CO2 monitor for measurement of ventilation in closed environments, COVID-19 prevention, and improvement of work performance

Monitor de CO2 para medida de la ventilación en ambientes cerrados, prevención del COVID-19 y mejora del rendimiento laboral

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Resumen (en)

Objective: Humans produce and exhale CO2, thus the concentration of this gas increases in closed environments. The CO2 concentration of air is often used as a reference to measure the ventilation rate. The typical outdoor CO2 concentration is approximately 400 ppm, although it can be as high as 500 ppm. Concentrations greater than 20000 ppm result in deep breathing, higher than 100000 ppm cause visual disturbances and tremors with possible loss of consciousness and over 250000 ppm may cause death. In buildings with no change on their ventilation rate, high CO2 concentrations have negative effects on decision making and working performance. At 1000 ppm, performance is significantly reduced in six of nine decision-making metrics compared to 600 ppm. In this work, a CO2 flexible monitor is designed to measure ventilation in closed environments.

Methodology: Electrolytic and infrared CO2 sensors with a detection range of 350 to up to 10000 ppm were used. The used sensors have good sensitivity and selectivity to CO2. The gas monitor has a simple calibration system, whereby softwareautomatically adjusts the calibration curve parameters after circulating clean air. The design of a gas bench used to verify sensor calibration is also shown.

Results: A set of measurements were performed with electrochemical gas sensors and infrared (IR) gas sensors to test the functionality of the equipment. Experimental work has shown sensors have a satisfactory response for this application. The margins of error are +5 % of the reading value.

Conclusions: A low cost, flexible gas monitor for indoor environments like schools, offices, laboratories, and industries was designed in this work. Due to the flexible design, a network of gas monitors strategically distributed in the different spaces of the buildings is proposed.

Fundings: Universidad Tecnológica Nacional. Comisión Nacional de Energía Atómica. Buenos Aires, Argentina 

Resumen (es)

Objetivo: Los humanos producimos y exhalamos CO2, por lo que la concentración de este gas aumenta en ambientes cerrados. La concentración de gas CO2 en el aire se utiliza a menudo como referencia para medir la tasa de ventilación. La concentración típica de CO2 al aire libre es de aproximadamente 400 ppm, aunque puede llegar a 500 ppm. Las concentraciones superiores a 20000 ppm dan como resultado una respiración profunda, superiores a 100000 ppm provocan alteraciones visuales y temblores con posible pérdida del conocimiento y superiores a 250000 ppm pueden provocar la muerte. En edificios sin cambios en su tasa de ventilación, las altas concentraciones de CO2 tienen efectos negativos en la toma de decisiones y el rendimiento laboral. A 1000 ppm, el rendimiento se reduce significativamente en seis de las nueve métricas de toma de decisiones en comparación con 600 ppm. En este trabajo se diseña un monitor flexible de CO2 para medir la ventilación en ambientes cerrados.

Metodología: Se utilizaron sensores de CO2 electrolíticos y sensores infrarrojos con un rango de detección de 350 hasta 10000 ppm. Los sensores utilizados tienen buena sensibilidad y selectividad al CO2. El monitor de gas tiene un sistema de calibración simple, mediante el cual el software ajusta automáticamente los parámetros de la curva de calibración después de hacer circular aire limpio. También se muestra el diseño de un banco de gases utilizado para verificar la calibración del sensor.

Resultados: Se realizaron un conjunto de mediciones, con sensores de gases electrolíticos químicos y sensores de gases infrarrojos (IR) probando la funcionalidad del equipo. El trabajo experimental ha demostrado que los sensores tienen una respuesta satisfactoria para esta aplicación. Los márgenes de error son 5 % del valor de lectura.

Conclusiones: En este trabajo se diseñó un monitor de gas flexible y de bajo costo para ambientes interiores como escuelas, oficinas, laboratorios e industrias. Debido al diseño flexible, se propone una red de monitores de gas distribuidos estratégicamente en los distintos espacios de los edificios.

Financiamiento: Universidad Tecnológica Nacional. Comisión Nacional de Energía Atómica. Buenos Aires, Argentina.