Сравнительный анализ датчиков CO₂: SCD30, ACD10, ACD1200 и MH-Z19E

Сравнительный анализ датчиков CO₂: SCD30, ACD10, ACD1200 и MH-Z19E

Техническая статья на основе документации производителей и результатов практических испытаний на тестовом стенде.

Содержание

1. Введение: нормативные требования к CO₂
2. Резюме
3. Принцип работы NDIR-датчиков CO₂
4. Основные технические характеристики
5. Сравнение конструктивных особенностей
6. Неоднозначности в документации и практические находки
7. Системы калибровки
8. Сравнительный анализ энергопотребления и интеграции
9. Результаты длительных испытаний на тестовом стенде
10. Тест с герметичным боксом
11. Практические рекомендации по выбору
12. Сравнение с альтернативными решениями
13. Инженерные рекомендации по интеграции
14. Заключение
15. Список использованных источников
16. Файлы для скачивания

1. Введение: нормативные требования к CO₂

1.1. Два основных нормативных акта

Регулирование концентрации CO₂ в помещениях в России опирается на два действующих документа, у каждого из которых есть официальный текст и известные номера пунктов:

• ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» — задаёт классификацию качества воздуха по 6 категориям помещений и устанавливает оптимальные и допустимые уровни CO₂ относительно уличного фона.
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» — устанавливает жёсткие предельные значения для конкретных типов зданий, прежде всего образовательных и детских.

Дополнительно требования к воздухообмену задают:

• СП 60.13330 — для общественных зданий (офисы, учреждения);
• СП 54.13330 — для жилых зданий;
• СП 2.4.3648-20 — для школ и детских садов.

Почему это важно

Традиционно контроль CO₂ в офисных и общественных помещениях носил рекомендательный характер — проектировщик мог заложить вентиляцию с постоянным расходом и формально соблюсти норматив воздухообмена. В последние годы ситуация меняется: растёт осведомлённость о качестве воздуха (IAQ), внедряются системы добровольной сертификации (в том числе российские аналоги международных RESET® и WELL), а также практика проектирования по DCV (Demand-Controlled Ventilation) делает датчик CO₂ обязательным компонентом современной системы вентиляции. Без датчика невозможно ни подтвердить соответствие ГОСТ/СанПиН, ни реализовать вентиляцию по потребности.

1.2. Классификация по ГОСТ 30494-2011

ГОСТ 30494-2011 делит помещения на 6 категорий по качеству воздуха. Для каждой категории установлено допустимое содержание CO₂ — и это значение отсчитывается от концентрации CO₂ в наружном воздухе. В Москве уличный фон в 2026 году составляет около 420–430 ppm.

Таблица 1.1. Классификация помещений по ГОСТ 30494-2011

Как читать таблицу. Оба столбца описывают одно и то же помещение, но с разных сторон:

• «Оптимальный над уличным фоном» — сколько ppm можно добавить к уличному фону, не выходя за комфортное качество воздуха;
• «Допустимый суммарно» — до какого общего уровня можно поднять концентрацию в помещении, прежде чем качество воздуха выйдет за норматив.

Проверочный пример для 2-й категории при уличном фоне 420 ppm:

• оптимальная концентрация в помещении = 420 + 400 = 820 ppm;
• допустимая концентрация в помещении = 420 + 600 = 1020 ppm.

На практике для города: оптимально до 800 ppm, допустимо до 1000–1400 ppm.

1.3. Требования СанПиН 1.2.3685-21 для конкретных типов помещений

Если ГОСТ 30494-2011 задаёт классификацию, то СанПиН 1.2.3685-21 устанавливает жёсткие предельные значения для конкретных типов зданий. Наиболее строгие требования — к образовательным и детским учреждениям.

Школы и учебные заведения

Согласно СанПиН 1.2.3685-21 и СП 2.4.3648-20:

Таблица 1.2. Нормативы для школ и учебных заведений

ГОСТ рекомендует школам придерживаться уровня 600–800 ppm, но СанПиН устанавливает жёсткий предел 1000 ppm.

Детские сады

Таблица 1.3. Нормативы для детских садов

Офисы

Офисы относятся ко 2-й и 3-й категориям по ГОСТ 30494-2011:

Таблица 1.4. Нормативы для офисных помещений

Жилые помещения

Таблица 1.5. Нормативы для жилых помещений

Спортивные залы

Таблица 1.6. Нормативы для спортивных залов

1.4. Как CO₂ влияет на людей

Таблица 1.7. Влияние концентрации CO₂ на самочувствие и работоспособность

1.5. Практическая картина в реальных помещениях

Реальная ситуация в большинстве школ и офисов далека от норм:

• в классах на 25–30 человек без механической вентиляции CO₂ за один урок поднимается до 2000–3000 ppm;
• в офисах с закрытыми окнами и работающим кондиционером — до 1500–2000 ppm.

Кондиционер проблему не решает. Он только охлаждает воздух, не добавляя свежий. Для снижения CO₂ необходима приточная вентиляция — либо с постоянным расходом, либо управляемая по датчикам (DCV).

1.6. Demand-Controlled Ventilation — без датчика CO₂ невозможно

Ключевое изменение подхода к вентиляции: если раньше система рассчитывалась на проектную мощность и работала с постоянным расходом, то сейчас всё чаще требуется вентиляция по потребности (Demand-Controlled Ventilation, DCV). Это означает, что производительность приточной установки должна регулироваться по фактическим показаниям датчиков CO₂ в реальном времени.

Без датчика CO₂ система DCV физически невозможна. И даже если норматив формально допускает постоянный расход, реальное соблюдение ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21 невозможно подтвердить без измерений.

1.7. Технические требования к CO₂-модулю для задач DCV

Для инженеров-электронщиков, проектирующих датчики и контроллеры для HVAC-систем, нормативные требования ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21 превращаются в конкретный технический портрет модуля.

Таблица 1.8. Технические требования к CO₂-модулю (выведены авторами на основе ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21)

Важно: это инженерные требования, выведенные авторами, а не нормы ГОСТ или СанПиН. Нормативные документы задают пороги CO₂ в воздухе помещений, а требования к самому датчику — это задача проектировщика системы. Мы формулируем их явно, чтобы отделить нормативную часть от технической.

1.8. Доступность компонентной базы в России

Не менее важен вопрос доступности компонентной базы. Датчик, который закладывается в серийное изделие, должен стабильно поставляться в нужных объёмах по предсказуемой цене.

Фотографии датчиков, участвовавших в тестах. Слева направо — Sensirion SCD30, ASAIR ACD1200, ASAIR ACD10, Winsen MH-Z19E.

Таблица 1.9. Доступность CO₂-датчиков в РФ

1.9. Задача статьи

Нормативная база (ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21) создаёт объективный спрос на CO₂-датчики в России. Но рынок предлагает четыре разных решения — SCD30, ACD1200, ACD10, MH-Z19E — с разной ценой, точностью, стабильностью и доступностью. Какой из них выбрать для серийного HVAC-изделия?

В этой статье мы проводим детальный сравнительный анализ четырёх популярных NDIR-датчиков CO₂ на основе официальной документации производителей и многосуточных испытаний на специализированном тестовом стенде с 9 датчиками, ESP32-S3 и мультиплексором I²C.

2. Резюме

В статье представлен детальный сравнительный анализ четырёх датчиков углекислого газа: SCD30 (Sensirion), ACD10 и ACD1200 (ASAIR / Guangzhou Aosong Electronics), а также MH-Z19E (Winsen). Материал основан на официальной технической документации производителей и результатах многосуточных испытаний на специализированном тестовом стенде с 9 датчиками, ESP32-S3, мультиплексором I²C TCA9548A и внешней EEPROM для логирования.

Особое внимание уделено:

• неоднозначностям в документации, выявляемым только при реальной эксплуатации;
• различиям в поведении датчиков ASAIR (ACD1200 vs ACD10) при одинаковом наборе команд;
• проблемам калибровки MH-Z19E в лабораторных условиях;
• динамическому диапазону датчиков (тест с боксом: пик 26 322 ppm).

Сформулированы рекомендации по выбору датчика для задач вентиляции по потребности (DCV) и приведены результаты сравнения с требованиями ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21.

3. Принцип работы NDIR-датчиков CO₂

Все рассматриваемые датчики используют недисперсионный инфракрасный (NDIR) метод измерения, основанный на фундаментальном свойстве молекул CO₂ поглощать инфракрасное излучение на длине волны 4,26 мкм [1].

Конструкция NDIR-датчика включает три ключевых элемента:

1. Источник ИК-излучения — генерирует широкополосный инфракрасный сигнал.
2. Газовая камера — обеспечивает прохождение воздуха и взаимодействие с излучением.
3. ИК-детектор с оптическим фильтром — измеряет интенсивность прошедшего света на целевой длине волны.

Принцип измерения: воздух поступает в газовую камеру. Молекулы CO₂ поглощают часть инфракрасного света, и чем выше концентрация газа, тем интенсивнее поглощение. Детектор регистрирует ослабление сигнала, и встроенный микроконтроллер рассчитывает концентрацию CO₂ по закону Бугера — Ламберта — Бера [2].

Преимущества NDIR:

• высокая селективность по сравнению с электрохимическими сенсорами;
• отсутствие зависимости от концентрации кислорода;
• длительный срок службы (>5–15 лет);
• отклик от 20 с (SCD30) до 120 с (ACD1200/ACD10/MH-Z19E);
• отсутствие расходных материалов.

Важно: высокая селективность NDIR не означает полного отсутствия кросс-чувствительности. На измерение влияют атмосферное давление (закон Бугера — Ламберта — Бера работает с числовой плотностью молекул), температура и частично водяной пар. Именно поэтому производители предусматривают компенсацию давления.

4. Основные технические характеристики

Таблица 4.1. Сводная таблица ключевых параметров датчиков

О ценовых категориях. Конкретные цены на датчики сильно зависят от объёма закупки, курса валют, канала поставки и региона. В таблице указаны относительные ценовые уровни:

• SCD30 — верхний сегмент, существенно дороже всех остальных;
• ACD1200 — базовый сегмент, самый доступный;
• ACD10 и MH-Z19E — средний сегмент.

При выборе для серийного изделия рекомендуется запрашивать актуальные коммерческие предложения у дистрибьюторов.

5. Сравнение конструктивных особенностей

SCD30 использует запатентованную двухканальную оптическую архитектуру CMOSens® [3]. Основной канал измеряет CO₂, вспомогательный эталонный канал компенсирует влияние температуры, влажности и долговременного дрейфа. Это обеспечивает выдающуюся долговременную стабильность и минимальный температурный дрейф — 2,5 ppm/°C.

ACD10 и ACD1200 используют одноканальную оптическую систему [4, 5]. Однако ACD1200 — улучшенная версия: оптимизированная конструкция газовой камеры, усовершенствованная система фильтрации, модернизированный ИК-детектор.

MH-Z19E — одноканальная архитектура, базовая версия имеет диапазон 400–2000 ppm.

Примечание из практики: датчик влажности SHT31, используемый в SCD30, из-за теплового влияния основного сенсора CO₂ может давать систематическую погрешность по температуре. Мы использовали внешний SHT35 как опорный термометр и корректировали показания SCD30 через temperature offset. Важно: temperature offset корректирует только выходные T и RH, но не влияет на измерение CO₂. На измерение CO₂ влияет компенсация давления (setAmbientPressure() или setAltitudeCompensation()).

6. Неоднозначности в документации и практические находки

6.1. Адрес I²C датчика ACD1200: 0x54 или 0x2A?

В даташите ACD1200 указано: «0x54 is 0x2A shifted left one bit». На практике при попытке обратиться к датчику по адресу 0x54 через библиотеку Wire датчик не отвечал. I²C-сканер показывал наличие устройства по адресу 0x2A.

7-битный адрес: 0x2A = 0b0101010
Адресный байт: (0x2A << 1) | R/W
Для записи (R/W = 0): 0x54 = 0b01010100
Для чтения (R/W = 1): 0x55 = 0b01010101

Рекомендация: всегда используйте 0x2A для I²C-адресации ACD1200/ACD10. Аналогично для SCD30: 7-битный адрес — 0x61, адресный байт для записи — 0xC2.

6.2. Формат ответа UART: сколько байт ожидать?

В даташите указано: «Answer: FE A6 04 01 D1 ~D4 CS». Запись D1 ~D4 неоднозначна. На практике нужно читать 9 байт:

6.3. Алгоритм расчёта checksum (CS) для UART

В даташите ACD1200 (Table 21) указано: «Checksum (CS): Data accumulation = fixed code + length + command number + data». Важно: FE (первый байт fixed code) не участвует в сумме.

Правильная формула:

CS = (0xA6 + Length + Command + D1 + D2 + D3 + D4) & 0xFF

Проверка на реальном примере из нашего лога — кадр FE A6 04 01 03 B5 FF FF 61:

• Сумма без FE: 0xA6 + 0x04 + 0x01 + 0x03 + 0xB5 + 0xFF + 0xFF = 0x361 → 0x61 — совпадает с последним байтом.
• Значение CO₂: D1D2 = 0x03B5 = 949 ppm.

Терминология: это арифметическая контрольная сумма (checksum, в даташите «CS»), а не CRC. Называть её CRC неверно — CRC использует полиномиальное деление, а здесь простое сложение байт по модулю 256.

6.4. Режим UART: как переключить датчик?

В даташите ACD1200 указано: «The sensor defaults to I2C communication (Pin 5 is suspended, with a built-in 4.7 KΩ pull-up resistor); when Pin 5 is connected to a low level, it is UART serial port communication».

Что произошло на практике: датчик не отвечал по UART, пока Pin 5 не был надёжно подключён к GND. При проверке мультиметром на Pin 5 было 0 В, но из-за плохого контакта датчик оставался в I²C-режиме.

• Pin 5 → GND для UART-режима;
• Pin 5 «висит» для I²C-режима;
• недостаточно просто «не подключать» Pin 5 — нужен надёжный контакт с GND для UART.

6.5. Итоговая таблица неоднозначностей

7. Системы калибровки

7.1. Автоматическая калибровка (ABC/ASC)

ACD10 и ACD1200:

• Первая автокалибровка — через 24 часа после включения.
• Последующие — каждые 168 часов (7 дней).
• Ключевое условие: датчик должен находиться в среде с концентрацией CO₂ около 400 ppm не менее 1 часа.

SCD30:

• Алгоритм ASC требует 7 дней непрерывной работы с ежедневным доступом к свежему воздуху (не менее 1 часа в день).
• При каждом отключении питания отсчёт сбрасывается.
• Температурная стабильность — 2,5 ppm/°C.

MH-Z19E:

• ABC — более агрессивный: раз в 24 часа принудительно принимает минимальное зафиксированное значение за базовую линию.
• В лаборатории с постоянным присутствием человека CO₂ редко опускается ниже 400 ppm — ABC воспринимает завышенное значение как «свежий воздух», и все последующие показания систематически занижаются.

7.2. Ручная калибровка SCD30 (FRC)

Ключевое свойство FRC: одной точки 400 ppm достаточно, чтобы восстановить точность SCD30 во всём диапазоне 400–10 000 ppm.

Sensirion провёл испытания на 8 датчиках SCD30, подвергнутых механическому стрессу. До FRC отклонения достигали −1000 ppm. После одной FRC-калибровки по эталону 400 ppm все 8 датчиков вернулись в спецификацию по всему диапазону.

О значении эталона для FRC. Sensirion и большинство производителей используют 400 ppm как условный эталонный уровень — это «среднемировой фон», принятый для калибровки.

В Москве фактический уличный фон в 2026 году ≈ 420–430 ppm. Для метрологических задач FRC лучше проводить по фактическому фону места калибровки (например, 425 ppm) — это даёт минимальное смещение.

Для серийных изделий допустимо использовать 400 ppm — это консервативно и даёт запас при работе в регионах с более низким фоном.

Разница между 400 и 430 ppm (30 ppm) — в пределах паспортной погрешности SCD30.

7.3. Разница между ASC ACD1200 и ASC ACD10

Это главный практический вывод нашего эксперимента.

ACD1200 — усовершенствованный ASC:

• После прогрева 24 часа: стабильные показания, систематическое завышение ~+8–9% относительно опорного SCD30.
• Хорошо сходится к установившемуся режиму.
• Разовой калибровки не требует — при установке уставки DCV учитывайте систематическое завышение.

ACD10 — «упрощённая» ASC, склонная к дрейфу вниз:

• Утром: ACD10 ушёл вниз до 574 ppm при SCD30 = 622 ppm, то есть −48 ppm.
• В AUTO-режиме (без ручной калибровки) показывает завышенные значения в 1,5–2 раза.
• Обязательна ручная калибровка перед использованием.

7.4. Калибровка SCD30 в нашем стенде

SCD30 в нашем эксперименте использовался с двухуровневой метрологической поддержкой:

Важно: setTemperatureOffset() корректирует только выходные T и RH, но не влияет на измерение CO₂. Компенсация давления даёт при 990 гПа против 1013 гПа поправку около +2,4%. При 600 ppm это составляет ≈ +15 ppm — втрое меньше паспортной погрешности SCD30 (±(30 ppm + 3%) = ±48 ppm при 600 ppm). Поправку стоит учитывать для чистоты измерений, но её вклад в общую погрешность невелик.

7.5. Итоговая стратегия калибровки

8. Сравнительный анализ энергопотребления и интеграции

В даташитах указаны следующие параметры энергопотребления:

Вывод: по среднему потреблению все четыре датчика близки (19–45 мА). По пиковому току корректное сравнение возможно только для SCD30 и MH-Z19E — для ACD1200/ACD10 пиковый ток в документации не нормируется. Практически MH-Z19E имеет наибольший пиковый ток (150 мА), что может требовать более мощного стабилизатора в многоканальных системах.

9. Результаты длительных испытаний на тестовом стенде

Наш тестовый стенд включал 9 датчиков: SCD30 (опорный), 4 × ACD1200, ACD10, MH-Z19E, SHT35, BMP280. Логирование велось каждые 10 минут.

9.1. Методические замечания и условия испытаний

Важно про «опорный» датчик. SCD30 в нашем стенде не является поверенным эталоном. По точности ±(30 ppm + 3%) против ±(50 ppm + 5%) у ACD — это сравнение двух рабочих датчиков, а не поверка. В статье SCD30 называется «опорным», а не «эталонным», и все отклонения ACD1200/ACD10/MH-Z19E указаны относительно SCD30, а не относительно «истинного» значения.

Ограничения выборки. Испытания проводились на 4 экземплярах ACD1200 и по одному экземпляру остальных датчиков (SCD30, ACD10, MH-Z19E). Это допустимо для пилотного сравнения, но недостаточно для статистически значимых выводов о партии в целом. В частности:

• разброс между четырьмя ACD1200 (+28…+67 ppm) сопоставим с паспортной погрешностью ±(50 ppm + 5%) = ±100 ppm при 1000 ppm;
• для оценки межэкземплярного разброса всей партии нужна выборка 10–20 штук из разных производственных лотов.

Утверждение о «систематическом завышении +8–9%» относится к исследованным экземплярам, а не ко всей продукции ASAIR.

Ограничения длительности. Общее время испытаний — 4 суток (17–21 сентября 2026). Это:

• достаточно для оценки относительной сходимости датчиков друг с другом;
• недостаточно для выводов о долговременной стабильности и дрейфе — цикл ABC у ACD1200 составляет 7 дней, цикл ASC у SCD30 — 7 дней.

Выводы о стабильности в статье — предварительные.

Условия проведения испытаний

Что НЕ контролировалось: температура и влажность не стабилизировались принудительно; входной воздух при FRC — это уличный воздух через открытое окно, без принудительной подачи. Это соответствует реальным условиям эксплуатации, но снижает чистоту метрологического сравнения.

Исключённые данные. В ходе испытаний зафиксированы единичные аномальные записи, вызванные сбоями RTC и ошибками чтения I²C (например, показания SCD30 ниже 300 ppm, timestamp 2105 года, значения −2147483648). Эти записи исключены из анализа и из графиков как артефакты аппаратуры, а не физические измерения.

9.2. Общая картина за 4 суток

Скриншот веб-интерфейса тестового стенда. Показания всех 9 датчиков после прогрева. В верхней строке — опорный SCD30 (REF) со значениями CO₂, температуры и влажности. В сетке ниже — 4 × ACD1200 (I²C + UART), ACD10, MH-Z19E, SHT35 и BMP280.

Данные показывают несколько ключевых сценариев:

• Ночные провалы — все датчики опускаются к минимальным значениям; ACD1200 выходят на нижнюю границу диапазона (403 ppm при заявленном минимуме 400 ppm).
• Утренний подъём CO₂ — с 06:00 начинается рост, все датчики реагируют синхронно.
• Дневные проветривания — провалы, при которых ACD1200 выходят на нижнюю границу диапазона.
• Вечерние пики — SCD30 = 753 ppm, ACD1200 = 775–798 ppm.

Рис. 1 — Общий график CO₂ за 4 суток (17–21 сентября 2026).

Рис. 2 — Отклонение датчиков от опорного SCD30 (за 4 суток).

9.3. Сходимость датчиков в фазе восстановления после пика

Метрики ниже рассчитаны по данным боксового теста (раздел 10) в фазе восстановления после пика — период с 21.09, 11:00 и далее. Это фаза, в которой все датчики работают в пределах своего диапазона, без упоров в границы 403/400/6000/2000 ppm, что делает сравнение корректным. Прогрев 24 часа перед началом измерений был выполнен.

Что показывают метрики:

• СКО (стандартное отклонение) — насколько «шумно» ведёт себя датчик в стабильных условиях. У ACD1200 ×4 — 10–12 ppm, что хорошо. У ACD10 — 19 ppm (высокий разброс).
• RMS Δ — корень из среднего квадрата отклонения, учитывает и смещение, и шум. Для ACD1200 близко к среднему Δ → шум невелик. Для MH-Z19E RMS > |среднее| → присутствует существенный шум.
• Мин…Макс — показывает реальный разброс, а не только средние. У ACD1200 — диапазон 40–50 ppm; у ACD10 и MH-Z19E — диапазон почти в 2 раза шире.

Вывод: ACD1200 ×4 имеют высокую повторяемость (СКО 10–12 ppm). ACD10 и MH-Z19E — менее стабильны. Все три типа датчиков работают в пределах паспортной погрешности, но с разной степенью шума.

О методике расчёта. Метрики рассчитаны по N = 25 точкам в фазе восстановления боксового теста (21.09, 11:00–15:04) — только те моменты, когда ни один датчик не выходит на границы своего диапазона (403/400/6000/2000 ppm). Это обеспечивает корректность сравнения. Выборка ограничена, поэтому метрики следует рассматривать как предварительные, а не как финальные паспортные характеристики.

9.4. Практическая находка: ACD10 в AUTO завышает

В одном из экспериментов мы обнаружили, что ACD10 в режиме AUTO показывал 1352–1355 ppm, тогда как SCD30 — 676 ppm. Разница — в 2 раза. После переключения ACD10 в MANUAL и ручной калибровки датчик начал показывать 658, 624 ppm, то есть корректно.

Вывод: для ACD10 обязательна ручная калибровка перед использованием. В AUTO он показывает завышенные значения.

10. Тест с герметичным боксом: проверка динамического диапазона

Для проверки динамического диапазона датчиков мы поместили стенд в герметичный прозрачный бокс объёмом ≈ 30 л с естественной утечкой через неплотности. Источник CO₂ — выдыхаемый воздух оператора (несколько выдохов через отверстие в крышке бокса). Такая процедура:

• не даёт точного контроля концентрации CO₂;
• но позволяет быстро создать высокую концентрацию (десятки тысяч ppm) и оценить динамический диапазон каждого датчика и скорость восстановления.

Методика не является метрологической и предназначена только для качественного сравнения откликов датчиков.

10.1. Результаты теста

Восстановление после пика — экспоненциальное: за 2 часа SCD30 падает с 26 322 до 500 ppm (примерно 1,7 порядка).

Рис. 3 — Тест с боксом: пик и восстановление.

10.2. Сравнение динамического диапазона

Рис. 4 — Линейная шкала. Рис. 5 — Логарифмическая шкала.

11. Практические рекомендации по выбору

11.1. Для метрологических задач: SCD30

Применение: лабораторные измерения, поверка других датчиков, научные исследования.

Преимущества:

• Наивысшая точность измерений (±(30 ppm + 3%)).
• Двухканальная архитектура для долговременной стабильности.
• Встроенные датчики температуры и влажности.
• Поддержка Modbus и PWM.
• Диапазон до 10 000 ppm (в тесте с боксом показал до 26 322 ppm).

Ограничения:

• Существенно более высокая стоимость относительно ACD-серии — в несколько раз.
• Требуется FRC-калибровка вручную (раз в 6–12 месяцев).
• Требуется компенсация давления (ΔP от BMP280).
• Temperature offset корректирует только T/RH, но не CO₂.

11.2. Для DCV и систем среднего класса: ACD1200

Применение: приточно-вытяжные установки (HVAC), офисные помещения, школы и детские сады, системы контроля качества воздуха.

Преимущества:

• Покрывает все нормативные пороги ГОСТ 30494-2011 (800, 1000, 1400 ppm).
• Диапазон 400–5000 ppm — с запасом для пиков.
• Доступен через российских дистрибьюторов.
• Разовой калибровки не требует — работает «из коробки»; при установке уставки DCV учитывайте систематическое завышение ~+8–9%.
• Оптимальное соотношение цена/качество.

Ограничения:

• Систематическое завышение ~+8–9% относительно опорного SCD30.
• При 1000 ppm ошибка на границе паспортной ±(50 ppm + 5%) = ±100 ppm.
• Требуется прогрев 24 часа для полной сходимости.

11.3. Для грубого мониторинга: ACD10

Применение: бытовые системы, простые системы вентиляции, образовательные проекты.

Ограничения:

• В AUTO завышает в 2 раза.
• Обязательна ручная калибровка.
• Дрейфует вниз при длительной работе (−48 ppm и более).
• Меньший срок службы (5–7 лет).

11.4. С оговорками: MH-Z19E

Ограничения:

• Диапазон 400–2000 ppm формально покрывает порог 1400 ppm для 3-й/4-й категории ГОСТ 30494-2011, но не обеспечивает запаса для кратковременных пиков выше 2000 ppm (в классах без вентиляции CO₂ может достигать 2000–3000 ppm за один урок).
• Нестабилен: ±19…+70 ppm за несколько часов.
• С ABC ON смещается вниз на −200 ppm.
• Только UART + PWM (нет I²C).
• Для сценариев с пиками выше 2000 ppm рекомендуется выбирать MH-Z19B/C/D с диапазоном до 5000 ppm.

11.5. Сводная таблица соответствия ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21

Сведём результаты испытаний с требованиями нормативных документов. В таблице указано, покрывает ли датчик по диапазону и погрешности реальные пороги ГОСТ и СанПиН, а также какова его систематическая ошибка относительно опорного SCD30.

Таблица 11.1. Соответствие датчиков нормативным требованиям

Пояснение по MH-Z19E. Базовая версия MH-Z19E имеет диапазон 400–2000 ppm. Для школ (СанПиН: ≤ 1000 ppm) и офисов 2-й категории (ГОСТ: ≤ 1000 ppm) этого формально достаточно. Порог 1400 ppm для офисов 3-й категории и спортивных залов также формально покрывается, но без запаса на переходные процессы. Реальное ограничение MH-Z19E — отсутствие запаса для кратковременных пиков выше 2000 ppm, характерных для классов без вентиляции. Для таких сценариев следует выбирать модели MH-Z19B/C/D с диапазоном 400–5000 ppm.

12. Сравнение с альтернативными решениями

Для полноты анализа приведём сравнение с другими моделями линейки Winsen MH-Z19. Важно: диапазон измерения — ключевой параметр, определяющий применимость датчика для конкретных категорий помещений по ГОСТ 30494-2011.

Таблица 12.1. Датчики Winsen серии MH-Z19

12.1. Ключевое ограничение MH-Z19E — диапазон

Базовая версия MH-Z19E имеет диапазон 400–2000 ppm. Это покрывает:

• ✅ школы и детсады (СанПиН: ≤ 1000 ppm);
• ✅ офисы 2-й категории (ГОСТ: ≤ 1000 ppm);
• ✅ жилые помещения (ГОСТ: ≤ 800 ppm оптимально).

Но не обеспечивает запаса:

• ⚠️ для кратковременных пиков выше 2000 ppm — например, в классах без вентиляции CO₂ может достигать 2000–3000 ppm за один урок;
• ⚠️ для сценариев, где требуется измерять концентрацию с гарантированным запасом выше нормативных порогов (для сервисной диагностики, проверки работы вентиляции и т. п.);
• ⚠️ для покрытия порога 1400 ppm диапазона 400–2000 ppm формально достаточно, но без запаса на переходные процессы.

Вывод по разделу 12: среди датчиков серии MH-Z19 базовая версия MH-Z19E имеет самый узкий диапазон (400–2000 ppm). Для школ, детсадов и офисов 2-й категории (СанПиН и ГОСТ: ≤ 1000 ppm) этого формально достаточно. Но для сценариев с кратковременными пиками выше 2000 ppm (классы без вентиляции, проверка работы вентиляции, сервисная диагностика) следует выбирать MH-Z19B/C/D с диапазоном 400–5000 ppm. Датчики ASAIR (ACD1200/ACD10) и Sensirion (SCD30) имеют запас и по этому параметру предпочтительнее.

13. Инженерные рекомендации по интеграции

В этом разделе собраны рекомендации по встраиванию NDIR-датчиков CO₂ в серийные изделия. Материал основан на официальном документе Sensirion «SCD30 Design-In Guidelines» [11], а также на практическом опыте создания тестового стенда. Большинство рекомендаций применимы и к остальным датчикам.

13.1. Требования к монтажу и пайке

• Категорически запрещена волновая пайка. Температура паяльника — ниже 350 °C, время пайки — менее 3 секунд.
• Рекомендуется установка датчика через разъём — для удобства обслуживания и замены при рекламации.
• Отверстия входа/выхода воздуха в корпусе изделия должны быть не меньше отверстий самого датчика.
• PCB датчика рекомендуется обрабатывать влагозащитным покрытием (силиконовый герметик или акриловый лак, толщина ≥ 0,15 мм).

13.2. Размещение датчика в корпусе изделия

SCD30 взаимодействует с окружающей средой через два отверстия: одно для измерения CO₂ (газовая камера), второе — для измерения RH/T (сенсор SHT31 на обратной стороне платы). Молекулы CO₂ могут диффундировать как сверху, так и снизу платы, поэтому важно обеспечить доступ воздуха к датчику со всех сторон.

Ключевое правило: датчик должен располагаться как можно ближе к внешней оболочке изделия, а отверстие для доступа воздуха — как можно больше. Чем больше отверстие, тем лучше воздухообмен между датчиком и средой, и тем быстрее отклик. Внутренний свободный объём корпуса вокруг датчика желательно делать минимальным — это уменьшает «буферный» объём и ускоряет реакцию на изменение концентрации CO₂.

Рекомендуемое расположение:

• Датчик — у внешней стенки корпуса, напротив большого отверстия.
• Обратной стороной к плате изделия (bottom side facing host PCB) — это оптимальная ориентация.
• Монтаж «вверх ногами» тоже допустим, но требует проверки, что конвекционные потоки внутри корпуса не создают градиентов температуры.
• Не размещать датчик в глубине корпуса — воздух до него будет доходить с задержкой, отклик ухудшится.

13.3. Развязка от источников тепла

SCD30 имеет встроенную температурную компенсацию, но она рассчитана на то, что датчик находится в тепловом равновесии с окружающей средой. Внешние источники тепла (микроконтроллер, стабилизаторы, силовые ключи) нарушают это равновесие и вносят погрешность как в измерение температуры, так и в расчёт CO₂ (через температурную компенсацию).

Рекомендации по развязке:

• Расстояние между SCD30 и источниками тепла (MCU, DC-DC, LDO) должно быть максимально большим.
• Датчик желательно располагать ниже источников тепла — чтобы конвекционные потоки горячего воздуха не поднимались к нему.
• Если разнести не удаётся — использовать тепловой экран (например, разрезы в PCB, медные полигоны-радиаторы под источниками тепла).
• Остаточный нагрев SCD30 компенсируется через setTemperatureOffset() — но эта команда корректирует только выходные T и RH, не CO₂. Поэтому лучше устранить причину нагрева конструктивно, а не программно.

13.4. Изоляция от воздушных потоков

Изменение атмосферного давления меняет число молекул CO₂ в оптической камере датчика. Закон Бугера — Ламберта — Бера работает с числовой плотностью молекул, поэтому при изменении давления показания SCD30 «плывут». Воздушные потоки в вентиляционных каналах и коробах создают динамические перепады давления — датчик начинает шуметь и теряет точность.

Рекомендации по изоляции от потоков:

• Размещать датчик в застойной зоне — например, в «кармане» корпуса или за препятствием, которое не пропускает поток напрямую к датчику.
• Использовать отдельный объём, соединённый с основным потоком через небольшое отверстие — это сглаживает динамические перепады давления.
• Не размещать SCD30 непосредственно в потоке воздуха в коробе или воздуховоде.
• Если датчик всё же стоит в потоке — предусмотреть компенсацию давления через setAmbientPressure() с использованием внешнего барометра (BMP280/BME280) — это позволяет учесть статическую составляющую, но не сглаживает динамические колебания.

13.5. Защита от прямого солнечного света

Прямое солнечное освещение создаёт температурные градиенты в корпусе и внутри самого SCD30, а также старит оптические элементы датчика (деградация ИК-фильтров и детекторов). При длительной эксплуатации это приводит к систематическому дрейфу показаний.

Рекомендации по защите от солнца:

• Не размещать изделие с датчиком на прямом солнце (например, у окна на южной стороне).
• Использовать светозащитный козырёк или непрозрачную решётку перед отверстием датчика.
• Учитывать ориентацию корпуса изделия — отверстия не должны «смотреть» в сторону окна.
• При установке в уличных условиях — использовать UV-стойкие материалы корпуса.

13.6. Уровни сигналов и level shifter

SCD30 работает при напряжении 3,3–5,5 В, ACD1200 и ACD10 — при 4,75–5,25 В, MH-Z19E — при 4,9–5,1 В. При подключении датчиков с питанием 5 В к контроллеру с питанием 3,3 В (ESP32-S3, ESP8266) необходим level shifter.

Требования к level shifter для I²C:

• Использовать PCA9306 или аналогичный двунаправленный I²C-транслятор.
• Не использовать TXS0108E — он не предназначен для I²C (слабые pull-up, однонаправленные выходы), что приводит к «просвечиванию» устройств стороны 3,3 В на сторону 5 В и нестабильной адресации.
• Pull-up-резисторы: сторона 3,3 В — 4,7 кОм, сторона 5 В — 4,7 кОм. Слабые (10 кОм) дают таймауты; слишком сильные (1 кОм) перегружают шину.

13.7. Итоговая схема типового изделия

Схематично правильно спроектированное изделие с SCD30 выглядит так:

• Датчик — у внешней стенки, отверстие большое.
• MCU, DC-DC, LDO — в противоположной части корпуса.
• Тепловые экраны / разрезы PCB между источниками тепла и датчиком.
• Защита от прямого солнца — светозащитный козырёк перед отверстием.
• Изоляция от потока — если изделие стоит в воздуховоде, датчик вынести в «карман».

13.8. Рекомендации по компенсации

Даже при правильном конструктивном исполнении SCD30 требует программной компенсации давления, если изделие эксплуатируется в условиях, отличных от стандартных (1013 гПа).

Порядок настройки для серийного изделия:

1. При первом включении — задать setAltitudeCompensation(altitude) по региону эксплуатации.
2. Если в изделии есть барометр — при каждом старте передавать setAmbientPressure(pressure_hPa).
3. Раз в 6–12 месяцев — проводить FRC-калибровку по эталону 400 ppm (или через сервисное меню устройства).

14. Заключение

ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21 задают конкретные, измеримые требования к концентрации CO₂ в помещениях. Для школ и детских садов СанПиН устанавливает жёсткий предел 1000 ppm. ГОСТ 30494-2011 классифицирует помещения по 6 категориям: от 800 ppm (оптимально для жилых и спален) до 1400 ppm (допустимо для офисов с массовым пребыванием и спортивных залов).

Выбор датчика для серийного HVAC-изделия определяется:

• Покрытием диапазона — датчик должен уверенно измерять до 1400 ppm (максимальный порог ГОСТ) и выше — для учёта пиков.
• Погрешностью — при пороге 1000 ppm ошибка не должна превышать паспортную ±(50 ppm + 5%) = ±100 ppm.
• Стабильностью — без дрейфа вниз и уходов.
• Доступностью компонентной базы в РФ.
• Интерфейсами — I²C, UART, Modbus для интеграции с BMS.
• Сроком службы — не менее 10 лет.

Итоговые рекомендации

Об уставке DCV для ACD1200. Систематическое завышение +8–9% означает, что при реальной концентрации 1000 ppm датчик покажет ≈ 1080–1090 ppm. Это не «компенсируется» уставкой — уставка просто смещает порог срабатывания вниз, чтобы вентиляция включилась вовремя по реальной концентрации:

Таким образом, уставка 900 ppm по показаниям ACD1200 соответствует ≈ 830 ppm реальной концентрации — с запасом ~170 ppm до нормативного порога 1000 ppm по реальному CO₂.

Ключевой вывод

ACD1200 — оптимальный выбор для серийных HVAC-изделий в России:

• покрывает все нормативные пороги ГОСТ 30494-2011 и СанПиН 1.2.3685-21 (800, 1000, 1400 ppm);
• диапазон 400–5000 ppm обеспечивает запас для пиков;
• доступен через российских дистрибьюторов (Симметрон);
• разовой калибровки не требует — работает «из коробки»; при установке уставки DCV учитывайте систематическое завышение ~+8–9% (при пороге 1000 ppm по реальному CO₂ уставка по показаниям ACD1200 должна быть ≈ 900 ppm — см. пояснение выше);
• для метрологических задач требуется калибровка по газовой смеси или поверенному прибору.

Что важно понимать про опорный SCD30.

SCD30 в нашем стенде не является поверенным эталоном. По точности ±(30 ppm + 3%) против ±(50 ppm + 5%) у ACD — это сравнение двух рабочих датчиков. Для метрологических задач необходима поверка по газовым смесям или соответствующим приборам. Для практических задач DCV относительное сравнение датчиков между собой достаточно — оно показывает систематическое завышение ~+8–9% у ACD1200 и нестабильность MH-Z19E, что и требовалось доказать.

Что делать проектировщику HVAC-системы

• Для школ и детских садов (СанПиН: ≤ 1000 ppm) — ACD1200 с уставкой DCV на 800–900 ppm по показаниям датчика (что соответствует ~740–830 ppm реального CO₂ с учётом завышения +8–9%).
• Для офисов 2-й категории (ГОСТ: ≤ 1000 ppm) — ACD1200 с уставкой 800–900 ppm по показаниям датчика.
• Для офисов 3-й категории и спортивных залов (ГОСТ: до 1400 ppm) — ACD1200 рекомендуется: MH-Z19E формально покрывает 1400 ppm, но без запаса на пики; ACD1200 имеет запас до 5000 ppm.
• Для метрологических задач и лабораторий — SCD30 с обязательной поверкой по газовой смеси или прибору класса Vaisala GMP25.

Практический опыт создания тестового стенда показал: даже при наличии официального даташита могут возникать неоднозначности, требующие уточнения у производителя (раздел 6). Мы рекомендуем:

• Всегда проверять I²C-адреса на реальном устройстве (0x2A vs 0x54 — раздел 6.1).
• Уточнять формат ответа для UART-команд (9 байт, а не 7 — раздел 6.2).
• Проверять алгоритм checksum (CS) на конкретных примерах (раздел 6.3).
• Обеспечивать правильную последовательность питания и надёжный контакт GND для UART-режима (раздел 6.4).
• Использовать внешнюю EEPROM (K24C256) для длительного логирования.

15. Список использованных источников

1. ACD1200 Infrared Carbon Dioxide Sensor — Product Datasheet. ASAIR, 2024.
2. ACD10 Infrared Carbon Dioxide Sensor — Product Documentation. ASAIR.
3. SCD30 Sensor Module — Datasheet. Sensirion AG.
4. MH-Z19E NDIR CO₂ Module — Product Specification. Winsen Sensors.
5. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
6. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
7. СП 60.13330 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
8. СП 54.13330 «Здания жилые многоквартирные».
9. СП 2.4.3648-20 «Санитарно-эпидемиологические требования к организациям воспитания и обучения, отдыха и оздоровления детей и молодёжи».
10. Sensirion AG. Field Calibration for SCD30 — Application Note, 2020–2021.
11. Sensirion AG. SCD30 Design-In Guidelines, 2019.
12. Marwanga R. et al. Performance evaluation of low-cost NDIR CO₂ sensors for indoor air quality monitoring. Building and Environment, 2021.
13. Pang X. et al. A low-cost NDIR CO₂ sensor for indoor air quality monitoring: calibration and field evaluation. Sensors and Actuators B, 2020.
14. Ferdinand O. et al. Inter-comparison of low-cost CO₂ sensors for indoor air quality applications. Atmospheric Measurement Techniques, 2021.
15. Zimmermann L. et al. Long-term performance of low-cost CO₂ sensors in real indoor environments. Indoor Air, 2022.
16. Bastviken D. et al. Technical note: Facilitating the use of low-cost CO₂ sensors. Biogeosciences, 2020.

16. Файлы для скачивания

Техническая поддержка: sensors@symmetron.ru

Скачать оффлайн-версию статьи (ZIP)

В оффлайн-версии все графики интерактивные — работают без интернета. Наведите мышь на график, чтобы увидеть значения. Кликните на кнопки-переключатели над графиком, чтобы скрыть или показать нужный датчик.

Данные для графиков (CSV-файлы)

• Файл 1: data_all.csv — объединённый лог за 4 суток.
• Файл 2: data_box.csv — боксовый тест.

Программное обеспечение стенда

• Скетч стенда под Arduino IDE v.2.3.7: CO2_stand_v3_3.ino (архив CO2_stand_v3_3.zip).
• Монитор питания: Arduino_Nano_Timer_v3_diagnostic_OK.ino (архив Arduino_Nano_Timer_v3_diagnostic_OK.zip).

Заказ образцов датчиков: SCD30, ACD1200, ACD10.

Вернуться к содержанию