Slik bruker du smarte luftkvalitetssensorer til miljøovervåking

Miljøovervåking ved hjelp av smarte luftkvalitetssensorer utvides på tvers av ulike bruksområder, fra smarte hjem, bygninger og byer, til konvensjonelle og elektriske kjøretøyer (EV-er) og batterilagringssystemer (battery energy storage system – BESS). I smarte hjem, bygninger og byer kan luftkvalitetssensorer bidra til å sikre helse og sikkerhet ved å overvåke luftbårne partikler og gasser forbundet med dårlig luftkvalitet, samt røykvarsling for tidlig brannvarsling. I passasjerkupeer i kjøretøyer kan disse sensorene identifisere flyktige organiske forbindelser (VOC) og høye nivåer av CO₂ som kan gi helseproblemer. I el-kjøretøyer og batterihåndteringssystemer (BESS) kan de brukes til å oppdage en økning i trykk og høye nivåer av hydrogen i et batterikabinett etter den første ventilasjonsfasen av en celle, slik at batterihåndteringssystemer (BMS – battery management systems) kan reagere og forhindre en andre ventilasjonshendelse eller at temperaturen løper løpsk (ukontrollerbar termisk tilstand) for hele batterisystemet.

Sensorene som brukes i disse utrustningene må være kompakte, ha lavt energiforbruk og støtte for sikker oppstart og sikre firmwareoppdateringer. De må ofte inkludere flere sensorer som dekker et bredt spekter av overvåking av luftkvalitet. Å integrere dette utvalget av funksjonalitet i en kompakt enhet med lavt energiforbruk kan være en skremmende prosess, med sjanse for at man må starte på nytt flere ganger, noe som resulterer i en høykostløsning i tillegg til at det forsinker tiden det tar å få produktet ut på markedet.

For å øke hastigheten på tiden for ferdig produkt ut på markeden, samt kontrollere kostnader kan designere bruke sensormoduler som er fabrikkkalibrert, støtte sikre oppstarts- og fastvareoppdateringer. Alt dette i tillegg til å tilby tilkoblingsalternativer, inkludert å sende data til skyen eller bruke en CAN eller annen buss for lokale tilkoblinger.

Denne artikkelen begynner med å sammenligne optiske partikkeltellere, trykte på silketrykket (screen-trykte) elektrokjemiske og multi-parameter sensorteknologier. Den presenterer løsninger for luftkvalitetssensorer og utviklingsplattformer fra Sensirion, Metis Engineering og Spec Sensors, sammen med ledsagende enheter fra Infineon Technologies. Her får du også forslag på hvordan fremskynde utviklingsprosessen.

PM-sensorer (partikkelforurensningssensorer – svevestøvsensorer) gir tellinger for spesifikke partikkelstørrelser som PM2.5 og PM10, som tilsvarer partikler med diameter på henholdsvis 2,5 mikron og 10 mikron, så vel som andre partikkelstørrelser som er nødvendig for den spesifikke utrustningen. Optiske partikkeltellere (OPC-er) er en bestemt partikkelforurensningsteknologi (PM-teknologi) som beveger luften som skal måles gjennom en målecelle som inneholder en laser og en fotodetektor (figur 1). Partikler i luften sprer lyset fra laseren, og detektoren måler det spredte lyset. Målingen omregnes til massekonsentrasjon i mikrogram per kubikkmeter (μg/m³) og teller antall partikler per kubikkcentimeter (cm³). Å telle partikler ved hjelp av en OPC er enkelt, men å konvertere denne informasjonen til et massekonsentrasjonstall er mer komplekst. Programvaren som brukes for konverteringen må vurdere partiklenes optiske parametere som form og brytningsindeks. Som et resultat kan OPC-er lide av større unøyaktighet sammenlignet med andre sensormetoder for måling av partikkelforurensning (PM-sensormetoder) som direkte, vektbasert, gravimetrisk teknologi.

Figur 1: En OPC bruker en laser og fotodiode for å telle luftbårne partikler. (Bildekilde: Sensirion)

Ikke alle OPC-er er like. Svært nøyaktige og dyre OPC-er med laboratoriekvalitet kan telle hver partikkel i målecellen. Billigere kommersielle OPC-er er tilgjengelige som bare prøver omtrent 5 % av aerosolpartikler og bruker programvarebaserte estimeringsteknikker for å komme frem til en samlet «måling». Spesielt er tettheten til store partikler som PM10 vanligvis veldig lav, og de kan ikke måles direkte ved lavpris OPC.

Når partikkelstørrelsen øker, synker antallet partikler i en gitt partikkelmasse dramatisk. Sammenlignet med en aerosol med PM1.0-partikler har en aerosol med PM8-partikler omtrent 500 ganger færre partikler for en gitt masse. For å måle større partikler med samme nøyaktighet som små partikler, må en lavpris OPC integrere data over flere timer for å komme frem til et estimat. Heldigvis har aerosoler ganske konsistente fordelinger av små og store partikler i virkelige miljøer. Med riktig utformede algoritmer er det mulig å nøyaktig estimere antallet større partikler, som PM4.0 og PM10, ved å bruke målinger av partiklene PM0.5, PM1.0 og PM2.5.

Amperometriske gass-sensorer

I stedet for å måle antall partikler, måler amperometriske sensorer gasskonsentrasjoner. De er elektrokjemiske enheter som produserer en strøm lineært proporsjonal med den volumetriske andelen av gassen som måles. En enkel amperometrisk sensor består av to elektroder og en elektrolytt. Gasskonsentrasjonen måles ved sensorelektroden, som består av et katalytisk metall som optimerer reaksjonen til gassen som skal måles. Gassen reagerer med sensorelektroden etter å ha kommet inn i sensoren gjennom en kapillær diffusjonsbarriere. Motelektroden fungerer som en halvcelle og fullfører kretsen (Figur 2). En ekstern krets måler strømflyten og bestemmer gasskonsentrasjonen. I noen design er en tredje «referanse»-elektrode inkludert for å forbedre stabiliteten, signal-støy-forholdet og øke responstiden til den grunnleggende amperometriske sensoren.

Figur 2: Amperometriske sensorer bruker to elektroder atskilt av en elektrolytt for å måle konsentrasjonen av gasser. (Bildekilde: Spec Sensor)

Multi-parameter-sensor for batteripakker

Overvåking av luftkvaliteten er bare starten for sensorer som er utviklet for å beskytte batteripakker i elbiler og installasjonerer med batterilagringssystemer. Disse sensorene overvåker trykk, lufttemperatur, fuktighet, duggpunkt og absolutt vanninnhold, i tillegg til flyktige organiske forbindelser (VOC) som metan (CH)₄), etylen (C₂ H₄), hydrogen (H₂), karbonmonoksid (CO) og karbondioksid (CO₂). Under den første fasen av batteriventilering har det gassformige produktet av et vanlig litium-ion-batteri med en nikkel-mangan- og koboltkatode en kjent kjemisk sammensetning (Figur 3). Hydrogenkonsentrasjonen er kritisk; hvis den nærmer seg 4 %, hydrogens nedre eksplosjonsgrense, er det en mulighet for eksplosjon eller brann. Det bør iverksettes tiltak for å forhindre at cellen går inn i ukontrollerbar termisk tilstand (temperaturen løper løpsk). Trykksensoren kan oppdage små trykkøkninger inne i en batteripakke forårsaket av utlufting. Falske positive verdier kan unngås ved å kryssjekke eventuell trykkøkning med de andre sensormålingene.

Figur 3: En spesifikk blanding av gasser er karakteristisk for den første fasen av batteriventilering (Bildekilde: Metis Engineering)

Denne multiparametersensoren overvåker også for en for kjølig driftstilstand. Store batteripakker i elbiler og batterilagringssystemer inkluderer ofte aktiv kjøling for å beskytte pakkene fra overoppheting når de er blir ladet opp eller lader ut. Hvis de avkjøles for mye, kan den indre temperaturen falle under duggpunktet, noe som resulterer i kondens inne i pakken, som potensielt kortslutter cellene og forårsaker at temperaturen løper løpsk. Duggpunktsensoren varsler BMS før kondens kan samles på batteripolene.

Lasersensor for luftkvalitet (AQ-sensor)

Designere av varme-, ventilasjons- og klimaanlegg (VVS – HVAC), luftrenser og lignende applikasjoner kan bruke Sensirions SPS30 PM-sensor til å overvåke luftkvaliteten innendørs eller utendørs. SPS-sensorer måler massekonsentrasjoner av partikkeltall som PM1.0, PM2.5, PM4 og PM10, så vel som PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 og PM10. Den har en massekonsentrasjonspresisjon på ±10 %, et massekonsentrasjonsområde på 0 til 1000 μg/m³ og en driftslevetid på over ti år. SPS30 inkluderer et I²C-grensesnitt for korte tilkoblinger og en UART7 for kabler som er lengre enn 20 centimeter (cm).

En automatisk vifte rengjøringsmodus kan utløses med et forhåndsinnstilt intervall for å sikre konsekvente målinger. Viftens rengjøring akselererer viften til maksimal hastighet i 10 sekunder og blåser ut oppsamlet støv. Partikkelmålefunksjonen (PM-målefunksjonen) er frakoblet under vifterengjøring. Standard rengjøringsintervall er ukentlig, men andre intervaller kan stilles inn for å møte spesifikke krav til utrustning.

Dev-sett og sikker oppstart

Luftkvalitetsmålerens SEK-SPS30 sitt evalueringskort kan brukes til å koble SPS30 til en PC for å begynne å utforske funksjonene til denne PM-sensoren. I tillegg tilbyr DigiKey en plattform for å kombinere Sensirions luftkvalitetssensorer med Infineons PSoC 6 MCU-er for å utvikle neste generasjons intelligente overvåkingssystemer for luftkvalitet. For smarte byggesystemer der personvern er et problem, støtter PSoC 6 sikker oppstart og sikre firmwareoppdateringer(figur 4).

Figur 4: Dette dev-settet fra Sensirion og Infineon kan implementere sikker oppstart og sikre firmwareoppdateringer. (Bildekilde: DigiKey)

Batteripakkesensor

Designere batteripakker til EV-er og batterilagringssystemer kan benytte CANBSSGEN1 fra Metis Engineering for batterisikkerhetsovervåking. Den er designet for å oppdage tidlige feil på grunn av celleventilasjon. Denne CAN-bussbaserte sensoren inkluderer et utskiftbart luftfilter og er spesielt nyttig i elbiler (Figur 5). Et valgfritt akselerometer kan overvåke for støt opptil 24 g i tilleg til støtvarighet, slik at systemet kan identifisere når batteripakken har blitt utsatt for støt over sikre nivåer. Den kan måle:

• 0,2 til 5,5 Bar absolutt trykk
• -30 °C til +120 °C lufttemperaturer
• VOC-er, tilsvarende CO₂ (eCO₂), og H₂ ppb (deler per milliard)
• Absolutt fuktighet i milligram vanndamp per kubikkmeter (mg/m³)
• Duggpunkttemperatur

Figur 5: Denne overvåkingssensoren for batterisikkerhet inkluderer et utskiftbart luftfilter (hvit sirkel i midten). (Bildekilde: Metis Engineering)

CAN-sensorutviklingssett

DEVKGEN1V1-utviklingssett bidrar til å forkorte systemintegrasjonstiden ved bruk av Metis CAN-sensorer. Sensorene inkluderer en konfigurerbar CAN-busshastighet og adresse sammen med en DBC CAN-database som støtter integrasjon i nesten alle kjøretøy med en CAN-buss. Det grunnleggende utviklingssettet kan utvides, slik at utviklere kan legge til flere sensorer til CAN-nettverket.

Innendørs luftkvalitetssensor

Konstruktører av overvåkingssystemer for luftkvalitet innendørs i bygg og i førerhus på kjøretøyer, kan bruke 110-801 fra SPEC-sensorer. 110-801 er en amperometrisk gassensor trykt på silketrykket (screen-trykket) som kan oppdage et bredt spekter av gasser forbundet med dårlig luftkvalitet, inkludert alkoholer, ammoniakk, karbonmonoksid, forskjellige luktgasser og sulfider. Responsen til disse sensorene er lineært proporsjonal med den volumetriske fraksjonen av gassen som måles, noe som forenkler systemintegrasjonen (figur 6). Andre funksjoner i denne sensoren på 20 x 20 x 3 mm inkluderer:

• Deler per million-følsomhet (ppm-følsomhet)
• Mindre enn ti mikrowatt (μW) sensoreffekt
• Driftstemperaturområde -10 °C til 40 °C (0 °C til 40 °C kontinuerlig drift)
• Robust og stabil drift i nærvær av et bredt spekter av forurensninger

Figur 6: Denne amperometriske gassensoren trykt på silketrykket (screen-trykket) kan måle tilstedeværelsen av en rekke gasser. (Bildekilde: Spec Sensors)

Integrasjon av amperometriske gasssensorer

En potensialostatkrets styrer arbeidselektrodens potensial i en amperometrisk gassensor og omformer elektrodestrømmen til en utgangsspenning (figur 7). Spenningen på pinne 2 i operasjonsforsterkeren (op-amp-en) U1 setter referanseelektrodespenningen, arbeidselektrodens potensial er satt av pinne 6 i op amp U2. Op amp U2 omformer også strømutgangen fra sensoren til et spenningssignal. Samtidig leverer op amp U1 strøm til motelektroden som er lik arbeidselektrodestrømmen.

Figur 7: Forenklet potensiostatkrets som brukes til å implementere gassdeteksjon ved hjelp av en amperometrisk sensor. (Bildekilde: Spec Sensors)

Sammendrag

Som vist har designere en rekke luftkvalitetssensorteknologier å velge mellom når de designer miljøovervåkingssystemer. OPCer kan brukes til å overvåke potensielt farlige partikkelnivåer innendørs og utendørs. CAN-baserte, flersensorsystemer (multisensorsystemer) kan overvåke for første trinn ventilasjon i EV- og BESS-batteripakker og bidra til å forhindre at temperaturen løper løpsk, samt mulig brann eller eksplosjoner. Lavt energiforbruk, amperometriske silketrykte (screen-trykte) gasssensorer kan brukes til å oppdage et bredt spekter av gasser som forårsaker dårlig luftkvalitet.