Inteligentne czujniki jakości powietrza w aplikacjach monitorowania środowiska

Czujniki używane w tych aplikacjach muszą być kompaktowe, energooszczędne, realizować funkcje bezpiecznego rozruchu i pozwalać na aktualizację oprogramowania firmware. Często zawierają wiele sensorów w jednej obudowie, pozwalając dzięki temu na analizę szerokiego spektrum parametrów składających się na jakość powietrza. Integracja takiej rozbudowanej funkcjonalności w kompaktowej i energooszczędnym urządzeniu może być skomplikowana i wiązać się z kilkoma iteracjami, co skutkuje wzrostem kosztów i opóźnieniami w wprowadzeniu na rynek.

Aby skrócić czas wprowadzenia produktu na rynek i utrzymać w ryzach koszty, projektanci mogą skorzystać z fabrycznie skalibrowanych czujników modułowych, które obsługują proces bezpiecznego rozruchu i pozwalają na aktualizacje firmware oraz zapewniają komunikację, w tym wysyłanie danych do chmury lub połączenie z systemem lokalnym za pomocą magistrali CAN.

W tym artykule omówiono optyczne czujniki zanieczyszczenia powietrza, w tym sensory elektrochemiczne i czujniki wieloparametrowe. Przedstawiono rozwiązania produktowe i platformy rozwojowe firm Sensirion, Metis Engineering i Spec Sensors, wraz z powiązanymi układami pomocniczymi firmy Infineon Technologies.

 

Rys. 1. Czujniki OPC wykorzystują do zliczania cząstek unoszących się w powietrzu laser i fotodiodę

Czujniki cząstek stałych zawieszonych w powietrzu (PM, particulate matter) umożliwiają pomiar liczby określonych rozmiarów zanieczyszczeń w jednostce powietrza, takich jak PM2,5 i PM10, które odpowiadają cząsteczkom o średnicach odpowiednio 2,5 i 10 μm. Jedną z technologii używanych do tego celu jest OPC (optical particle counter), w której badane powietrze przepływa przez komórkę pomiarową wyposażoną w laser i fotodetektor (rys. 1). Zawarte w powietrzu cząsteczki rozpraszają światło lasera, a fotodetektor mierzy wielkość promieniowania odbitego. Następnie pomiar przelicza się na stężenie masowe w mikrogramach na metr sześcienny (μg/m³) oraz liczbę cząstek zanieczyszczeń na centymetr sześcienny. Liczenie cząstek za pomocą OPC jest koncepcyjnie proste, ale przekształcenie sygnału z fotoelementu na stężenie jest już złożone. Oprogramowanie używane do tego celu musi uwzględniać parametry optyczne cząstek, takie jak kształt i współczynnik załamania światła. W rezultacie czujniki OPC charakteryzują się mniejszą dokładnością w porównaniu z innymi metodami detekcji, takimi jak technologie grawimetryczne, czyli bazujące na pomiarze masy.

Nie wszystkie detektory tego typu działają identycznie. Są na rynku dokładne i drogie wersje laboratoryjne, które są w stanie zliczyć każdą cząstkę znajdującą się w komorze pomiarowej. Dostępne są też tanie rozwiązania, które badają jedynie ok. 5% objętości aerozolu i za pomocą oprogramowania interpolują ogólną "wartość". W szczególności gęstość zanieczyszczeń ze strony "dużych" cząstek, takich jak PM10, która jest zwykle bardzo mała, nie może być mierzona bezpośrednio przez tanie sensory OPC.

W danych pomiarowych z czujników OPC wraz ze wzrostem wielkości cząstek liczba zliczeń szybko maleje, bo są one ciężkie. W porównaniu z aerozolem zawierającym cząstki PM1.0 taki, który będzie zawierał PM8, ma około 500 razy mniej cząstek na daną masę. Stąd, aby zmierzyć koncentrację większych cząstek z taką samą dokładnością jak małych, tani sensor OPC musi realizować pomiar przez kilka godzin, aby uzyskać równoważny wynik. Na szczęście aerozole mają dość spójny rozkład małych i dużych cząstek w typowych środowiskach. Dzięki odpowiednim algorytmom możliwe jest więc dokładne oszacowanie liczby większych cząstek, takich jak PM4.0 i PM10, w oparciu o wyniki pomiar cząstek PM0.5, PM1.0 i PM2.5.

Amperometryczne czujniki gazu

Zamiast mierzyć liczbę cząstek, czujniki amperometryczne mierzą stężenie gazu. Są to sensory elektrochemiczne, które wytwarzają prąd liniowo proporcjonalny do objętości mierzonego gazu. Ich sygnałem wyjściowym jest prąd elekEngitryczny będący skutkiem elektrochemicznego utleniania lub redukcji cząsteczek oznaczanego gazu na powierzchni jednej z elektrod czujnika. Typowy czujnik amperometryczny składa się z dwóch elektrod i elektrolitu. Stężenie gazu jest mierzone na elektrodzie czujnikowej, która składa się z metalowego katalizatora, który przyspiesza reakcję chemiczną z mierzonym gazem. Gaz reaguje z elektrodą czujnikową i jest podawany do czujnika przez kapilarną barierę dyfuzyjną. Druga elektroda działa jak półogniwo i uzupełnia obwód (rys. 2). Obwód zewnętrzny mierzy przepływ prądu i określa stężenie gazu. W niektórych projektach do czujnika dołączona jest trzecia elektroda "referencyjna", aby poprawić stabilność, polepszyć stosunek sygnału do szumu i przyspieszyć czas odpowiedzi.

 

Rys. 2. Czujniki amperometryczne wykorzystują do pomiaru stężenia gazów dwie elektrody oddzielone warstwą elektrolitu

Wieloparametrowe czujniki do akumulatorów

 

Rys. 3. Specyficzny skład wyziewów gazowych jest charakterystyczny dla pierwszej fazy odpowietrzania akumulatora

Monitorowanie jakości powietrza to pierwsze i najważniejsze zastosowanie, jak na razie. Drugim perspektywicznym obszarem aplikacyjnym czujników modułowych są elementy do ochrony akumulatorów w pojazdach EV i magazynach energii. Monitorują one ciśnienie, temperaturę powietrza, wilgotność, punkt rosy i bezwzględną zawartość wody, a także poziomy lotnych związków organicznych (LZO), takich jak metan (CH₄), etylen (C₂H₄), wodór (H₂), tlenek węgla (CO) i dwutlenek węgla (CO₂). Podczas pierwszej fazy odpowietrzania akumulatora wyziewy gazowe akumulatorów litowo-jonowych z katodą niklowo-manganową i kobaltową mają znany skład chemiczny (rys. 3). Stężenie wodoru jest krytyczne. Jeśli zbliża się do 4%, tj. dolnej granicy wybuchowości, istnieje możliwość pożaru. Czujnik ciśnienia pomaga wykryć niewielkie wzrosty ciśnienia wewnątrz akumulatora spowodowane odpowietrzaniem, a fałszywych wyników dodatnich można uniknąć, porównując wzrost ciśnienia z pomiarami innych czujników.

Tego typu wieloparametrowe czujniki monitorują również zbyt chłodne warunki pracy. Duże pakiety akumulatorów w pojazdach elektrycznych i magazynach energii często zawierają systemy aktywnego chłodzenia, aby zapobiec przegrzaniu ogniw podczas ładowania lub rozładowywania. Jeśli zostaną zbyt mocno schłodzone, temperatura wewnątrz pakietu może spaść poniżej punktu rosy, powodując kondensację wilgoci wewnątrz pakietu, potencjalnie zwierając ogniwa i powodując niestabilność cieplną. Czujnik punktu rosy sygnalizuje problem do BMS, zanim kondensacja pojawi się na zaciskach akumulatora.

Laserowe czujniki jakości powietrza

Projektanci systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), oczyszczaczy powietrza i podobnych urządzeń mogą użyć czujnika pyłów zawieszonych SPS30 firmy Sensirion do monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach lub na zewnątrz. Czujniki SPS mierzą stężenie masowe PM1.0, PM2.5, PM4 i PM10, a także liczbę cząstek PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 i PM10. Charakteryzują się dokładnością stężeń masowych rzędu ±10%, zakresem pomiarowym stężeń masowych od 0 do 1000 μg/m³ i żywotnością ponad dziesięć lat. SPS30 ma interfejs I²C do połączenia czujnika z resztą systemu na niewielką odległość i UART7 do wymiany danych na dystansie większym niż 20 cm.

Automatyczny tryb czyszczenia wentylatora zawartego w czujniku może być uruchamiany w ustalonych odstępach czasu, aby zapewnić rzetelne pomiary. Czyszczenie wentylatora przyspiesza wentylator do maksymalnej prędkości na 10 s i wydmuchuje nagromadzony kurz. Pomiaru koncentracji pyłu w powietrzu jest wyłączony w tym czasie. Domyślny interwał czyszczenia to co tydzień, ale można ustawić inne przedziały, aby spełnić wymagania aplikacji.

Zestawy deweloperskie i bezpieczny rozruch

W celu przetestowania możliwości pomiarowych w zakresie jakości powietrza czujnika SPS30 można wykorzystać płytkę ewaluacyjną SEK-SPS30, którą podłącza się do komputera. Ponadto Digi-Key oferuje platformę pozwalającą na połączenie czujników jakości powietrza firmy Sensirion z mikrokontrolerami PSoC 6 Infineona w celu opracowania inteligentnych systemów monitorowania jakości powietrza nowej generacji. W przypadku systemów inteligentnych budynków, w których zagadnienia prywatności i ochrony danych mają duże znaczenie, PSoC 6 zapewnia bezpieczny rozruch i aktualizacje oprogramowania firmware (rys. 4).

 

Rys. 4. Zestaw projektowy przygotowany przez firmy Sensirion i Infineon pomaga zrealizować bezpieczny rozruch i aktualizacje oprogramowania firmware

Czujniki do współpracy z akumulatorami

 

Rys. 5. Czujnik bezpieczeństwa akumulatora zawiera wymienny filtr powietrza (białe kółko w środku)

Projektanci pakietów akumulatorów do pojazdów EV i magazynów energii mogą skorzystać z czujnika CANBSSGEN1 firmy Metis Engineering do monitorowania ich bezpieczeństwa. Został on zaprojektowany w celu wykrywania awarii spowodowanych nieprawidłową wentylacją ogniw. Ten czujnik ma magistralę CAN i zawiera wymienny filtr powietrza. Jest szczególnie przydatny w pojazdach elektrycznych (rys. 5). Opcjonalny akcelerometr może monitorować wstrząsy do 24 g i czas trwania uderzenia, umożliwiając systemowi zidentyfikowanie, kiedy akumulator został narażony na narażenia mechaniczne powyżej bezpiecznego poziomu. Może on kontrolować:

• ciśnienie bezwzględne w zakresie 0,2–5,5 bara,
• temperaturę powietrza od –30 do +120°C,
• LZO, ekwiwalentną koncentrację CO₂ (_eCO₂) i H₂ w częściach na miliard (ppb),
• wilgotność bezwzględną w miligramach pary wodnej na metr sześcienny (mg/m3), - temperaturę punktu rosy.

Zestaw deweloperski czujnika CAN

Zestaw rozwojowy DEVKGEN1V1 pomaga skrócić czas projektowania systemu przy użyciu czujników Metis CAN. Czujniki te pozwalają na konfigurację prędkości i adresu magistrali CAN i obsługują bazę danych DBC CAN, która pozwala na ich integrację z prawie każdym pojazdem z magistralą CAN. Podstawowy zestaw deweloperski można rozbudować o obsługę większej liczby czujników.

Czujnik jakości powietrza w pomieszczeniu

 

Rys. 6. Amperometryczny czujnik gazu 110-801 wykonany techniką druku grubowarstwowego może mierzyć stężenie różnych gazów odpowiadających za jakość powietrza

Do systemów monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach i kabinach pojazdów przeznaczony jest 110- 801 firmy SPEC Sensors. To amperometryczny czujnik gazu z sensorem wykonanym techniką druku grubowarstwowego, który może wykrywać szeroką gamę gazów związanych z niską jakością powietrza, w tym alkohole, amoniak, tlenek węgla, różne gazy złowonne i siarczki. Odpowiedź tych sensorów jest liniowo proporcjonalna do ułamka objętościowego mierzonego gazu, co upraszcza konstrukcję systemu (rys. 6). Inne cechy tego czujnika o wielkości 20×20×3 mm to:

• czułość wyrażona w częściach na milion (ppm),
• moc pobierana przez sensor wynosi poniżej dziesięciu mikrowatów,
• zakres temperatur pracy od –10°C do +40°C (praca ciągła od 0°C do +40°C),
• solidne i stabilne działanie w obecności szerokiej gamy zanieczyszczeń.

Aplikacja czujnika amperometrycznego

Potencjał elektrody roboczej w amperometrycznym czujniku gazu jest regulowany w obwodzie potencjostatu. Zapewnia on precyzyjną kontrolę wartości potencjału elektrody pracującej względem elektrody odniesienia a jednocześnie pomiar sygnału czujnika (prądu) – rysunek 7. Napięcie na pinie 2 wzmaczawieszonych w pomieszczeniach i na zewnątrz. Oparte na CAN moduły wielosensorowe mogą kontrolować proces odpowietrzania akumulatorów w pojazdach EV i magazynach BESS i pomagać zapobiegać niestabilności termicznej oraz ewentualnym pożarom lub wybuchom. Niskomocowe amperometryczne czujniki gazów wykonane techniką grubowarstwową mogą być używane do wykrywania szerokiej gamy gazów w celu kontroli jakości powietrza.

 

Rys. 7. Uproszczony schemat potencjostatu współpracującego z czujnikiem amperometrycznym

Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/