Korzystanie z inteligentnych czujników jakości powietrza do monitorowania warunków środowiskowych

Monitorowanie warunków środowiskowych za pomocą inteligentnych czujników jakości powietrza rozwija się w różnych zastosowaniach - od inteligentnych domów, budynków i miast, po pojazdy konwencjonalne i elektryczne (EV) oraz bateryjne systemy magazynowania energii (BESS). W inteligentnych domach, budynkach i miastach czujniki jakości powietrza pomagają w zapewnieniu zdrowia i bezpieczeństwa poprzez monitorowanie unoszących się w powietrzu cząstek stałych i gazów związanych ze złą jakością powietrza, a także wykrywanie dymu w celu wczesnego ostrzegania o pożarze. W przedziałach pasażerskich pojazdów czujniki te mogą identyfikować lotne związki organiczne (LZO) i wysokie poziomy CO₂stanowiące zagrożenie dla zdrowia. W pojazdach elektrycznych (EV) i bateryjnych systemach magazynowania energii (BESS) mogą one być wykorzystywane do wykrywania wzrostu ciśnienia i wysokiego poziomu wodoru w obudowie baterii po pierwszej fazie odpowietrzania ogniwa, umożliwiając systemowi zarządzania akumulatorem (BMS) reakcję i zapobieganie drugiemu zdarzeniu odpowietrzania lub niekontrolowanemu wzrostowi temperatury baterii.

Czujniki używane w tych zastosowaniach muszą mieć kompaktowe rozmiary, niską moc i umożliwiać bezpieczne uruchamianie oraz bezpieczne aktualizacje oprogramowania sprzętowego. Często muszą one zawierać wiele czujników, obejmujących szerokie spektrum monitorowania jakości powietrza. Integracja takiego zakresu funkcji w kompaktowym urządzeniu niskiej mocy może być trudnym procesem, podatnym na wielokrotne zaczynanie od nowa, skutkującym wysokimi kosztami rozwiązania i opóźniającym czas wprowadzenia produktu na rynek.

Aby skrócić czas wprowadzania na rynek i ograniczyć koszty, projektanci mogą skorzystać ze skalibrowanych fabrycznie modułów czujników, które obsługują bezpieczne uruchamianie i aktualizacje oprogramowania układowego oraz zapewniają opcje łączności, w tym wysyłanie danych do chmury lub wykorzystanie magistrali CAN albo podobnej do połączeń lokalnych.

Początkowa część tego artykułu zawiera porównanie optycznych liczników cząstek stałych, sitodrukowych czujników elektrochemicznych i czujników wieloparametrowych. Przedstawiono tu rozwiązania czujników jakości powietrza oraz platformy rozwojowe firm Sensirion, Metis Engineering i Spec Sensors wraz z urządzeniami towarzyszącymi firmy Infineon Technologies, a także sugestie dotyczące przyspieszenia procesu rozwoju.

Czujniki cząstek stałych (PM) zliczają cząstki o określonej wielkości, takie jak PM2,5 i PM10, które odpowiadają cząstkom o średnicy odpowiednio 2,5 mikrona i 10 mikronów, a także inne wielkości cząstek, zależnie od potrzeb danego zastosowania. Optyczne liczniki cząstek (OPC) są specyficzną technologią czujników cząstek stałych (PM), w której badane powietrze przepływa przez ogniwo pomiarowe zawierające laser i fotodetektor (ilustracja 1). Cząstki w powietrzu rozpraszają światło lasera, a detektor mierzy rozproszone światło. Pomiar przeliczany jest na stężenie masowe w mikrogramach na metr sześcienny (μg/m³) i obliczana jest liczba cząstek na centymetr sześcienny (cm³). Liczenie cząstek przy użyciu optycznych liczników cząstek (OPC) jest proste, ale przeliczenie tej informacji w wartość stężenia masowego jest bardziej złożone. Oprogramowanie używane do przeliczania musi uwzględniać parametry optyczne cząstek, takie jak kształt i współczynnik załamania światła. W związku z tym czujniki OPC mogą wykazywać większą niedokładność w porównaniu z innymi metodami pomiaru cząstek stałych (PM), takimi jak bezpośrednie, oparte na masie technologie grawimetryczne.

Ilustracja 1: optyczny licznik cząstek (OPC) wykorzystuje laser i fotodiodę do liczenia cząstek stałych zawieszonych w powietrzu. (Źródło ilustracji: Sensirion)

Nie wszystkie optyczne liczniki cząstek (OPC) są jednakowe. Bardzo dokładne i drogie, laboratoryjne liczniki OPC mogą zliczyć każdą cząstkę w ogniwie pomiarowym. Dostępne są tańsze liczniki OPC klasy komercyjnej, które próbkują tylko z około 5% cząstek aerozolu i wykorzystują techniki szacowania oparte na oprogramowaniu, aby uzyskać „pomiar” ogólny. W szczególności gęstość dużych cząstek stałych, takich jak PM10, jest zazwyczaj bardzo niska i nie można ich zmierzyć bezpośrednio za pomocą tanich liczników OPC.

Wraz ze wzrostem wielkości cząstek, ich liczba w danej masie cząstek drastycznie spada. W porównaniu do aerozolu cząstek PM1,0, aerozol cząstek PM8 ma około 500 razy mniej cząstek dla danej masy. Aby zmierzyć większe cząstki z taką samą dokładnością jak małe cząstki, tani licznik OPC musi integrować dane przez kilka godzin, aby uzyskać szacunkową wartość. Na szczęście aerozole mają dość spójne rozkłady małych i dużych cząstek w środowisku rzeczywistym. Dzięki odpowiednio zaprojektowanym algorytmom możliwe jest dokładne oszacowanie liczby większych cząstek stałych, takich jak PM4,0 i PM10, przy użyciu pomiarów cząstek PM0,5, PM1,0 i PM2,5.

Amperometryczne czujniki gazowe

Czujniki amperometryczne nie mierzą liczby cząstek, lecz stężenie gazów. Są to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają prąd liniowo proporcjonalny do frakcji objętościowej mierzonego gazu. Prosty czujnik amperometryczny składa się z dwóch elektrod i elektrolitu. Stężenie gazu jest mierzone na elektrodzie pomiarowej, która składa się z metalu katalitycznego optymalizującego reakcję mierzonego gazu. Po wejściu do czujnika przez kapilarną barierę dyfuzyjną, gaz reaguje z elektrodą pomiarową. Przeciwelektroda pełni rolę półogniwa i dopełnia obwód (ilustracja 2). Obwód zewnętrzny mierzy przepływ prądu i określa stężenie gazu. W niektórych konstrukcjach dołączana jest trzecia elektroda odniesienia w celu poprawy stabilności, stosunku sygnału do szumu i przyspieszenia czasu odpowiedzi podstawowego czujnika amperometrycznego.

Ilustracja 2: czujniki amperometryczne do pomiaru stężeń gazów wykorzystują dwie elektrody oddzielone elektrolitem. (Źródło ilustracji: Spec Sensor)

Czujnik wieloparametrowy do pakietów baterii

Monitorowanie jakości powietrza to dopiero początek, jeżeli chodzi o czujniki przeznaczone do ochrony pakietów baterii w pojazdach elektrycznych (EV) i instalacjach bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS). Czujniki te monitorują ciśnienie, temperaturę powietrza, wilgotność, punkt rosy i bezwzględną zawartość wody, a także lotne związki organiczne (VOC), takie jak metan (CH₄), etylen (C₂H₄), wodór (H₂), tlenek węgla (CO) i dwutlenek węgla (CO₂). W pierwszej fazie odpowietrzania baterii gazy wytwarzane w zwykłych bateriach litowo-jonowych z katodą niklowo-manganowo-kobaltową mają znany skład chemiczny (ilustracja 3). Stężenie wodoru ma znaczenie krytyczne. Jeśli zbliża się do 4%, czyli dolnej granicy wybuchowości wodoru, występuje ryzyko wybuchu lub pożaru. Należy podjąć działania, aby nie dopuścić do niekontrolowanego wzrostu temperatury ogniwa. Czujnik ciśnienia może wykryć niewielkie wzrosty ciśnienia wewnątrz pakietu baterii spowodowane odpowietrzeniem. Fałszywe wyniki można wyeliminować, porównując każdy wzrost ciśnienia z innymi pomiarami czujnika.

Ilustracja 3: specyficzna mieszanina gazów jest charakterystyczna dla pierwszej fazy odpowietrzania baterii (źródło grafiki: Metis Engineering)

Omawiany wieloparametrowy czujnik monitoruje również zbyt pracę w zbyt niskich temperaturach. Duże pakiety baterii w pojazdach elektrycznych (EV) i bateryjnych systemach magazynowania energii (BESS) często zawierają aktywne chłodzenie, aby zapobiec przegrzaniu podczas ładowania lub rozładowywania. Jeśli zostaną zbyt mocno schłodzone, temperatura wewnętrzna może spaść poniżej punktu rosy, co spowoduje wewnętrzną kondensację, potencjalne zwarcie ogniw i niekontrolowany wzrost temperatury. Czujnik punktu rosy ostrzega system monitorowania baterii (BMS), zanim na zaciskach baterii zbierze się kondensacja.

Laserowy czujnik jakości powietrza (AQ)

Projektanci systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), oczyszczaczy powietrza i podobnych zastosowań mogą wykorzystywać czujnik cząstek stałych (PM) 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. Dokładność stężenia masowego wynosi ±10%, zakres stężeń masowych od 0 do 1000μg/m³, a trwałość eksploatacyjna to ponad dziesięć lat. Czujnik SPS30 zawiera interfejs I²C dla krótkich połączeń oraz UART7 dla kabli dłuższych od 20cm.

Tryb automatycznego czyszczenia wentylatora może być uruchamiany w ustalonych odstępach czasu, aby zapewnić powtarzalność pomiarów. Czyszczenie wentylatora zwiększa prędkość wentylatora do maksymalnej na 10 sekund i wydmuchuje nagromadzony kurz. Podczas czyszczenia wentylatora funkcja pomiaru cząstek stałych (PM) jest wyłączona. Domyślny interwał czyszczenia to jeden tydzień, ale można ustawić inne interwały, aby spełnić specyficzne wymagania danego zastosowania.

Zestawy rozwojowe i bezpieczne uruchamianie

Aby rozpocząć eksplorację możliwości omawianego czujnika cząstek stałych (PM), można użyć płytki ewaluacyjnej SEK-SPS30 czujnika monitorowania jakości powietrza w celu podłączenia układu SPS30 do komputera PC. Ponadto firma DigiKey oferuje platformę do łączenia czujników jakości powietrza Sensirion z mikrokontrolerami MCU PSoC 6 firmy Infineon w celu opracowywania nowej generacji inteligentnych systemów monitorowania jakości powietrza. W przypadku systemów inteligentnych budynków, w których liczy się prywatność, PSoC 6 obsługuje bezpieczne uruchamianie i bezpieczne aktualizacje oprogramowania układowego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: za pomocą zestawu rozwojowego firm Sensirion i Infineon można wdrożyć bezpieczne uruchamianie i bezpieczne aktualizacje oprogramowania układowego. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Czujnik pakietu baterii

Projektanci pakietów baterii do pojazdów elektrycznych (EV) i bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS) mogą wykorzystać czujnik CANBSSGEN1 firmy Metis Engineering do monitorowania bezpieczeństwa baterii. Jest on przeznaczony do wczesnego wykrywania awarii spowodowanych odpowietrzaniem ogniw. Ten oparty na magistrali CAN czujnik zawiera wymienny filtr powietrza i jest szczególnie przydatny w pojazdach elektrycznych (ilustracja 5). Opcjonalny przyspieszeniomierz może monitorować wstrząsy do 24G i czas trwania uderzeń, umożliwiając systemowi identyfikację, kiedy bateria została narażona na wstrząsy przekraczające bezpieczny poziom. Mierzone wielkości:

• Ciśnienie bezwzględne od 0,2 do 5,5bar
• Temperatury powietrza od -30°C do +120°C
• LZO, ekwiwalent CO₂ (eCO₂) i H₂ w częściach na miliard (ppb)
• Wilgotność bezwzględna w miligramach pary wodnej na metr sześcienny (mg/m³)
• Temperatura punktu rosy

Ilustracja 5: czujnik bezpieczeństwa baterii zawierający wymienny filtr powietrza (środkowe białe kółko). (Źródło ilustracji: Metis Engineering)

Zestaw rozwojowy czujnika opartego na magistrali CAN

Zestaw rozwojowy DEVKGEN1V1 pomaga skrócić czas integracji systemu przy zastosowaniu czujników CAN firmy Metis. Czujniki obsługują konfigurowalną prędkość i adres magistrali CAN oraz bazę danych DBC CAN, która umożliwia integrację z niemal każdym pojazdem wyposażonym w magistralę CAN. Podstawowy zestaw rozwojowy można rozbudowywać, co pozwala deweloperom na dodawanie kolejnych czujników do sieci CAN.

Czujnik jakości powietrza w pomieszczeniach

Projektanci systemów monitorowania jakości powietrza w pomieszczeniach i kabinach pojazdów mogą wykorzystać czujnik 110-801 firmy SPEC Sensors. Czujnik 110-801 jest sitodrukowym, amperometrycznym czujnikiem gazów, który może wykrywać szeroki zakres gazów związanych ze złą jakością powietrza, takich jak alkohole, amoniak, tlenek węgla, różne gazy złowonne i siarczki. Odpowiedź tych czujników jest liniowo proporcjonalna do frakcji objętościowej mierzonego gazu, co upraszcza integrację systemu (ilustracja 6). Inne cechy tego czujnika o wymiarach 20 x 20 x 3mm:

• Czułość rzędu części na milion (ppm)
• Moc czujnika poniżej dziesięciu mikrowatów (μW)
• Zakres temperatur roboczych od -10°C do +40°C (praca ciągła od 0°C do +40°C)
• Niezawodna i stabilna praca w obecności szerokiego zakresu zanieczyszczeń

Ilustracja 6: sitodrukowy amperometryczny czujnik gazów może mierzyć obecność różnych gazów. (Źródło ilustracji: Spec Sensors)

Integracja amperometrycznego czujnika gazów

Układ potencjostatu kontroluje potencjał elektrody roboczej w amperometrycznym czujniku gazów i przekształca prąd elektrody na napięcie wyjściowe (ilustracja 7). Napięcie na wtyku 2 wzmacniacza operacyjnego U1 ustawia napięcie elektrody odniesienia, a potencjał elektrody roboczej jest ustalany przez wtyk 6 wzmacniacza operacyjnego U2. Wzmacniacz operacyjny U2 przekształca również prąd wyjściowy czujnika na sygnał napięciowy. Jednocześnie wzmacniacz operacyjny U1 dostarcza do przeciwelektrody prąd równy prądowi elektrody roboczej.

Ilustracja 7: uproszczony układ potencjostatu wykorzystywany do realizacji detekcji gazów z wykorzystaniem czujnika amperometrycznego. (Źródło ilustracji: Spec Sensors)

Podsumowanie

Podczas projektowania systemów monitorowania warunków środowiskowych projektanci mają do wyboru szereg technologii czujników jakości powietrza. Optyczne liczniki cząstek (OPC) mogą być stosowane do monitorowania potencjalnie niebezpiecznych poziomów cząstek stałych w pomieszczeniach i na zewnątrz. Systemy wieloczujnikowe oparte na sieci CAN, mogą monitorować odpowietrzanie pierwszego stopnia w bateriach pojazdów elektrycznych (EV) i bateryjnych systemach magazynowania energii (BESS) oraz pomagać w zapobieganiu niekontrolowanemu wzrostowi temperatury i ewentualnym pożarom lub wybuchom. Amperometryczne, sitodrukowe czujniki gazów niskiej mocy można stosować do wykrywania szerokiej gamy gazów powodujących złą jakość powietrza.