Мониторинг параметров окружающей среды с помощью интеллектуальных датчиков качества воздуха применяется начиная от умных домов, зданий и городов и заканчивая обычными и электрическими транспортными средствами (EV) и аккумуляторными системами хранения энергии (BESS). В умных домах, зданиях и городах датчики качества воздуха могут помочь обеспечить здоровье и безопасность, отслеживая концентрацию частиц и газов в воздухе, а также обнаруживая дым для раннего предупреждения о потенциальном пожаре. В салонах транспортных средств эти датчики могут обнаруживать летучие органические соединения и высокие концентрации CO2, вредные для здоровья.
Датчики должны быть компактными, энергоэффективными, иметь безопасную загрузку и возможность обновления прошивки. Часто они содержат множество различных детекторов в одном корпусе, что позволяет анализировать широкий спектр параметров, влияющих на качество воздуха. Интеграция такой обширной функциональности в компактное и энергоэффективное устройство может быть сложной задачей и включать несколько итераций, что приводит к увеличению затрат и задержкам выхода в производство.
Чтобы сократить время выхода на рынок и контролировать расходы, разработчики могут воспользоваться модульными датчиками, откалиброванными на заводе, которые поддерживают безопасный запуск, позволяют обновлять встроенное ПО и обмениваться данными, включая загрузку в облако или подключение к локальной сети. Так давайте рассмотрим самые современные оптические датчики загрязнения воздуха, в том числе электрохимические и многопараметрические датчики на примере решений и платформы разработки от Sensirion, Metis Engineering, Spec Sensors и Infineon Technologies.
Датчики твердых частиц (PM) измеряют количество загрязняющих веществ определенного размера в единице воздуха, таких как PM2,5 и PM10, которые соответствуют частицам диаметром 2,5 и 10 мкм, соответственно. Одной из технологий используемых для этой цели является OPC (оптический счетчик частиц), в котором испытуемый воздух проходит через измерительную ячейку, оснащенную лазером и фотодетектором. Частицы в воздухе рассеивают лазерный свет, а фотодетектор измеряет количество отраженного излучения. Затем результат преобразуется в массовую концентрацию в микрограммах на кубометр (мкг/м3) и количество загрязняющих частиц на кубический сантиметр. Подсчет частиц с помощью OPC концептуально прост, но преобразование сигнала от фотоэлемента в концентрацию уже сложновато. Программное обеспечение используемое для этого должно учитывать оптические параметры частиц, такие как форма и показатель преломления. В результате датчики OPC менее точны, чем другие методы обнаружения, такие как гравиметрические технологии, основанные на измерении массы.
Не все устройства этого типа работают одинаково. На рынке есть точные и дорогие лабораторные версии способные подсчитывать каждую частицу в измерительной камере. Также доступны недорогие решения, которые измеряют только около 5% объема аэрозоля, а затем используют программное обеспечение для интерполяции общего значения. В частности, плотность загрязняющих веществ частиц PM10, которая обычно очень мала, не может быть измерена напрямую с помощью недорогих датчиков OPC.
В измерениях датчиков OPC количество отсчетов быстро уменьшается по мере увеличения размера частиц, поскольку частицы тяжелые. По сравнению с аэрозолем содержащим частицы PM1.0, аэрозоль, содержащий PM8, содержит примерно в 500 раз меньше частиц на заданную массу. Следовательно, чтобы измерить концентрацию более крупных частиц с той же точностью что и мелких, недорогому OPC датчику необходимо проводить измерения в течение нескольких часов, чтобы получить эквивалентный результат. К счастью, аэрозоли имеют довольно постоянное распределение мелких и крупных частиц в обычных средах. Благодаря соответствующим алгоритмам можно точно оценить количество более крупных частиц, таких как PM4.0 и PM10, по результатам измерения частиц PM0.5, PM1.0 и PM2.5.
Амперометрические датчики газа
Вместо измерения количества частиц, амперометрические датчики измеряют концентрацию газа. Это электрохимические датчики, вырабатывающие ток, линейно пропорциональный объему измеряемого газа. Их выходной сигнал представляет собой электрический ток, возникающий в результате электрохимического окисления или восстановления молекул определяемого газа на поверхности одного из электродов датчика.
Типичный амперометрический датчик состоит из двух электродов и электролита. Концентрация газа измеряется на чувствительном электроде, который состоит из металлического катализатора, ускоряющего химическую реакцию с измеряемым газом. Газ вступает в реакцию с электродом датчика и подается к датчику через капиллярный диффузионный барьер. Второй электрод выполняет роль полуэлемента и замыкает цепь, а внешняя цепь уже измеряет ток и определяет концентрацию газа.
Многопараметрические датчики батареи
Конечно мониторинг качества воздуха является первым и наиболее важным применением. Второй перспективной областью использования модульных датчиков выступают элементы защиты аккумуляторов в электромобилях и накопителях энергии. Они контролируют давление, температуру воздуха, влажность, точку росы и абсолютное содержание воды, а также уровни летучих органических соединений (ЛОС), таких как метан (CH4), этилен (C2H4), водород (H2), окись углерода (CO) и двуокись углерода (CO2). На первой фазе разрядки аккумуляторов газообразные пары литий-ионных аккумуляторов с никель-марганцевыми и кобальтовыми катодами имеют известный химический состав. Концентрация водорода является критической. Если он близок к 4%, то есть к нижнему пределу взрываемости, существует вероятность возгорания. Датчик давления помогает обнаруживать небольшие повышения давления внутри аккумулятора из-за вентиляции, а ложных срабатываний можно избежать сравнивая повышение давления с измерениями других датчиков.
Эти типы многопараметрических датчиков контролируют и слишком холодные условия эксплуатации. Большие аккумуляторные батареи в электромобилях и хранилищах энергии часто включают системы активного охлаждения для предотвращения перегрева элементов во время зарядки или разрядки. Если они слишком сильно охлаждаются, температура внутри батареи может упасть ниже точки росы, что приведет к конденсации влаги внутри АКБ и может привести к короткому замыканию элементов, вызвать термическую нестабильность. Датчик точки росы сигнализирует схеме BMS о проблеме до появления конденсата на клеммах аккумуляторной батареи.
Лазерные датчики качества воздуха
Разработчики систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), очистителей воздуха и других подобных устройств, могут использовать датчик твердых частиц Sensirion SPS30 для контроля качества воздуха внутри или снаружи помещений. Датчики SPS измеряют массовую концентрацию PM1.0, PM2.5, PM4 и PM10, а также количество частиц PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 и PM10. Они характеризуются точностью измерения массовой концентрации ±10%, диапазоном измерения массовой концентрации от 0 до 1000 мкг/м3 и сроком службы более десяти лет. SPS30 имеет интерфейс I2C для подключения датчика к остальной системе на коротких расстояниях и UART7 для обмена данными на расстояниях поболее.
Автоматический режим очистки вентилятора, встроенного в датчик, можно активировать через фиксированные промежутки времени для обеспечения надежных измерений. Очистка вентилятора разгоняет вентилятор до максимальной скорости на 10 секунд и сдувает скопившуюся пыль. Измерение концентрации пыли в воздухе в это время отключено. Интервал очистки по умолчанию — еженедельно, но можно установить и другие интервалы в соответствии с требованиями.
Комплекты разработчика и безопасная загрузка
Чтобы протестировать возможности SPS30 по измерению качества воздуха, можно использовать оценочную плату SEK-SPS30, которая подключается к компьютеру. Кроме того, предлагается платформа для объединения датчиков качества воздуха Sensirion с микроконтроллерами Infineon PSoC 6 для разработки интеллектуальных систем мониторинга качества воздуха следующего поколения.
Для систем интеллектуальных зданий, где важны вопросы конфиденциальности и защиты данных, PSoC 6 обеспечивает безопасную загрузку и обновления прошивки.
Датчики взаимодействия с батареями
Разработчики аккумуляторных батарей для электромобилей и накопителей энергии могут использовать датчик CANBSSGEN1 компании Metis Engineering для контроля их безопасности. Он предназначен для обнаружения отказов вызванных неправильной вентиляцией камеры. Этот датчик подключается к шине CAN и включает в себя сменный воздушный фильтр, что особенно полезно в электромобилях. Дополнительный акселерометр может отслеживать удары до 24 g и продолжительность удара, позволяя системе определять когда аккумулятор подвергался механическому воздействию выше безопасного уровня. Он может контролировать:
- абсолютное давление в диапазоне 0,2 – 5,5 бар,
- температура воздуха от -30 до +120°С,
- эквивалентная концентрация VOC, CO2 (eCO2) и H2 в частях на миллиард (ppb),
- абсолютная влажность в миллиграммах водяного пара на кубический метр (мг/м3), – температура точки росы.
- Комплект для разработки датчика CAN
Комплект разработчика DEVKGEN1V1 помогает сократить время проектирования системы с помощью датчиков Metis CAN. Эти датчики позволяют настраивать скорость и адрес шины CAN и поддерживают базу данных CAN DBC, позволяя интегрировать их практически в любой автомобиль с шиной CAN. Базовый набор для разработки может быть расширен для поддержки большего количества датчиков.
110-801 от SPEC Sensors предназначен для систем контроля качества воздуха в помещениях и кабинах транспортных средств. Это амперометрический датчик газа с толстопленочным датчиком, который может обнаруживать широкий спектр газов, связанных с плохим качеством воздуха, включая спирты, аммиак, окись углерода, различные пахучие газы и сульфиды. Отклик этих датчиков линейно пропорционален объемной доле измеряемого газа, что упрощает конструкцию системы (рис. 6). Другими особенностями этого миниатюрного датчика являются:
- чувствительность, выраженная в частях на миллион (ppm),
- потребляемая датчиком мощность менее 10 микроватт,
- диапазон рабочих температур от -10°С до +40°С,
- надежная работа в присутствии широкого спектра загрязняющих веществ.
Применение амперометрического датчика
Потенциал рабочего электрода в амперометрическом датчике газа регулируется в цепи потенциостата. Он обеспечивает точный контроль величины потенциала рабочего электрода по отношению к электроду сравнения и одновременно измерение сигнала датчика (тока).
Напряжение на выводе 2 усиливается в помещении и на улице. Модули с несколькими датчиками на основе CAN могут контролировать процесс разрядки аккумуляторов в электромобилях и на складах BESS, помогая предотвратить тепловую нестабильность и возможные пожары или взрывы. Маломощные амперометрические датчики газа, изготовленные с использованием толстопленочной технологии, могут использоваться для обнаружения широкого спектра газов для контроля качества воздуха.