Evaluating the performance of NDIR CO2-sensors in indoor and outdoor environments: Determining NDIR CO2-sensors’ suitability for future estimation of in-situ carbon flux
2025 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Utvärdering av prestandan hos NDIR CO2 sensorer in inomhus- och utomhusmiljöer : Avgöra NDIR CO2 -sensorers lämplighet vid framtida uppskattning av in-situ kolflöde (Swedish)
Abstract [en]
Demand for GHG-intensive energy and products continue to increase, which has lead the Mauna Loa Observatory to continuously measure a steady increase in atmospheric CO2 concentrations. The increase comes in spite of global pledges to decrease emissions. In order to explore ways to understand and measure the carbon fluxes that impact global warming, there is a growing need for low-cost alternatives, such as NDIR gas sensors. In the following thesis, the performance of the SenseAir S8 and K30 devices are evaluated in indoor and outdoor environments, in the interest of eventually determining their suitability for future in-situ carbon flux measurements.
In order to achieve the stated aim, the devices were tested in a series of three experiments. First, an individual K30 device was tested in an indoor and outdoor environment for roughly two days, respectively. Second, an S8 and a K30 device were compared in the same indoor environment. Third, two K30 devices were compared in the same outdoor environment. The devices were analysed during their continual measurements of ambient CO2 levels, by virtue of error frequency, standard deviation, average values, differences, and periods of measurements.
For the first experiment, results indicate that there are a few errors and jumps in data, but that the device does stabilise around certain values for periods of time before steadily increasing or decreasing in CO2 values. When placed inside, the values of stabilisation are on average higher than when the device was placed outside.
In the second experiment, results indicate that, although the K30 device misses on average more readings, the S8 device gave a higher frequency of error values and values that were inconsistent. Moreover, the difference between the two devices remained stable during time intervals when the values read by the individual devices were either stable, or had a low rate of in-/decrease. However, at intervals of sharp in-/decrease, the value for the standard deviation was much higher leading to a less stable difference.
In the third experiment, results indicate that the K30 will (with the ABC-calibration on) re-calibrate during the data collection process and will affect analyses conducted. However, the K30 devices together gave readings for longer time intervals and, despite not reading the exact same values, they had a difference that was more stable than between the S8 and K30.
Taking into account the results, discussion were elaborated on how error values and calibrations affect measured results in relation to future experiments. Moreover, examples of how an actual carbon flux experiment could look like was presented for the chamber- and gradient methods. This was done in order to elaborate on how to estimate mass-flux based on ppm-measurements. Further research needs to be conducted in order to understand the carbon flux measuring accuracy of the devices, as well as ultimate in-situ performance of the devices.
Abstract [sv]
Efterfrågan av utsläppskrävande energi och produkter fortsätter att öka, vilket har lett Mauna Loa observatioriet att fortsättningsvis mäta en stadig ökning av atmosfärisk CO2 koncentration, trots globala löften om att minska utsläppen. För att kunna utforska sätt att förstå och mäta kolflöden som har en påverkan på global uppvärmning, finns det ett växande behov av lågkostnadsalternativ, såsom NDIR gassensorer. I den följande uppsatsen kommer prestandan av SenseAir S8- och K30-sensorerna att utvärderas i inomhus- och utomhusmiljöer, för att slutligen avgöra deras lämplighet vid framtida in-situ mätning av kolflöden.
För att uppnå det angivna målet, testades sensorerna i en serie av tre experiment. Först testades en individuell K30-sensor i en inomhus- och utomhusmiljö i ungefär 2 dagar vardera. För det andra jämfördes en S8 och en K30-sensor i samma inomhusmiljö. För det tredje jämfördes två stycken K30-sensorer i samma utomhusmiljö. Sensorerna analyserades medans de kontinuerligt mätte CO2 genom felfrekvens, standardavvikelse, medelvärden, skillnader och perioder av mätning.
I det första experimentet indikerade resultaten att det fanns en del fel och hopp i datan, men att sensorn stabiliserade runt vissa värden under tidsperioder innan CO2 värdena stabilt ökar eller sjunker. När den var placerad inomhus var stabiliseringsvärdena i genomsnitt högre än vid utomhusplacering.
I det andra experimentet indikerade resultaten att, trots att K30-sensorn missade genomsnittligt fler avläsningar, gav S8-sensorn en högre frekvens av felvärden och inkonsekventa värden. Dessutom fortsatte skillnaden mellan de två sensorerna att vara stabil under de tillfällen då de enskilda sensorerna var antingen stabila eller hade en låg ökning-/minskningstakt. Dock var värdet för standardavvikelse mycket högre vid intervaller av snabb ökning/minskning, vilket ledde till en mindre stabil skillnad.
I det tredje experimentet indikerade resultaten att K30:n kommer att (med ABC-kalibreringen påslagen) att återkalibrera under data hämtningsprocessen och kommer att påverka genomförda analyser. Dock gav K30-sensorerna tillsammans avläsningar under längre tidsintervaller och trots att de inte mätte exakt samma värden var skillnaden mellan de mer stabil än mellan S8 och K30.
Med hänsyn till resultaten, diskuterades felvärden och kalibreringens påverkan på dem uppmätta resultaten i relation till framtida experiment. Utöver detta presenterades exempel på hur ett faktiskt kolflödesexperiment skulle kunna se ut för chamber- och gradientmetoderna. Detta gjordes för att förklara hur man uppskattar massflöde baserat på ppm-mätningar. Ytterligare forskning behövs genomföras för att förstå noggrannheten av mätarna för kolflöden, liksom den slutliga in-situ prestandan av enheterna.
Place, publisher, year, edition, pages
2025.
Series
TRITA-ABE-MBT ; 2526
Keywords [en]
NDIR sensors, SenseAir K30, SenseAir S8, Carbon offset, CO2 sensor performance, CO2 sensor calibration, Cabon flux
Keywords [sv]
NDIR sensorer, SenseAir K30, SenseAir S8, Klimatkompensation, CO2 sensor prestanda, CO2 sensor kalibrering, Kolflöden
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-359154OAI: oai:DiVA.org:kth-359154DiVA, id: diva2:1931622
Educational program
Degree of Master - Environmental Engineering and Sustainable Infrastructure
Supervisors
Examiners
2025-01-272025-01-272025-01-27Bibliographically approved