelplattform spendiert.

Zunächst durften alle Sensoren – auch der NDIR-Sensor als Referenz – eine ausgiebige Frischluftdusche geniessen. Die MOX-Sensoren brauchen typisch bis zu 48h „Einbrennzeit“. Da MOX-Sensoren beheizt sind, verflüchtigen sich in dieser Zeit viele möglichen Rückstände aus der Fertigung, so dass sie die Messung des Gasgemisches nicht mehr stören.

Damit sind wir bereits bei der Archillesferse sämtlicher MOX-Sensoren: Sie messen gar keine einzelnen Gaskonzentrationen. Es wird der elektrische Widerstand der beheizten MOX-Bahn gemessen und daraus werden mit einem – eher kryptischen – Algorithmus, Gaskonzentrationen „errechnet“. Die Informationen, die man zu diesem Vorgang im Netz findet, haben für mich etwas von Alchemie … sorry to say. „Reine Wissenschaft“ – finde ich – ist das eher nicht.

Immerhin weisen die Hersteller darauf hin, dass ihre Werte eCO2-Werte (equivalent CO2) und etVOC (equivalent total volatile) sind. Sie beanspruchen also nicht, das reine CO₂ zu erfassen.

Nun sind alle Sensoren frisch geduscht und werden – ohne die Stromzufuhr zu unterbrechen, weil sie sich sonst automatisch neu kalibrieren würden – in den Innenraum geholt. Dort werden sie über Tage der Raumluft mit sich ändernden CO₂-Konzentrationen ausgesetzt.

Was kommt dabei heraus? Im Grunde ähneln sich alle Versuchsreihen ganz stark. Hier typische Ergebnisse in einer Zusammenschau:

Ergebnisse und Überlegungen dazu

Der niedrigste mögliche Messwert sind 400 ppm CO₂. Das ist die Konzentration in der Außenluft. In unserer Beispielgrafik sehen wir die Entwicklung der Werte unserer drei Sensoren über 24 h:

– Orange: NDIR-Sensor MH-Z19B als Referenz
– Grün: ENS160
– Blau: CCS811

Man sieht, dass über Nacht die Konzentration nach und nach Richtung 400 ppm geht. Die beiden MOX-Sensoren machen dabei nicht so richtig mit: Deren Werte steigen bis auf 750 ppm an. Warum? Das ist vermutlich im Algorithmus begründet.

Gegen 10 Uhr hat sich in der Raumluft wieder mehr CO₂ angesammelt, die Werte steigen beim NDIR-Sensor Richtung 500 ppm, während der ENS160 stark einbricht, der CCS811 sogar auf 400 ppm geht. NEIN: Alle drei Sensoren teilen sich eine Stromversorgung. Sie wurde nicht ausgeschaltet! Es wurde auch nicht gelüftet.

Nun folgt eine „Kapriole“ des CCS811, über die man auch überall im Netz Kommentare und Berichte findet: Ab und zu laufen beim CCS811 die Werte davon. Das hat anscheinend etwas mit der Firmware zu tun. Man versucht das wohl in den Griff zu bekommen (Firmwarestand bei meinem CCS811 war 5.4.6. Das verstehe ich als Version, an der schon viel gearbeitet wurde).

Ich habe dann mit Lüften versucht, den CCS811 gegen 17.00 Uhr ein wenig zu „provozieren“. Er hat das mit einem kurzen Sprung auf 400 ppm und einem folgenden Salto auf fast 1.600 ppm quittiert. Auch hier wieder: Leider nicht nachvollziehbar.

Der ENS160 lief zwar auch ein Stück weit in die falsche Richtung, folgte aber in der Tendenz ziemlich gut dem Referenzsensor. Sprünge sind nicht zu sehen.

Fazit

Mir scheint, dass sich die rund 25€ für einen NDIR-Sensor lohnen. Rumors im Netz berichten von Fake-Angeboten aus dem fernen Osten, z.B. für ein paar €uro. Davon halte ich mich fern! Ich berichte später von meinen Erfahrungen bei MOX-Sensoren.

Bei den MOX-Sensoren habe ich den Eindruck, dass der ENS160 für Anwendungen, bei denen es nicht auf genaue Messung ankommt, sondern auf die Erfassung“der Luftqualität, wohl einsatzbar ist. Er liefert zusammen mit dem tVOC-Wert, den beide Sensoren liefern, eine Beurteilung der Luftqualität, den AQI (air quality index). Manche Projekte setzen den ENS160 dafür ein, Lüftungen ein zu schalten, wenn es nötig scheint und ähnlich gelagerte Aufgaben zu übernehmen. Das erscheint plausibel.

Der CCS811 scheint ähnlich einsetzbar, wie der ENS160, doch die „Aussetzer“ sind irritierend. Wäre das nur bei meinen drei Sensoren auffällig gewesen, hätte ich an ein Problem der Produktcharge gedacht. Da man so viele Hinweise auf plötzliche, starke Abweichungen der Messungen findet, habe ich dazu keine abschließende Meinung. Vielleicht bringt eine neue Firmwareversion die Lösung und beide Sensoren verhalten sich dann sehr ähnlich. Aktuell scheint das nicht der Fall zu sein.

Ein Hinweis noch: Alle Werte der MOX-Sensoren werden für 25°C / 50% Luftfeuchte gerechnet. Man kann Korrekturwerte an die Sensoren geben, wenn die Umgebungswerte abweichen. Mein ENS160 bringt sogar on Board einen AHT21 Sensor für Temperatur und Luftfeuchte mit, den ich als hochwertig kenne.

Um vergleichbare Bedingungen für beide Sensoren zu haben, wurde diese Funktion hier nicht genutzt.

Epilog: Ein Einkauf in China

Bislang war ich nicht bereit, direkt in China ein zu kaufen. Nachdem mich Freunde aus dem Repaircafé und Funkamateure lang genug bearbeitet hatten, habe ich drei ENS160-Sensoren direkt dort eingekauft. Für lausige 8,64 € (alle drei Stück) incl. Versand. Kann man für dieses Geld etwas Brauchbares erstehen?

Die drei Boards kamen. Alles sah erst mal gut aus. Ich habe sofort bei allen drei Boards die Steckerleisten angelötet und getestet. Keines der Board funktionierte!

Da ich für die Arbeit mit SMDs ausgerüstet bin, habe ich ein Board nach dem anderen unter das Lötmikroskop gelegt und die Stromversorgungpfade verfolgt. Bei einem BGA-Chip kann man das aber vergessen, da liegen die Lötpunkte unter dem Chip.

Bei einem Board fand ich eine Unterbrechung nach einem Spannungsregler. Erfreulich, dass die Dinger auch als SMD noch zu erkennen sind. Tatsächlich: Dieses Board konnte ich mit einem Stückchen Draht reparieren. Bei den anderen Boards habe ich einen ähnlichen Fehler gesucht … ohne Erfolg. Endkontrolle war wohl keine in China?

Die Rückgabe in Alibabas Reich war kein Problem und die Erstattung kam prompt. Ich habe mir in D zwei neue Boards eingekauft – beide funktionieren.

Und die Moral von der Geschichte? Willst du wenig Geld ausgeben, zahlst du womöglich mit deiner Zeit und Frust den Preis, der ach, ach so günstig schien …