Sådan bruger du smart-sensorer til miljøovervågning af luftkvalitet

Miljøovervågning ved hjælp af smart-luftkvalitetssensorer udvides på tværs af forskellige applikationer fra smart-hjem, bygninger og byer til konventionelle og elektriske køretøjer (EV'er) og batterioplagringssystemer (BESS). I smart-hjem, bygninger og byer kan luftkvalitetssensorer bidrage til at sikre sundhed og sikkerhed ved at overvåge luftbårne partikler og gasser, der er forbundet med dårlig luftkvalitet, samt røgdetektion til tidlig brandadvarsel. I køretøjer kan disse sensorer identificere flygtige organiske forbindelser (VOC) og høje niveauer af CO₂, som kan give anledning til sundhedsmæssige betænkeligheder. EV'er og BESS kan de bruges til at registrere en stigning i trykket og høje niveauer af brint i et batterikabinet efter den første udluftningsfase af en celle, så batteristyringssystemet (BMS) kan reagere og forhindre en anden udluftningshændelse eller løbsk termisk afledning i hele batterisystemet.

De sensorer, der anvendes i disse applikationer, skal være kompakte, have lavt strømforbrug og være i stand til at understøtte sikker opstart og sikre firmwareopdateringer. De skal ofte omfatte flere sensorer, der dækker et bredt spektrum af luftkvalitetsovervågning. Det kan være en vanskelig proces at integrere denne række funktioner i en kompakt enhed med lavt strømforbrug, der kan være tilbøjelig til at starte forfra, hvilket resulterer i en løsning med høje omkostninger og forsinker time-to-market.

For at fremskynde markedsføringen og kontrollere omkostningerne kan designere vælge sensormoduler, der er kalibreret på fabrikken, understøtter sikker opstart og firmwareopdateringer og giver mulighed for tilslutningsmuligheder, herunder at sende data til cloud'en eller bruge en CAN- eller anden bus til lokale forbindelser.

Denne artikel begynder med en sammenligning af optiske partikeltællere, elektrokemiske sensorteknologier og multiparameter-sensorteknologier med skærmprint. Den præsenterer luftkvalitetssensorløsninger og udviklingsplatforme fra Sensirion, Metis Engineering og Spec Sensors sammen med tilhørende enheder fra Infineon Technologies og indeholder forslag til at fremskynde udviklingsprocessen.

PM-sensorer (Particulate matter) giver tællinger for specifikke partikelstørrelser som PM2,5 og PM10, der svarer til partikler med en diameter på henholdsvis 2,5 mikron og 10 mikron, samt andre partikelstørrelser, som er nødvendige for den specifikke anvendelse. Optiske partikeltællere (OPC'er) er en særlig PM-teknologi, hvor den luft, der skal måles, flyttes gennem en målecelle, der indeholder en laser og en fotodetektor (figur 1). Partikler i luften spreder lyset fra laseren, og detektoren måler det spredte lys. Målingen omregnes til massekoncentration i mikrogram pr. kubikmeter (μg/m³) og tæller antallet af partikler pr. kubikcentimeter (cm³). Det er ligetil at tælle partikler ved hjælp af en OPC, men det er mere kompliceret at konvertere disse oplysninger til et massekoncentrationstal. Den software, der anvendes til konverteringen, skal tage højde for partiklernes optiske parametre som form og brydningsindeks. Som følge heraf kan OPC'er være mere upræcise end andre metoder til måling af partikler, f.eks. direkte, vægtbaserede, gravimetriske teknologier.

Figur 1: En OPC anvender en laser og en fotodiode til at tælle luftbårne partikler. (Billedkilde: SENSIRION)

Ikke alle OPC'er er ens. OPC'er i laboratoriekvalitet, der er meget nøjagtige og dyre, kan tælle hver eneste partikel i målecellen. Der findes billigere kommercielle OPC'er, som kun tager prøver af ca. 5 % af aerosolpartiklerne og anvender softwarebaserede estimeringsteknikker til at opnå en samlet "måling". Især er tætheden af store partikler som PM10 typisk meget lav, og de kan ikke måles direkte af billige OPC'er.

Når partikelstørrelsen øges, falder antallet af partikler i en given partikelmasse drastisk. Sammenlignet med en aerosol med PM1.0-partikler har en aerosol med PM8-partikler ca. 500 gange færre partikler pr. masse. For at måle større partikler med samme nøjagtighed som små partikler skal en billig OPC integrere data over flere timer for at nå frem til et skøn. Heldigvis har aerosoler en ret ensartet fordeling af små og store partikler i virkelige miljøer. Med korrekt udformede algoritmer er det muligt at foretage et præcist skøn over antallet af større partikler, såsom PM4.0 og PM10, ved hjælp af målinger af PM0.5, PM1.0 og PM2.5-partikler.

Amperometriske gassensorer

I stedet for at måle antallet af partikler måler amperometriske sensorer gaskoncentrationer. De er elektrokemiske anordninger, der frembringer en strøm, som er lineært proportional med den volumetriske del af den målte gas. En grundlæggende amperometrisk sensor består af to elektroder og en elektrolyt. Gaskoncentrationen måles ved måleelektroden, som består af et katalytisk metal, der optimerer reaktionen af den gas, der skal måles. Gassen reagerer med måleelektroden efter at være kommet ind i sensoren gennem en kapillær diffusionsbarriere. Modelektroden fungerer som en halvcelle og lukker kredsløbet (figur 2). Et eksternt kredsløb måler strømstrømmen og bestemmer gaskoncentrationen. I nogle konstruktioner indgår en tredje "reference"-elektrode for at forbedre stabiliteten, signal/støjforholdet og fremskynde responstiden for den grundlæggende amperometriske sensor.

Figur 2: Amperometriske sensorer anvender to elektroder adskilt af en elektrolyt til at måle koncentrationerne af gasser. (Billedkilde: Spec Sensor)

Multiparameter-sensorer til batteripakker

Overvågning af luftkvaliteten er blot begyndelsen for sensorer, der er designet til at beskytte batteripakker i elbiler og BESS-installationer. Disse sensorer overvåger tryk, lufttemperatur, luftfugtighed, dugpunkt og absolut vandindhold samt flygtige organiske forbindelser (VOC'er) som metan (CH₄), ethylen (C₂H₄), hydrogen (H₂), carbon monoxid (CO) og carbon dioxid (CO₂). I den første fase af udluftningen af batteriet har gasproduktet fra et almindeligt lithium-ion-batteri med en nikkel-mangan- og koboltkatode en kendt kemisk sammensætning (figur 3). Brintkoncentrationen er kritisk; hvis den nærmer sig 4 %, som er brints nedre eksplosionsgrænse, er der risiko for eksplosion eller brand. Der bør træffes foranstaltninger for at forhindre, at cellen går i løbsk termisk afledning. Tryksensoren kan registrere små stigninger i trykket i en batteripakke, der skyldes udluftning. Falske positiver kan undgås ved at krydstjekke enhver stigning i trykket med de andre sensormålinger.

Figur 3: En specifik blanding af gasser er karakteristisk for den første fase af udluftning af batterier (Billedkilde: Metis Engineering)

Denne multiparameter-sensor overvåger også, om driftstilstanden er for kold. Store batteripakker i elbiler og BESS-batterier omfatter ofte aktiv køling for at forhindre overophedning af batteripakkerne, når de oplades eller aflades. Hvis de afkøles for meget, kan den indre temperatur falde under dugpunktet, hvilket resulterer i kondensvand inde i pakken, hvilket kan kortslutte cellerne og forårsage løbsk termisk afledning. Dugpunktssensoren advarer BMS'et, før der kan samle sig kondensvand på batteripolerne.

Laser AQ-sensor

Designere af varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC), luftrensere og lignende applikationer kan bruge Sensirions SPS30 PM-sensor til at overvåge luftkvaliteten indendørs eller udendørs. SPS-sensorer måler massekoncentrationer af PM1.0, PM2.5, PM4 og PM10 samt partikeltælling af PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 og PM10. Den har en massekoncentrationsnøjagtighed på ±10 %, et massekoncentrationsområde på 0 til 1000 μg/m³ og en levetid på over ti år. SPS30 indeholder et I²C-interface til korte forbindelser og en UART7 til kabler, der er længere end 20 cm (20 cm).

En automatisk rengøringsfunktion for blæseren kan udløses med et forudindstillet interval for at sikre ensartede målinger. Rengøring af ventilator accelererer ventilatoren til maksimal hastighed i 10 sekunder og blæser det ophobede støv ud. PM-målefunktionen er offline under rengøring af ventilator. Standardrengøringsintervallet er ugentligt, men der kan indstilles andre intervaller for at opfylde specifikke anvendelseskrav.

Dev kits og sikker opstart

SEK-SPS30 sensor-evalueringskortet til luftkvalitetsmonitorer kan bruges til at tilslutte SPS30 til en pc for at begynde at udforske PM-sensorens muligheder. Desuden tilbyder DigiKey en platform til at kombinere Sensirions luftkvalitetssensorer med Infineons PSoC 6 MCU'er til udvikling af næste generation af smart-systemer til overvågning af luftkvaliteten. Til smart-byggesystemer, hvor privatlivets fred er et problem, understøtter PSoC 6 sikker opstart og sikre firmwareopdateringer (Figur 4).

Figur 4: Dette dev kit fra Sensirion og Infineon kan implementere sikker opstart og sikre firmwareopdateringer. (Billedkilde: DigiKey)

Batteripakke-sensor

Designere af EV- og BESS-batteripakker kan bruge CANBSSGEN1 fra Metis Engineering til overvågning af batterisikkerhed. Denne er designet til at opdage tidlige fejl som følge af udluftning af celler. Denne CAN-bus-baserede sensor omfatter et udskifteligt luftfilter og er især nyttig i elbiler (figur 5). Et valgfrit accelerometer kan overvåge stød på op til 24 G og stødets varighed, så systemet kan identificere, hvornår batteripakken har været udsat for stød over sikkerhedsniveauet. Den kan måle:

• 0,2 til 5,5 Bar absolut tryk
• -30 °C til +120 °C lufttemperaturer
• VOC'er, CO₂ (eCO₂), and H₂ i dele pr. milliard (ppb)
• Absolut luftfugtighed i milligram vanddamp pr. kubikmeter (mg/m³)
• Dugpunktstemperatur

Figur 5: Denne sensor til overvågningssensor af batterisikkerhed omfatter et udskifteligt luftfilter (den midterste hvide cirkel). (Billedkilde: Metis Engineering)

CAN-sensorudviklingskit

Udviklingskittet DEVKGEN1V1 hjælper med at forkorte systemintegrationstiden, når du bruger Metis CAN-sensorer. Sensorerne omfatter en konfigurerbar CAN-bushastighed og -adresse sammen med en DBC CAN-database, der understøtter integration i næsten alle køretøjer med en CAN-bus. Det grundlæggende udviklingskit kan udvides, så udviklere kan tilføje flere sensorer til CAN-netværket.

Sensor til indendørs luftkvalitet

Designere af systemer til overvågning af luftkvaliteten indendørs og i køretøjer i kabinen kan bruge 110-801 fra SPEC Sensors. 110-801 er en amperometrisk gassensor, der kan detektere en lang række gasser, der er forbundet med dårlig luftkvalitet, herunder alkoholer, ammoniak, kulilte, forskellige lugtgasser og sulfider. Disse sensorers respons er lineært proportional med den volumetriske del af den målte gas, hvilket forenkler systemintegrationen (figur 6). Andre funktioner i denne 20 x 20 x 3 mm sensor omfatter:

• Dele pr. million (ppm) følsomhed
• Mindre end ti mikrowatt (μW) sensoreffekt
• -10 °C til +40 °C driftstemperaturområde (0 °C til +40 °C kontinuerlig drift)
• Robust og stabil drift ved tilstedeværelse af en lang række forurenende stoffer

Figur 6: Denne amperometriske gassensor kan måle tilstedeværelsen af en række forskellige gasser. (Billedkilde: Spec Sensors)

Integration af amperometrisk gassensor

Et potentiostat kredsløb styrer arbejdselektrodens potentiale i en amperometrisk gassensor og konverterer elektrodestrømmen til en udgangsspænding (figur 7). Spændingen ved ben 2 på operationsforstærkeren (op-amp) U1 indstiller referenceelektrodespændingen, og arbejdselektrodens potentiale indstilles af ben 6 på op-amp U2. Op-amp U2 konverterer også det aktuelle output fra sensoren til et spændingssignal. Samtidig leverer op-amp U1 strøm til modelektroden, som er lig med arbejdselektrodens strøm.

Figur 7: Forenklet potentiostat kredsløb, der anvendes til gasdetektion ved hjælp af en amperometrisk sensor. (Billedkilde: Spec Sensors)

Sammenfatning

Som det fremgår, har designere en række forskellige sensorteknologier til luftkvalitetssensorer at vælge imellem, når de designer miljøovervågningssystemer. OPC'er kan bruges til at overvåge potentielt farlige partikelniveauer indendørs og udendørs. CAN-baserede multisensorsystemer kan overvåge første fase af udluftning i batteripakker til elbiler og BESS-batterier og hjælpe med at forhindre løbsk termisk afledning og mulige brande eller eksplosioner. Amperometriske gassensorer med lav effekt, der er screen-printet, kan bruges til at detektere en lang række gasser, der forårsager dårlig luftkvalitet.