Ein Luftqualitätssensor misst selten genau das, was sein Name verspricht. Ein handelsüblicher VOC-Sensor gibt einen Kohlendioxidwert aus, den er nie direkt gemessen hat: Er leitet ihn aus den Gasen ab, auf die ein beheizter Film reagiert, und dieser Wert driftet, wenn der Film altert. Zu wissen, welche Sensoren ihr Messziel direkt erfassen und welche einen kalibrierten Schätzwert liefern, ist die erste Frage, die zu klären ist, denn beide verhalten sich im Feldbetrieb nach einiger Zeit grundlegend verschieden.

Die Einteilung ist klar. Temperatur und Luftfeuchte werden direkt und zuverlässig von ausgereiften Bauelementen gemessen, die kaum mehr als eine vernünftige Platzierung verlangen. Echtes Kohlendioxid erfordert eine optische Messung. Partikel brauchen einen Laser und einen Lüfter. Die Gase hinter dem Begriff Luftqualität, also flüchtige organische Verbindungen, sind die eigentliche Herausforderung: Sie werden über einen beheizten Metalloxidfilm erfasst, dessen Widerstand sich mit allem ändert, worauf er reagiert, was kostengünstig und empfindlich ist, aber nie vollständig selektiv oder stabil. Die Preisskala folgt derselben Richtung: Ein Feuchtesensor kostet wenig, ein Metalloxidfilm etwas mehr, und eine echte optische Messung schlägt mit den Kosten für die Lichtquelle und den notwendigen Luftstrom zu Buche.

Temperatur und Luftfeuchte, direkt gemessen

Der einfachste Bereich ist Temperatur und Luftfeuchte, wo die Bauteile ausgereift, präzise und nahezu plug-and-play sind. Ein kapazitives Feuchteelement und ein Temperatursensor teilen sich ein Gehäuse und berichten beide Messwerte über I²C, ab Werk kalibriert, sodass ein Design das Bauteil einsetzt und ihm auf wenige Prozent relative Luftfeuchte genau vertrauen kann. Die Tücken liegen in Platzierung und Kondensation, nicht im Bauteil selbst: Eigenwärme eines benachbarten Chips verfälscht den Messwert in Richtung warm und trocken, und ein Sensor, der nass wird, zeigt Sättigung, bis er wieder ausgetrocknet ist.

Der SHT31-DIS misst Temperatur und Luftfeuchte mit hoher Genauigkeit, ein Sensirion-Bauteil, das sich als Referenz für diese Aufgabe etabliert hat, gut für wenige Zehntel Grad und einige Prozent Luftfeuchte ohne bauteilindividuelle Kalibrierung. Er trägt einen kleinen Heizer an Bord, was in einem Temperatursensor zunächst seltsam erscheint, bis der Anwendungsfall klar wird: Das Pulsen des Heizers treibt Kondensation ab, die andernfalls den Feuchtewert bei Sättigung fixieren würde, sodass sich das Bauteil nach einer Feuchtigkeitsphase selbst erholt statt blind zu bleiben. Er kommuniziert über I²C mit einer von zwei Adressen und sichert jeden Messwert mit einem CRC-Byte ab, sodass ein beschädigter Wert sich selbst meldet, anstatt als gültige Messgröße durchzugehen, und er beantwortet einen Messbefehl in etwa fünfzehn Millisekunden, ohne den Bus während der Wandlung zu blockieren. Wer einen verlässlichen Messwert benötigt und bereit ist, dafür etwas mehr zu bezahlen, greift zu diesem Bauteil.

Der SHT40 misst Temperatur und Luftfeuchte bei niedrigem Stromverbrauch, die Antwort desselben Herstellers für Batteriegeräte, der Onboard-Heizer und ein Teil der Konfigurierbarkeit weichen einem kleineren, kostengünstigeren Bauteil mit geringem Stromhunger. Er eignet sich für einen drahtlosen Sensorknoten, der Bedingungen jahrelang auf einer Zelle protokolliert, wo einzelne Kondensationsereignisse weniger zählen als der durchschnittliche Verbrauch über all diese Jahre. Eine einzelne Wandlung zieht nach Abschluss im Bereich eines Mikroampere, und das Bauteil geht zwischen den Messungen in den Ruhezustand, was einer Knopfzelle jahrelangen Betrieb ermöglicht, wo ein gesprächigerer Sensor dieselbe Zelle in Monaten entleeren würde. Die Wahl zwischen ihm und dem SHT31 hängt davon ab, ob das Design den Heizer und die engere Spezifikation benötigt oder den niedrigeren Verbrauch und den niedrigeren Preis.

Der HDC2080 misst Temperatur und Luftfeuchte in einem vernetzten Gerät, ein Texas-Instruments-Bauteil mit geringem Verbrauch und einem eingebauten Interrupt, der den Host nur weckt, wenn ein programmierter Schwellwert überschritten wird, was für einen Smart-Home-Knoten geeignet ist, der eine Änderung meldet statt kontinuierlich zu streamen. Er trägt ebenfalls einen Heizer aus dem bereits genannten Kondensationsgrund, und sein geringer Durchschnittstrom passt zu einem Design, in dem das Funkmodul und nicht der Sensor den Stromhaushalt dominieren soll, sodass der Sensor im Hintergrund bleibt. Der Interrupt ist der eigentliche Witz des Bauteils: Der Host schläft durch jeden Messwert, der innerhalb des programmierten Fensters liegt, und wacht nur bei dem auf, der es überschreitet, was aus einer stetigen Polling-Last ein seltenes Ereignis macht, das die Firmware sich leisten kann. Seine Messmodi erlauben einen Kompromiss zwischen Auflösung und Wandlungszeit, von neun bis vierzehn Bit je Messgröße.

Der Si7021 misst Luftfeuchte über eine lange Betriebsdauer stabil, ein Bauteil, das für seine Kalibrierbeständigkeit geschätzt wird, während günstigere Feuchtesensoren driften, und das mit einer Schutzabdeckung erhältlich ist, die das Element vor Staub und Spritzwasser an einem schmutzigen Einbauort schützt. Es ist die Wahl, wenn der Feuchtemesswert jahrelang korrekt bleiben muss, an einem Ort, der ein ungeschütztes Element beschädigen würde, in einem HLK-Rücklaufkanal oder einem Außengehäuse, wo das Austauschen eines gedrifteten Sensors aufwendiger ist als von Anfang an für Stabilität zu bezahlen. Die gefilterte Version umhüllt die Sensorschicht mit einer hydrophoben Membran, die Wasserdampf passieren lässt, aber flüssiges Wasser und Staub abhält, was den langen Betrieb in einem Kanal ermöglicht, der einen ungeschützten Chip innerhalb einer Saison überziehen würde.

Warum die Gasmessung die schwierige Aufgabe ist

Der Grund, warum Luftqualitätsmessung schwieriger ist als es scheint: Die interessanten Gase werden indirekt erfasst, über einen Stellvertreter, der ständiger Korrektur bedarf. Ein Metalloxid-Gassensor arbeitet durch Erwärmen eines dünnen Films, dessen elektrischer Widerstand sich ändert, wenn Gase darauf adsorbieren, was kostengünstig, klein und empfindlich ist, aber drei eingebaute Probleme mitbringt. Er ist nicht selektiv: Der Film reagiert auf ein breites Spektrum flüchtiger organischer Verbindungen und kann nicht sagen, welches Gas sich verändert hat, sein Ausgangswert ist also eine Summe, keine benannte Konzentration. Er ist relativ, nicht absolut: Der Messwert bedeutet nur etwas im Vergleich zu einer Ausgangslinie, die die Firmware als saubere Luft verfolgt, das Bauteil braucht also eine laufende Schätzung, wie saubere Luft aussieht, und geht fehl, wenn diese Schätzung falsch ist. Und er altert und kann vergiftet werden, da der Film sich langsam über Monate verschiebt und bestimmte Verbindungen, darunter Silikone, ihn dauerhaft schädigen. Der Kohlendioxidwert, den diese Bauteile ausgeben, verdient besondere Skepsis, denn er ist ein Äquivalentwert, eCO2, aus dem VOC-Pegel abgeleitet unter der Annahme, dass menschlich genutzte Luft beides gemeinsam ansteigen lässt, keine Messung von Kohlendioxid. Die Messung von Kohlendioxid selbst erfordert stattdessen eine optische Methode. All das macht die Bauteile nicht schlecht, nur dass ihre Werte Schätzungen sind, die Einlaufzeit, Basislinienkorrektur und eine Portion gesunden Menschenverstand verlangen, was das genaue Gegenteil des Verhaltens des danebenstehenden Temperatursensors ist.

Das alles steckt hinter einem einzigen Wort im Datenblatt: Gas.

Flüchtige Gase erfassen

Mit diesem Vorbehalt im Gepäck behaupten die Metalloxid-Bauteile dennoch ihren Platz, denn eine relative, driftende Messung der Innenraumluft ist immer noch nützlich, um Lüftung zu steuern und Alarme auszulösen, wo ein absoluter Wert nicht das Ziel ist. Die Unterschiede zwischen ihnen liegen darin, wie viel der Korrektur jedes Bauteil intern durchführt, bevor der Host überhaupt einen Wert zu sehen bekommt.

Der BME680 ist ein Vier-in-eins-Umgebungssensor mit Gas, der Temperatur, Luftfeuchte, Druck und ein Metalloxid-Gaselement in einem kleinen Gehäuse vereint, mit einer Herstellerbibliothek, die den rohen Gaswiderstand in einen Innenraumluftqualitätsindex umwandelt. Er ist das Bauteil für ein einzelnes Gerät, das das gesamte Umgebungsbild möchte, eine Wetterstation oder einen smarten Thermostat, wobei der Gasmesswert jeden Metalloxid-Vorbehalt trägt: Er benötigt eine Einlaufphase und meldet eher einen Trend als eine kalibrierte Gaskonzentration. Die vier Sensoren in einem Gehäuse sind sein eigentlicher Vorteil, denn sie aufzuteilen würde vier Bauteile, vier Footprints und vier Versorgungsentscheidungen auf einer kleinen Platine bedeuten. Bosch liefert eine geschlossene Bibliothek, BSEC, die den rohen Gaswiderstand in Ohm zusammen mit der benachbarten Luftfeuchte und Temperatur entgegennimmt und den Index zurückgibt, was einem Design die Arbeit der Filmmodellierung erspart, das Ergebnis aber an Herstellercode bindet, in den man nicht hineinsehen kann.

Der CCS811 meldet äquivalentes Kohlendioxid und VOC von einem Metalloxidelement aus, mit einem Onboard-Prozessor, der den Basislinien-Algorithmus ausführt und dem Host direkt einen eCO2- und einen VOC-Wert übergibt. Der eCO2-Wert ist der oben beschriebene abgeleitete Wert, nützlich zum Steuern der Lüftung in einem belegten Raum und irreführend in dem Moment, in dem er als echtes Kohlendioxid gelesen wird. Er benötigt eine lange anfängliche Einlaufphase sowie laufende Basislinienkorrektur und steht als warnendes Beispiel für ein Bauteil, dessen bequeme Zahl verbirgt, wie indirekt die darunter liegende Messung ist, was Designs auf dem falschen Fuß erwischt, die das Label für bare Münze nehmen. Er fordert volle achtundvierzig Stunden Erstbetrieb, bevor sein Ausgang sich stabilisiert, und eine Basislinie, die davon ausgeht, dass der Raum irgendwann in jedem Zyklus zu sauberer Luft zurückkehrt, eine Annahme, die in einem Raum, der nie leer ist, stillschweigend versagt.

Der SGP40 übernimmt VOC-Sensing für die Innenraumluftqualität, ein neueres Metalloxid-Bauteil, das über einen Herstelleralgorithmus einen VOC-Index ausgibt, der seine eigene Basislinie mit der Zeit anpasst und damit einen Großteil der manuellen Basislinienarbeit umgeht, die ältere Bauteile erfordern. Er ist für die ehrliche Aufgabe gebaut, die ein Metalloxidsensor leisten kann: den Trend der Innenraumluft verfolgen und warnen, wenn er schlechter wird, ohne so zu tun, als könnte er ein Gas oder eine Konzentration benennen, die er nicht messen kann. Dieser Fokus macht ihn zur saubereren modernen Wahl, wo ein VOC-Trend und keine absolute Zahl die Grundlage für Produktentscheidungen ist. Sein Begleitalgorithmus gibt einen VOC-Index von eins bis fünfhundert aus, zentriert auf hundert, eine Skala, die zeigt, ob die Luft besser oder schlechter als das eigene jüngste Normal dieses Raumes ist, ohne Anspruch auf eine Konzentration in einer bestimmten Einheit. Er tastet einmal pro Sekunde ab und benötigt zunächst eine Stunde Kontext.

Die echte Messgröße erfassen

Wo ein echter Kohlendioxidwert benötigt wird, für bedarfsgeführte Lüftung oder einen Monitor, der korrekte Werte liefern muss, taugt der Metalloxid-Stellvertreter nicht, und die Messung wird optisch. Der SCD41 misst echtes Kohlendioxid mit NDIR, indem er Infrarotlicht durch eine Luftprobe schickt und abliest, wie viel das CO2 bei seiner charakteristischen Wellenlänge absorbiert, eine direkte und selektive Messung, die ein eCO2-Bauteil nur schätzen kann. Er kostet und verbraucht mehr, da er eine Lichtquelle und eine Messkammer betreibt, und das rechtfertigt sich durch einen Messwert, der echte Teile pro Million Kohlendioxid bedeutet statt einer korrelierten Schätzung, was genau der Punkt in einem Raum ist, in dem die Lüftung auf Basis dieser Zahl gesteuert wird. Er liest ab vierhundert Teilen pro Million aufwärts und führt eine Selbstkalibrierung durch, die den niedrigsten Wert der vergangenen Tage als frische Außenluft verwendet, ein Trick, der für einen dauerhaft geschlossenen Raum abgeschaltet werden kann, wo dieser Tiefstwert andernfalls den Nullpunkt vom wahren Wert wegziehen würde.

Am anderen Ende der Kostenskala steht der MQ-135 für kostengünstige Luftqualitätsmessung, ein analoger Metalloxidsensor, der einen rohen Widerstand ausgibt, den der Host selbst interpretieren muss, der günstigste Weg, überhaupt ein grobes Luftqualitätssignal zu erhalten. Er benötigt Kalibrierung gegen eine bekannte Referenz und eine Heizversorgung, die auf der angegebenen Spannung stabil bleibt, und sein Messwert will großzügig interpretiert werden, da der Ausgangswert das Verhältnis des Live-Widerstands des Films zu einer Frischluft-Basislinie ist, die jede einzelne Platine erst selbst finden muss, bevor ihre Messwerte etwas bedeuten. Er ist das Bauteil für ein Hobbyprojekt oder einen groben Alarm, nicht für ein kalibriertes Instrument, die ehrliche Untergrenze dessen, was Gassensorik kostet, bevor die integrierten Bauteile ihre Verarbeitung draufsetzen.

Partikel sind wieder eine eigenständige Messgröße. Der SPS30 betreibt Partikelerfassung per Laserstreuung, zieht Luft per kleinem Lüfter an einem Laser vorbei und zählt die Lichtblitze, wenn Partikel den Strahl queren, sortiert nach Größe in die PM2.5- und PM10-Werte, die ein Luftqualitätsindex ausweist. Es ist eine direkte optische Messung wie beim NDIR-Bauteil, mit einem Verschleißteil, das die anderen nicht haben, dem Lüfter, und einer eigenen Pflegeaufgabe: die Optik sauber halten. Es ist das, was ein echter Luftqualitätsmonitor einsetzt, da ein Gas-Stellvertreter über Staub schlicht nichts sagen kann. Sensirion gibt Lüfter und Optik für jahrelangen Dauerbetrieb frei und integriert einen Reinigungszyklus, der den Lüfter auf Vollgas dreht, um abgesetzten Staub zu entfernen, was den Tag hinausschiebt, an dem die Kammer verschmutzt und die Zählungen niedrig werden, ohne dass es jemand bemerkt.

Direkt oder indirekt, vor der Bauteilwahl

Der rote Faden durch all das ist die Frage, ob ein Sensor sein Messziel direkt erfasst oder schätzt. Temperatur, Luftfeuchte und Partikel werden direkt gemessen und können von Anfang an vertraut werden, ebenso echtes Kohlendioxid, sobald für das optische Bauteil bezahlt wird, während flüchtige organische Verbindungen und eCO2-Werte Stellvertreter sind, deren Basislinien gepflegt werden müssen und über die man sich im Klaren sein muss, was sie darstellen. Dasselbe Datenblatt-Wort kann beides verbergen.

Wählt man einen Stellvertreter-Sensor, muss das Design Aufwand für Kalibrierung und Drift einplanen; wählt man einen direkten, zahlt man mit Kosten oder Stromverbrauch für einen Wert, dem man glauben kann. Der häufigste Fehler ist, einen eCO2-Wert als Kohlendioxid zu lesen, und die Abhilfe liegt darin, den Unterschied zu kennen, bevor das Bauteil ins Design eingeht, nicht nachdem ein Kunde die Messwerte in Frage stellt.