Intelligens levegőminőség-érzékelők használata környezetfigyeléshez

Az intelligens levegőminőség-érzékelőkkel történő környezetfigyelés egyre szélesebb körben terjed az intelligens otthonoktól, épületektől és városoktól kezdve a hagyományos és elektromos járművekig és az akkumulátoros energiatároló rendszerekig (BESS). Az intelligens otthonokban, épületekben és városokban a levegőminőség-érzékelők segíthetnek az egészség és a biztonság biztosításában a rossz levegőminőségért felelős légnemű részecskék és gázok jelenlétének figyelésével, valamint füstérzékeléssel a korai tűzjelzéshez. A járművek utasterében ezek az érzékelők képesek azonosítani az illékony szerves vegyületeket (VOC) és a magas CO₂-szintet, amelyek egészségügyi szempontból ártalmasak lehetnek. Az elektromos járművekben és a BESS rendszerekben arra használhatók, hogy egy cella biztonsági légtelenítő szelepének első működésbe lépését követően érzékeljék a nyomásnövekedést és az akkumulátor burkolatán belüli magas hidrogénszintet, lehetővé téve az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) számára, hogy reagáljon, és megakadályozzon egy második légtelenítést vagy a teljes akkumulátorrendszer hőmegfutását.

Az ilyen rendszerekben használt érzékelőknek kompaktnak és energiatakarékosnak kell lenniük, valamint támogatniuk kell a biztonságos indítást (Secure Boot) és a biztonságos firmware-frissítéseket. Gyakran több érzékelőt kell tartalmazniuk a levegőminőség-ellenőrzés széles spektrumú lefedéséhez. Ennek a sokféle funkciónak egyetlen kompakt és alacsony fogyasztású egységbe való integrálása idegölő folyamat lehet, teli újrakezdésekkel, aminek végeredményeként egy magas költségű megoldást kaphatunk, késleltetett piacra kerülés idővel.

Ez utóbbi felgyorsításához és a költségek ellenőrzés alatt tartásához a tervezők gyárilag kalibrált, a biztonságos indítást és a firmware-frissítéseket támogató érzékelőmodulokhoz fordulhatnak, amelyek csatlakoztatási lehetőségeket is biztosítanak, beleértve az adatok felhőbe küldését vagy a CAN- vagy más busz használatát a helyi kapcsolatokhoz.

Ez a cikk az optikai részecskeszámlálók, a szitanyomásos elektrokémiai érzékelők és a többparaméteres szenzortechnológiák összehasonlításával kezdődik. Bemutatja a Sensirion, a Metis Engineering és a Spec Sensors levegőminőség-érzékelő megoldásait és fejlesztési platformjait, valamint az Infineon Technologies kísérő eszközeit, és javaslatokat is kínál a fejlesztési folyamat felgyorsítására.

A részecskeérzékelők (PM-ek) meghatározott részecskeméretek, (például a 2,5 mikron, illetve 10 mikron átmérőjű részecskéknek megfelelő PM2.5 és PM10 méretű szemcsék), valamint az adott alkalmazásnak megfelelő egyéb részecskeméretek számlálását végzik. Az optikai részecskeszámlálók (OPC-k) a részecskeérzékelési technológia egy speciális ágát képezik, amelynél a vizsgálandó levegőt egy lézert és egy fotodetektort tartalmazó mérőcellán keresztül mozgatják (1. ábra). A levegőben lévő részecskék szétszórják a lézer fényét, a detektor pedig a szórt fényt méri. A mérési eredményt μg/m³-ben megadott tömegkoncentrációvá alakítják át, és a részecskék számát cm³ térfogatos egységenként számolják. A részecskék számlálása OPC technológiával egyszerű, de a kapott információnak tömegkoncentrációt kifejező számmá történő átalakítása már kevésbé az. Az átalakításhoz használt szoftvernek figyelembe kell vennie a részecskék optikai paramétereit, például az alakjukat és a törésmutatót. Ennek eredményeképpen az OPC-k esetében a pontatlanság nagyobb lehet más részecskeérzékelési módszerekhez, például a közvetlen, súlyalapú, gravimetrikus technológiákhoz képest.

1. ábra: Az OPC technológia esetén lézert és fotodiódát használnak a levegőben szálló részecskék számlálására (kép: Sensirion)

Nem minden OPC egyforma. A nagy pontosságú és drága, laboratóriumi minőségű OPC-k minden részecskét meg tudnak számolni a mérőcellában. Ezeken kívül kaphatók kereskedelmi forgalomban lévő olcsóbb OPC-k is, amelyek a légnemű részecskéknek csak mintegy 5%-át veszik mintaként, és szoftveralapú becslési technikákat használnak a „komplett” mérés elvégzésére. A nagy részecskék (például PM10) sűrűsége jellemzően nagyon alacsony, és ezért azok olcsó OPC-kkel közvetlenül nem mérhetők.

A részecskeméret növekedésével a részecskék száma egy adott tömegű részecskehalmazban drámaian csökken. Adott tömegű részecskehalmaz esetén a légnemű PM1.0 részecskéket tartalmazó levegőhöz képest a légnemű PM8 részecskéket tartalmazó levegőben körülbelül 500-szor kevesebb részecske található. Ahhoz, hogy a nagyobb részecskéket ugyanolyan pontossággal lehessen mérni, mint a kicsiket, egy olcsó OPC-val több órán keresztül kell gyűjteni az adatokat, hogy megfelelő becslést kapjunk. Szerencsére a kis- és nagyméretű légköri részecskék eloszlása meglehetősen egyenletes a valós környezetekben. Megfelelően megtervezett algoritmusokkal a PM0.5, PM1.0 és PM2.5 részecskék mérései alapján pontosan meg lehet becsülni a nagyobb, például a PM4.0 és PM10 méretű részecskék számát.

Amperometriás gázérzékelők

Az amperometriás érzékelők a részecskeszám mérése helyett a gázkoncentrációt mérik. Ezek olyan elektrokémiai eszközök, amelyek a mért gáz térfogatszázalékával lineárisan arányos áramot állítanak elő. Egy egyszerű amperometriás érzékelő két elektródából és egy elektrolitból áll. A gázkoncentráció mérése egy katalitikus fémből álló, a mérendő gázzal való reakcióba lépést optimalizáló érzékelő elektródával történik. A gáz, miután egy kapilláris diffúziós gáton keresztül bejut az érzékelőbe, reakcióba lép az érzékelő elektródával. Az ellenelektróda zárja az áramkört (2. ábra). Egy külső áramkör méri az áram folyását és meghatározza a gáz koncentrációját. Egyes konstrukciókban van egy harmadik „referencia” elektróda is, amely javítja a stabilitást, a jel-zaj arányt, és felgyorsítja az amperometriás alapérzékelő válaszidejét.

2. ábra: Az amperometriás érzékelők két, elektrolittal elválasztott elektródát használnak a gázok koncentrációjának mérésére (kép: Spec Sensor)

Többparaméteres érzékelő akkucsomagokhoz

A levegő minőségének ellenőrzése csak egy első lépés az elektromos járművek és BESS rendszerek akkumulátorainak védelmére tervezett érzékelők esetében. Ezek az érzékelők a nyomást, a levegő hőmérsékletét, a páratartalmat, a harmatpontot és az abszolút víztartalmat, valamint az illékony szerves vegyületek (VOC), például a metán (CH₄), az etilén (C₂H₄), a hidrogén (H₂), a szén-monoxid (CO) és a szén-dioxid (CO₂) jelenlétét figyelik. Az akkumulátorok biztonsági légtelenítő szelepének első működésbe lépésekor a nikkel-mangán és kobalt katóddal rendelkező közönséges lítium-ion akkumulátorok által kibocsátott gáz ismert kémiai összetételű (3. ábra). A hidrogénkoncentrációnak kritikus jelentősége van: ha megközelíti a 4%-ot, a hidrogén alsó robbanáshatárát, akkor robbanás vagy tűz keletkezhet, tehát megfelelő intézkedéseket kell tenni a cella hőmegfutásának megakadályozására. A nyomásérzékelő képes érzékelni az akkucsomagon belüli, a légtelenítés okozta kis nyomásnövekedést. A téves pozitív jelzések elkerülhetők azzal, hogy a mért nyomásnövekedést összevetik a többi érzékelő mérésével.

3. ábra: Az akkumulátorok biztonsági légtelenítő szelepének első működésbe lépésekor sajátos gázkeverék kerül a levegőbe (kép: Metis Engineering)

Ez a többparaméteres érzékelő a túl hideg üzemi állapotot is figyeli. Az elektromos járművek és BESS rendszerek nagyméretű akkumulátorcsomagjai gyakran rendelkeznek aktív hűtéssel, hogy a cellák ne melegedjenek túl töltés vagy kisütés közben. Ha túlságosan lehűtik őket, a belső hőmérséklet a harmatpont alá csökkenhet, ez kondenzációhoz vezethet a csomag belsejében, aminek következtében a cellák rövidre záródása hőmegfutást okozhat. A harmatpontérzékelő még azelőtt figyelmezteti az akkumulátor-kezelő rendszert, mielőtt a pára lecsapódna az akkumulátor pólusain.

Lézeres levegőminőség érzékelő

A fűtő-, szellőztető- és légkondicionáló (HVAC) rendszerek, légtisztítók és hasonló rendszerek tervezői felhasználhatják a Sensirion SPS30 részecskeérzékelőjét a levegő minőségének beltéri vagy kültéri ellenőrzésére. Az SPS érzékelők a PM1.0, PM2.5, PM4 és PM10 méretű részecskék tömegkoncentrációját, valamint a PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 és PM10 részecskék számát mérik. Tömegkoncentráció mérése terén a pontossága ±10%, tartománya 0–1000 μg/m³ között van, és üzemi élettartama több mint tíz év. Az SPS30 tartalmaz egy I²C interfészt a rövid kapcsolatokhoz és egy UART7-et a 20 centiméternél hosszabb kábelekhez.

Egy előre beállított időközönként automatikusan beinduló ventilátoros tisztítási üzemmóddal is rendelkezik a következetes mérések biztosításához. Ventilátoros tisztításkor a ventilátor 10 másodpercre maximális sebességre gyorsul, és kifújja a felgyülemlett port. A részecskemérési funkció a ventilátoros tisztítás alatt nem működik. Alapértelmezettként a heti rendszerességű tisztítás van beállítva, de más időközök is beállíthatók az egyedi alkalmazási igényeknek megfelelően.

Fejlesztői készletek és biztonságos rendszerindítás

A SEK-SPS30 levegőminőség figyelő szenzorhoz kapcsolódó fejlesztői kártya segítségével az SPS30-at csatlakoztatni lehet egy PC-hez, a részecskeérzékelő képességeinek feltárásához. Ezen túlmenően a DigiKey egy platformot is kínál, amely lehetőséget nyújt a Sensirion levegőminőség-érzékelői és az Infineon PSoC 6 mikrovezérlői kombinálására, következő generációs intelligens levegőminőség-ellenőrző rendszerek kifejlesztéséhez. Az olyan intelligens épületrendszerek számára, ahol fontos szempont az adatvédelem, a PSoC 6 támogatja a biztonságos indítást és a biztonságos firmware-frissítést (4. ábra).

4. ábra: A Sensirion és az Infineon fejlesztőkészlete segítségével megvalósítható a biztonságos rendszerindítás és a biztonságos firmware-frissítés (kép: DigiKey)

Akkumulátor-érzékelő

Az elektromos járművek és BESS rendszerek akkucsomagjainak tervezői a Metis Engineering CANBSSGEN1 eszközét használhatják az akkumulátorok biztonsági felügyeletére. A cellák szellőzése következtében bekövetkező korai meghibásodások felismerésére tervezték. Ez a CAN-busz-alapú érzékelő cserélhető légszűrőt tartalmaz, és különösen hasznos az elektromos járművekben (5. ábra). Egy opcionális gyorsulásmérővel az ütések ereje (max. 24 G-ig) és az ütések időtartama is nyomon követhető, így a rendszer képes azonosítani, ha az akkumulátorcsomagot a biztonságos határértéknél nagyobb ütés érte. A következők mérésére képes:

• 0,2–5,5 Bar közötti abszolút nyomás
• -30 °C és +120 °C közötti levegőhőmérséklet
• VOC-k, egyenértékű CO₂ (eCO₂) és H₂ milliárdrész (ppb)
• Abszolút páratartalom mg/m³ mértékegységben
• Harmatpont-hőmérséklet

5. ábra: Ez a biztonsági akkumulátorfigyelő szenzor cserélhető légszűrővel rendelkezik (középső fehér kör) (kép: Metis Engineering)

Fejlesztőkészlet CAN-érzékelőkhöz

A DEVKGEN1V1 fejlesztőkészlet segít lerövidíteni a rendszerintegrációs időt a Metis CAN-érzékelőinek használata esetén. Konfigurálható CAN-busz sebességgel és címmel rendelkezik, valamint egy DBC CAN-adatbázissal, amely szinte bármilyen CAN-busszal rendelkező járműbe történő integrációt támogat. Az alapvető fejlesztőkészlet bővíthető, így a fejlesztők több érzékelőt is hozzáadhatnak a CAN-hálózathoz.

Beltéri levegőminőség-érzékelő

A beltéri és járműfedélzeti levegőminőség-ellenőrző rendszerek tervezői a SPEC Sensors 110-801 jelű eszközét használhatják. A 110-801 egy szitanyomásos amperometriás gázérzékelő, amely képes érzékelni a rossz levegőminőséget okozó gázok széles skáláját, beleértve az alkoholokat, az ammóniát, a szén-monoxidot, a különböző szagos gázokat és a szulfidokat. Ezek az érzékelők a mért gáz térfogatszázalékával lineárisan arányos választ adnak, ami leegyszerűsíti a rendszerekbe történő integrálásukat (6. ábra). Ezen 20 x 20 x 3 mm-es érzékelő további jellemzői:

• Milliomodrész (ppm) fokú érzékenység
• Tíz μW alatti teljesítményigény
• -10 °C és +40 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartomány (folyamatos működés 0 °C és +40 °C között)
• Robusztus és stabil működés széleskörű szennyeződéseknek való kitettség esetén is

6. ábra: Ez a szitanyomásos amperometriás gázérzékelő számos gáz jelenlétének észlelésére képes (kép: Spec Sensors)

Amperometriás gázérzékelők beépítése

Az amperometriás gázérzékelő munkaelektródjának potenciálját egy potenciosztát áramkör szabályozza, és az elektródáramot kimeneti feszültséggé alakítja (7. ábra). Az U1 műveleti erősítő 2-es érintkezőjén lévő feszültség állítja be a referenciaelektróda feszültségét, a munkaelektróda potenciálját pedig az U2 műveleti erősítő 6-os érintkezője. Az U2 műveleti erősítő továbbá az érzékelő kimenő áramát feszültségjellé alakítja. Ezzel egyidejűleg az U1 műveleti erősítő a munkaelektróda áramával megegyező áramot szolgáltat az ellenelektródának.

7. ábra: Egyszerűsített potenciosztát áramkör gázérzékelés megvalósítására amperometriás érzékelővel (kép: Spec Sensors)

Összegzés

Amint bemutattuk, a környezetfigyelő rendszerek tervezői a levegőminőség-érzékelő technológiák széles skálája közül választhatnak. Az OPC-k a potenciálisan veszélyes koncentrációt elérő részecskeszám figyelésére használhatók beltéren és kültéren egyaránt. A CAN-alapú, többérzékelős rendszerek figyelni képesek az elektromos járművek és BESS rendszerek akkumulátorainál a biztonsági légtelenítő szelep első működésbe lépését, és segítenek megelőzni a hőmegfutást és az esetleges tüzet vagy robbanást. A kis áramigényű, szitanyomásos amperometriás gázérzékelők a rossz levegőminőséget okozó gázok széles skálájának kimutatására használhatók.