Cum se utilizează senzorii inteligenți de calitate a aerului pentru monitorizarea mediului

Monitorizarea mediului cu ajutorul senzorilor inteligenți de calitate a aerului se extinde în diverse aplicații, de la case, clădiri și orașe inteligente, la vehicule convenționale și electrice (VE) și sisteme de stocare a energiei cu baterii (SSEB). În casele, clădirile și orașele inteligente, senzorii de calitate a aerului pot contribui la garantarea sănătății și a siguranței prin monitorizarea particulelor în suspensie și a gazelor asociate cu o calitate slabă a aerului, precum și prin detectarea fumului pentru avertizarea timpurie în caz de incendiu. În habitaclul vehiculelor, acești senzori pot să identifice compușii organici volatili (COV) și nivelurile ridicate de CO₂ care pot cauza probleme de sănătate. În cazul vehiculelor electrice și al sistemelor SSEB, acestea pot fi utilizate pentru a detecta o creștere a presiunii și niveluri ridicate de hidrogen în incinta bateriei în urma primei faze de aerisire a unei celule, permițând sistemului de gestionare a bateriei (BMS) să reacționeze și să prevină un al doilea eveniment de aerisire sau o avalanșă termică a întregului sistem de baterii.

Senzorii utilizați în aceste aplicații trebuie să fie compacți, cu consum redus de energie și capabili să suporte o pornire și o actualizare securizată a firmware-ului. Adesea, acestea trebuie să includă mai mulți senzori, acoperind un spectru larg de monitorizare a calității aerului. Integrarea acestei game de funcționalități într-o unitate compactă și cu consum redus de energie poate fi un proces descurajant, predispus la reporniri, rezultând într-o soluție cu costuri ridicate și întârzierea lansării pe piață.

Pentru a accelera timpul de lansare pe piață și pentru a controla costurile, proiectanții pot utiliza module de senzori care sunt calibrate din fabrică, suportă o pornire securizată și actualizări de firmware și oferă opțiuni de conectivitate, inclusiv trimiterea datelor în cloud sau utilizarea unui CAN sau a unei alte magistrale pentru conexiuni locale.

Acest articol începe prin compararea contoarelor optice de particule, a tehnologiilor de senzori electrochimici și multiparametrici serigrafiați. Prezintă soluții de senzori pentru calitatea aerului și platforme de dezvoltare de la Sensirion, Metis Engineering și Spec Sensors, împreună cu dispozitive complementare de la Infineon Technologies, și include sugestii pentru accelerarea procesului de dezvoltare.

Senzorii de particule (PM) furnizează numărători pentru dimensiuni specifice ale particulelor, cum ar fi PM2,5 și PM10, care corespund particulelor cu diametrul de 2,5 microni și, respectiv, 10 microni, precum și pentru alte dimensiuni de particule, în funcție de necesitățile aplicației specifice. Contoarele optice de particule (OPC) sunt o tehnologie specifică pentru particule, care deplasează aerul ce urmează să fie măsurat printr-o celulă de măsurare care conține un laser și un fotodetector (Figura 1). Particulele din aer împrăștie lumina laserului, iar detectorul măsoară lumina împrăștiată. Măsurarea este convertită în concentrație masică în micrograme pe metru cub (μg/m³) și calculează numărul de particule pe centimetru cub (cm³). Numărarea particulelor cu ajutorul unui OPC este simplă, dar convertirea acestor informații într-un număr de concentrație masică este mai complexă. Software-ul utilizat pentru conversie trebuie să ia în considerare parametrii optici ai particulelor, cum ar fi forma și indicele de refracție. Drept urmare, OPC-urile pot suferi de o mai mare imprecizie în comparație cu alte metode de detectare a particulelor, cum ar fi tehnologiile directe, bazate pe greutate, gravimetrice.

Figura 1: un OPC utilizează un laser și o fotodiodă pentru a număra particulele din aer. (Sursa imaginii: Sensirion)

Nu toate OPC-urile sunt la fel. Extrem de precise și costisitoare, OPC-urile de laborator pot număra fiecare particulă din celula de măsurare. Sunt disponibile OPC-uri de calitate comercială mai puțin costisitoare, care prelevează doar aproximativ 5% din particulele de aerosoli și utilizează tehnici de estimare bazate pe software pentru a obține o „măsurătoare” globală. În special, densitatea particulelor mari, cum ar fi PM10, este de obicei foarte scăzută, iar acestea nu pot fi măsurate direct de către OPC-urile cu costuri reduse.

Pe măsură ce dimensiunea particulelor crește, numărul de particule dintr-o anumită masă de particule scade dramatic. Comparativ cu un aerosol de particule PM1,0, un aerosol cu particule PM8 are de aproximativ 500 de ori mai puține particule pentru o masă dată. Pentru a măsura particule mai mari cu aceeași precizie ca și particulele mici, un OPC cu costuri reduse trebuie să integreze datele pe parcursul mai multor ore pentru a ajunge la o estimare. Din fericire, aerosolii au distribuții destul de consistente de particule mici și mari în mediile reale. Cu ajutorul unor algoritmi bine concepuți, este posibil să se estimeze cu exactitate numărul de particule mai mari, cum ar fi PM4,0 și PM10, folosind măsurători ale particulelor PM0,5, PM1,0 și PM2,5.

Senzori amperometrici de gaz

În loc să măsoare numărul de particule, senzorii amperometrici măsoară concentrațiile de gaze. Acestea sunt dispozitive electrochimice care produc un curent liniar proporțional cu fracția volumetrică a gazului măsurat. Un senzor amperometric de bază este format din doi electrozi și un electrolit. Concentrația de gaz este măsurată la electrodul de detecție, care constă dintr-un metal catalitic care optimizează reacția gazului ce urmează să fie măsurat. Gazul reacționează cu electrodul de detecție după ce intră în senzor printr-o barieră de difuzie capilară. Contraelectrodul acționează ca o semicelulă și completează circuitul (Figura 2). Un circuit extern măsoară fluxul de curent și determină concentrația de gaz. În unele modele, este inclus un al treilea electrod „de referință” pentru a îmbunătăți stabilitatea, raportul semnal-zgomot și pentru a accelera timpul de răspuns al senzorului amperometric de bază.

Figura 2: senzorii amperometrici utilizează doi electrozi separați de un electrolit pentru a măsura concentrațiile de gaze. (Sursa imaginii: Spec Sensor)

Senzor multiparametric pentru acumulatori

Monitorizarea calității aerului este doar începutul pentru senzorii concepuți pentru a proteja acumulatoarele din VE și instalațiile SSEB. Acești senzori monitorizează presiunea, temperatura aerului, umiditatea, punctul de rouă și conținutul absolut de apă, precum și compușii organici volatili (COV), cum ar fi metanul (CH₄), etilena (C₂H₄), hidrogenul (H₂), monoxidul de carbon (CO) și dioxidul de carbon (CO₂). În timpul primei faze de aerisire a bateriei, produsul gazos al unei baterii litiu-ion obișnuite cu catod de nichel, mangan și cobalt are o compoziție chimică cunoscută (Figura 3). Concentrația de hidrogen este critică; dacă se apropie de 4%, limita inferioară de explozie a hidrogenului, există posibilitatea unei explozii sau a unui incendiu. Ar trebui luate măsuri pentru a preveni intrarea celulei în avalanșă termică. Senzorul de presiune poate detecta mici creșteri de presiune în interiorul unui acumulator, cauzate de aerisire. Valorile pozitive false pot fi evitate prin verificarea încrucișată a oricărei creșteri de presiune cu celelalte măsurători ale senzorilor.

Figura 3: un amestec specific de gaze este caracteristic primei faze de aerisire a bateriei (Sursa imaginii: Metis Engineering)

Acest senzor multiparametric monitorizează și dacă există o stare de funcționare prea rece. Acumulatoarele mari din VE și SSEB au adesea o răcire activă pentru a preveni supraîncălzirea bateriilor atunci când sunt încărcate sau descărcate. Dacă acestea sunt răcite prea mult, temperatura internă poate scădea sub punctul de rouă, ceea ce duce la formarea condensului în interiorul acumulatorului, ceea ce poate cauza scurtcircuitarea celulelor și avalanșă termică. Senzorul punctului de rouă avertizează BMS înainte să se acumuleze condens pe bornele bateriei.

Senzor laser AQ

Proiectanții de sisteme de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC), purificatoare de aer și aplicații similare pot utiliza senzorul de particule SPS30 de la Sensirion pentru a monitoriza calitatea aerului în interior sau în exterior. Senzorii SPS măsoară concentrațiile masice de PM1,0, PM2,5, PM4 și PM10, precum și numărul de particule PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM4 și PM10. Acesta are o precizie a concentrației masice de ±10%, un interval de concentrație masică de la 0 la 1000 μg/m³ și o durată de viață operațională de peste zece ani. SPS30 include o interfață I²C pentru conexiuni scurte și un UART7 pentru cabluri mai lungi de 20 de centimetri (cm).

Un mod de curățare automată a ventilatorului poate fi declanșat la un interval prestabilit pentru a asigura măsurători consistente. Curățarea ventilatorului accelerează ventilatorul la viteza maximă timp de 10 secunde și suflă praful acumulat. Funcția de măsurare a particulelor este deconectată în timpul curățării ventilatorului. Intervalul implicit de curățare este săptămânal, dar pot fi stabilite și alte intervale pentru a îndeplini cerințele specifice ale aplicațiilor.

Kituri de dezvoltare și pornire securizată

Placa de evaluare a senzorului de monitorizare a calității aerului SEK-SPS30 poate fi utilizată pentru a conecta SPS30 la un PC pentru a începe explorarea capacităților acestui senzor de particule. În plus, DigiKey oferă o platformă pentru a combina senzorii de calitate a aerului de la Sensirion cu MCU PSoC 6 de la Infineon pentru a dezvolta sisteme inteligente de monitorizare a calității aerului de ultimă generație. Pentru sistemele de clădiri inteligente în care confidențialitatea este o preocupare, PSoC 6 suportă pornire securizată și actualizări securizate ale firmware-ului (Figura 4).

Figura 4: acest kit de dezvoltare de la Sensirion și Infineon poate implementa o pornire securizată și actualizări securizate ale firmware-ului. (Sursa imaginii: DigiKey)

Senzor pentru acumulator

Proiectanții de acumulatoare pentru VE și SSEB pot utiliza CANBSSGEN1 de la Metis Engineering pentru monitorizarea siguranței bateriei. Acesta este conceput pentru a detecta defecțiunile timpurii datorate aerisirii celulelor. Acest senzor bazat pe magistrala CAN include un filtru de aer înlocuibil și este deosebit de util în cazul vehiculelor electrice (Figura 5). Un accelerometru opțional poate monitoriza șocurile de până la 24G și durata impactului, permițând sistemului să identifice momentul în care acumulatorul a fost expus la șocuri peste nivelurile de siguranță. Acesta poate măsura:

• Presiune absolută de la 0,2 până la 5,5 bari
• Temperaturi ale aerului între -30 °C și +120 °C
• COV-uri, CO₂ echivalent (eCO₂) și H₂ în părți pe miliard (ppb)
• Umiditatea absolută în miligrame de vapori de apă pe metru cub (mg/m³)
• Temperatura punctului de rouă

Figura 5: acest senzor de monitorizare a siguranței bateriei include un filtru de aer înlocuibil (cerc alb central). (Sursa imaginii: Metis Engineering)

Kit de dezvoltare a senzorilor CAN

Kitul de dezvoltare DEVKGEN1V1 ajută la scurtarea timpului de integrare a sistemului atunci când se utilizează senzorii Metis CAN. Senzorii includ o viteză și o adresă configurabilă a magistralei CAN, împreună cu o bază de date DBC CAN care permite integrarea în aproape orice vehicul cu magistrală CAN. Kitul de dezvoltare de bază poate fi extins, permițând dezvoltatorilor să adauge mai mulți senzori la rețeaua CAN.

Senzor de calitate a aerului interior

Proiectanții de sisteme de monitorizare a calității aerului din interior și din vehicule pot utiliza 110-801 de la SPEC Sensors. 110-801 este un senzor de gaz amperometric serigrafiat care poate detecta o gamă largă de gaze asociate cu o calitate slabă a aerului, inclusiv alcooli, amoniac, monoxid de carbon, diverse gaze cu miros și sulfuri. Răspunsul acestor senzori este liniar proporțional cu fracția volumetrică a gazului măsurat, ceea ce simplifică integrarea sistemului (Figura 6). Alte caracteristici ale acestui senzor de 20 x 20 x 3 mm includ:

• Sensibilitate de nivelul părților pe milion (ppm)
• Putere a senzorului mai mică de zece microwați (μW)
• Interval al temperaturii de funcționare de la -10 °C la +40 °C (funcționare continuă de la 0 °C la +40 °C)
• Funcționare robustă și stabilă în prezența unei game largi de contaminanți

Figura 6: acest senzor amperometric de gaz serigrafiat poate măsura prezența unei varietăți de gaze. (Sursa imaginii: Spec Sensors)

Integrarea senzorului de gaz amperometric

Un circuit de potențiostat controlează potențialul electrodului de lucru într-un senzor amperometric de gaz și convertește curentul electrodului într-o tensiune de ieșire (Figura 7). Tensiunea de la pinul 2 al amplificatorului operațional U1 stabilește tensiunea electrodului de referință, iar potențialul electrodului de lucru este stabilit de pinul 6 al amplificatorului operațional U2. Amplificatorul operațional U2 convertește și ieșirea de curent de la senzor într-un semnal de tensiune. În același timp, amplificatorul operațional U1 furnizează un curent la contraelectrod care este egal cu curentul electrodului de lucru.

Figura 7: circuit simplificat al potențiostatului utilizat pentru a implementa detectarea gazelor cu ajutorul unui senzor amperometric. (Sursa imaginii: Spec Sensors)

Rezumat

După cum s-a arătat, proiectanții au la dispoziție o varietate de tehnologii de senzori de calitate a aerului din care pot alege atunci când proiectează sisteme de monitorizare a mediului. OPC-urile pot fi utilizate pentru a monitoriza nivelurile de particule potențial periculoase în interior și exterior. Sistemele cu mai mulți senzori bazate pe CAN pot monitoriza prima etapă de aerisire în acumulatoarele VE și SSEB și pot ajuta la prevenirea avalanșei termice și a posibilelor incendii sau explozii. Senzorii amperometrici de gaz serigrafiați, de mică putere, pot fi utilizați pentru a detecta o gamă largă de gaze care determină o calitate slabă a aerului.