Nowoczesne czujniki gazów do aplikacji monitorowania jakości powietrza
| TechnikaMonitorowanie jakości powietrza staje się koniecznością i jest coraz szerzej wykorzystywane w przemyśle, systemach wentylacji i klimatyzacji oraz w sprzęcie konsumenckim. Szybko rozwijającym się obszarem są też miniaturowe stacje kontroli jakości powietrza, gdzie tradycyjne rozwiązania detektorów, a więc głównie stacjonarne stacje monitorowania, są duże i drogie i zwykle analizują ograniczoną liczbę próbek. Z tych powodów zyskują uznanie w branży liczne rozwiązania miniaturowe, zasilane z baterii i wykorzystujące komunikację bezprzewodową.
Wiele tradycyjnych rozwiązań czujników gazów nie nadaje się do pracy w nowoczesnych aplikacjach, w tym IoT, bo wykorzystuje za duże czujniki, które nie nadają się do integracji w ramach jednego chipa oraz zwykle zużywają dużo energii, która jest wymagana na pracę grzałki katalitycznej. W wielu zasiedziałych na rynku produktach brakuje też potrzebnej dzisiaj możliwości przetwarzania danych z sensora już w czujniku, łączności i bezpieczeństwa danych, autodiagnostyki i raportowania stanu, które są z kolei fundamentalne dla nowoczesnych aplikacji z obszaru Internetu Rzeczy (IoT) i przemysłowego IoT (IIoT).
Pomoc w rozwiązaniu takich problemów przynoszą nowe opracowania pojawiające się w ofertach firm takich jak Cypress Semiconductor, Gas Sensing Solutions, IDT, Renesas i Sensirion. Ci producenci wytwarzają zintegrowane czujniki gazów o rozbudowanej funkcjonalności. Te nowe wersje zapewniają większą integrację produktów (mają mniejsze wymiary), dają możliwość wstępnego przetwarzania danych, zapewniają bezpieczeństwo i funkcje komunikacji bezprzewodowej oraz, co jest równie istotne, umożliwiają dokładniejsze pomiary w celu wykrycia nawet drobnych zmian składu gazów w środowisku w domach, budynkach, samochodach, szpitalach i fabrykach. Większość nowych konstrukcji jest ponadto fabrycznie kalibrowana.
W tym artykule przedstawiono kilka przykładów takich komponentów i pokazano, w jaki sposób projektanci mogą z nich skorzystać, stosując różne dostępne konfiguracje, projekty referencyjne i oprogramowanie narzędziowe.
Co jest istotne w czujnikach gazu do IoT?
Za nową jakość w czujnikach odpowiada przede wszystkim postęp technologiczny w układach MEMS. Poza miniaturyzacją dzięki MEMS-om zapewniono jednocześnie większą dokładność i niezawodność takich detektorów. Wraz z krótkim czasem reakcji są to istotne cechy, które określają zdolność czujnika gazu do monitorowania środowiska w czasie rzeczywistym.
Oczywiście wykorzystywana technologia wykrywania gazu cały czas jest bardzo ważna, niemniej nie jest ona jedynym wyznacznikiem funkcjonalności czujnika. Liczy się też dostępność kalibracji fabrycznej, co oszczędza producentom mnóstwo kosztów, a ponadto możliwość wyboru czujnika dokładnie dopasowanego do konkretnego rodzaju gazu, zakresu stężeń i oczywiście także posiadanego budżetu. Nowoczesne czujniki mają ponadto wbudowane układy kondycjonowania i obróbki sygnału z sensora, takie jak korekcja liniowości, wpływu temperatury, off setu, plus także zintegrowane przetworniki analogowo- cyfrowe z interfejsem komunikacyjnym, które uwalniają projektantów od wielu obowiązków i umożliwiają szybką integrację czujników gazu z różnymi aplikacjami IoT.
Czujniki gazu MEMS to z reguły rozwiązania jednochipowe, gdzie poza sensorem struktura scalona zawiera całe elektroniczne otoczenie, takie jak wzmacniacz o programowalnym wzmocnieniu, ADC, bufor na dane, interfejs komunikacyjny, pamięć EPROM na dane kalibracyjne itd. Wielu producentów dokłada do tej listy mikrokontroler zarządzający działaniem sensora i realizujący proces autokalibracji. Czasem pamięci jest więcej, co pozwala wraz z mikrokontrolerem stworzyć autonomiczny system akwizycji danych, który okresowo mierzy stężenie, zapisuje w pamięci dane i co jakiś czas na żądanie wysyła je do hosta.
Oprogramowanie wbudowanego mikrokontrolera pozwala uzyskać niskie zużycie energii, a także zrealizować funkcje bezpieczeństwa, na przykład autoryzację czujnika przez możliwość odczytania jego numeru seryjnego.
Wstępnie skalibrowane czujniki gazu
Przykładem takiego czujnika gazu może być ZMOD4510IA1R firmy IDT, który może wykrywać stężenia już od 20 pbb (części na miliard). Jest on zoptymalizowany pod kątem wykrywania w powietrzu śladowych koncentracji gazów takich jak tlenki azotu (NOx) oraz ozon (O3), których poziomy są składnikiem wskaźnika jakości powietrza (AQI) amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (EPA). Czujnik w formie modułu ma wymiary 3×3×0,7 mm i zawiera poza sensorem kompletne otoczenie elektroniczne kondycjonujące sygnał (rys. 1).
Sensor składa się z elementu grzejnego umieszczonego na krzemowej strukturze MEMS razem z rezystorem metalowo- tlenkowym (MOx). Układ scalony zintegrowany z czujnikiem dokonuje kondycjonowania sygnału, kontroluje temperaturę czujnika i mierzy przewodność rezystora MOx, która jest funkcją stężenia gazu.
Sensor metalowo-tlenkowy jest wysoce odporny na zanieczyszczenia, co zapewnia niezawodność działania w trudnych warunkach.
Producent dostarcza projektantom zestaw ewaluacyjny ZMOD4510-EVK-HC, który współpracuje z pecetem przez USB i umożliwia testowanie modułu czujnika gazu. Aplikacja działająca pod Windows wyświetla zmierzoną wartość ozonu i tlenków azotu (rys. 2).
Inna seria czujników, jak HS300x firmy IDT, dostarcza skalibrowanych fabrycznie wyników pomiaru wilgotności względnej (RH) i temperatury za pośrednictwem standardowego interfejsu I²C. Kompensacja temperaturowa zapewnia dużą dokładność pomiaru wilgotności w szerokim zakresie temperatur. Czujniki MEMS z tej serii, a więc: HS3001, HS3002, HS3003 i HS3004, mają wymiary 3×2,41×0,8 mm i różnią się jedynie dokładnością pomiarów wilgotności względnej i temperatury.
Monitorowanie jakości powietrza w oparciu o chmurę
Coraz częściej projektanci elektroniki poszukują czujników gazu pozwalających na rejestrowanie parametrów związanych z jakością powietrza, nie tylko dostarczających je do lokalnego hosta, ale także pozwalających na pobieranie ich do chmury przez bezprzewodowe połączenie i protokół IP. Na rynku są czujniki o takich możliwościach i wybierając je, trzeba zwrócić uwagę na funkcje bezpieczeństwa oraz możliwość monitorowania pracy takiego elementu z poziomu zdalnego pulpitu.
Przykładem może być YSAECLOUD2 AE-Cloud2 firmy Renesas. Jest to referencyjny projekt zbudowany na bazie mikrokontrolera Synergy S5D9. Umożliwia on programistom podłączanie urządzeń, takich jak czujnik gazu ZMOD4510IA1R i czujnik wilgotności HS3001, do chmury za pośrednictwem Wi-Fi, sieci komórkowej i innych kanałów komunikacji. Zestaw umożliwia także wizualizację danych czujnika w czasie rzeczywistym.
To rozwiązanie ma wiele odpowiedników i projektanci zainteresowani monitoringiem jakości powietrza w pomieszczeniach i na zewnątrz za pomocą platform chmurowych mają w czym wybierać.
Warto zwrócić ponadto uwagę na inteligentny system monitorowania jakości powietrza przygotowany przez Digi-Key. Wysyła on dane pomiarowe do chmury i bazuje na układach PSoC 6 firmy Cypress Semiconductor oraz czujnikach gazu i pyłu firmy Sensirion (rys. 3). Mikrokontroler PSoC 6 zapewnia niski pobór mocy oraz ma programowalne układy peryferyjne zapewniające kondycjonowanie sygnału i proste połączenie MCU z czujnikiem.
Należy zauważyć, że większość czujników IoT monitorujących jakość powietrza – zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz pomieszczeń – jest zasilana z baterii, a więc ma ograniczone zasoby energii. Z tej perspektywy układy PSoC 6 są w stanie istotnie wydłużyć żywotność baterii ze względu na ich małe potrzeby energetyczne. Procesor ten zawiera dwa wbudowane rdzenie: ARM Cortex-M4, który obsługuje zadania o większej złożoności obliczeniowej, a także ARM Cortex-M0+ do zadań o zoptymalizowanym poborze mocy oraz współpracy z blokami zapewniającymi bezpieczeństwo. Pobór prądu w stanie aktywnym wynosi 22 μA/ MHz dla rdzenia M4 i 15 μA/MHz dla rdzenia M0+. Ponadto mikrokontroler PSoC 6 realizuje bezpieczne uruchamianie, aktualizację oprogramowania układowego i ma sprzętowy akcelerator kryptograficzny. Zagadnienia bezpieczeństwa stają się coraz bardziej istotne i są brane pod uwagę także w inteligentnych domach i środowiskach przemysłowych. W obszarze tym zapewnienie prywatności użytkowników zawsze będzie istotne i PSoC 6 może być dobrym wyborem.
Mikrokontrolery PSoC 6 wraz z czujnikami gazów firmy Sensirion sprawdzą się przy tworzeniu aplikacji do oczyszczaczy powietrza, systemów wentylacji i innych systemów do monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach. Mogą precyzyjnie kontrolować środowisko, szybko reagując na zmiany w stężeniu gazów.
Na przykład czujnik gazu Sensirion SGP30 zawiera w jednym elemencie wiele detektorów (pikseli) bazujących na rezystorach metalowo-tlenkowych, dzięki czemu może mierzyć całkowity poziom lotnych związków organicznych (LZO) i zawartość CO2 (w tym także tzw. ekwiwalentną zawartość CO2). LZO pochodzą z materiałów chemicznych oraz mebli i produktów mieszkaniowo/ budowlanych, takich jak dywany, meble, farby i rozpuszczalniki. Poziom LZO (jako parametr tVOC) pozwala na szybką ocenę jakości powietrza w pomieszczeniach.
SGP30 ma wymiary 2,45×2,45×0,9 mm i może mierzyć tVOC i CO2 w oparciu o jednoczęściową membranę zbudowaną z rezystorów metalowo-tlenkowych o dużej odporności na zanieczyszczenia. W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników gazu, które tracą stabilność i dokładność po kilku miesiącach z powodu związków chemicznych zwanych siloksanami, membrana sensora w tym czujniku jest na nie odporna. Zapewnia to długoterminową stabilność pomiarów. Element ten jest podgrzewany od spodu, co zapewnia małe wymiary. Podłączenie kontaktów do rezystorów MO także zrealizowano od spodu (rys. 4).
Jeszcze większą uniwersalność aplikacyjną zapewnia czujnik SVM30, który jest połączeniem detektora gazu SGP30 z sensorem wilgotności i temperatury SHTC1. To jest już złożony moduł zawierający wiele elementów czujnikowych oraz rozbudowaną zintegrowaną elektronikę zapewniającą przetwarzanie sygnałów analogowych i cyfrowych, kalibrację i pamięć na dane oraz interfejs cyfrowy I²C.
Szybkość detekcji
Oprócz wartości poziomu, w czujnikach gazu ważna jest też szybkość wykrywania, a więc zdolność do monitorowania gwałtownie zmieniającego się stężenia. Jest to kluczowe w systemach wentylacji, aplikacjach medycznych, np. w analizie oddechu. W ostatnich latach wchodzące na rynek czujniki gazu mają znacznie większą częstotliwość próbkowania sygnału z sensora niż dawniej. Widać to szczególnie w przypadku czujników jakości powietrza w pomieszczeniach zasilanych z baterii. Takie czujniki o szybkiej reakcji bazują na innej konstrukcji sensora, bez grzałki podgrzewającej katalityczny element pomiarowy, która nie pozwala osiągnąć dużej szybkości odczytu w rozwiązaniach klasycznych.
Przykładem takiego detektora jest czujnik gazu SprintIRWF-20 firmy Gas Sensing Solutions. Ma on detektor optyczny wykonany z diody LED z antymonku indu (InSb), układ optyczny i fotodetektor. Całość nie zawiera ruchomych części ani grzałki (rys. 5). Element dokonuje pomiaru z szybkością 20 odczytów na sekundę i jest wyposażony w opcjonalny adapter przepływowy. SprintIR-WF-20 ma trzy zakresy pomiarowe dla CO2: 0–5%, 0–20% i 0–100%, i jego dokładność wynosi ± 70 ppm.
Czujnik komunikuje się za pomocą nieskomplikowanego interfejsu UART i może być łączony różnymi bezprzewodowymi sieciami IoT, takimi jak ZigBee, LoRaWAN, Sigfox i EnOcean. Pobiera tylko 35 mW, a więc znacznie mniej energii niż typowe czujniki CO2 na podczerwień typu NDIR (non-disruptive infrared). Element jest zasilany napięciem z zakresu 3,25–5,5 V i pobiera prąd poniżej 15 mA (w szczycie do 100 mA). To bardzo niewiele i dlatego SprintIRWF- 20 nadaje się do urządzeń zasilanych bateryjnie. Producent zapowiada, że dokonane ostatnie zmiany oprogramowania wewnętrznego jeszcze bardziej wydłużają żywotność baterii i zwiększają dokładność wykrywania CO2. Producent przygotował dla niego zestaw ewaluacyjny EVKITSWF-20, umożliwiający podłączenie do peceta przez USB w celu analizy danych.
Rich Miron, Digi-Key Electronics
Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/
