Kuinka käyttää älykkäitä ilmanlaadun antureita ympäristön seurannassa

Ympäristön seuranta älykkäiden ilmanlaatuantureiden avulla laajenee lukuisissa sovelluksissa älykodeista, -rakennuksista ja -kaupungeista tavanomaisiin ajoneuvoihin, sähköajoneuvoihin sekä akkuenergian varastointijärjestelmiin (BESS). Älykodeissa, -rakennuksissa ja -kaupungeissa ilmanlaatuanturit voivat parantaa terveyttä ja turvallisuutta valvomalla huonoon ilmanlaatuun liittyviä hiukkasia ja kaasuja ilmassa sekä mahdollistamalla aikainen palovaroitus tunnistamalla savu. Ajoneuvojen matkustajatiloissa nämä anturit voivat tunnistaa haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC-yhdisteet) ja korkean hiilidioksidipitoisuuden (CO₂), jotka voivat aiheuttaa terveysongelmia. Sähköajoneuvoissa ja BESS-järjestelmissä niitä voidaan käyttää havaitsemaan paineen nousu ja korkea vetypitoisuus akkukotelossa kennon ensimmäisen purkautumisvaiheen jälkeen, jolloin akun hallintajärjestelmä (BMS) voi reagoida ja estää toisen purkautumistapahtuman sekä koko akkujärjestelmän lämpöryntäyksen.

Tällaisissa sovelluksissa käytettävien antureiden on oltava kompakteja ja niiden virrankulutuksen on oltava alhainen. Lisäksi niiden on tuettava suojattua käynnistystä ja suojattuja laiteohjelmistopäivityksiä. Niissä tarvitaan usein useita antureita, joilla ilmanlaatua voidaan seurata eri tavoin. Tällaisten toimintojen integroiminen pienikokoiseen ja vähävirtaiseen yksikköön voi olla pelottava prosessi, jota helposti täytyy yrittää monta kertaa ja joka helposti johtaa kalliiseen ratkaisuun ja myöhästyneeseen markkinoille tuloon.

Suunnittelijat voivat nopeuttaa markkinoille tuloa ja hallita kustannuksia käyttämällä anturimoduuleja, jotka on kalibroitu tehtaalla, tukevat suojattua käynnistystä ja suojattuja laiteohjelmistopäivityksiä sekä tarjoavat erilaisia liitettävyysvaihtoehtoja, mukaan lukien tietojen lähettäminen pilveen tai CAN-väylän tai muun väylän kautta paikallisesti.

Tässä artikkelissa verrataan aluksi optisia hiukkaslaskureita, seulapainettuja sähkökemiallisia ja moniparametrisia anturitekniikoita. Siinä esitellään Sensirionin, Metis Engineeringin ja Spec Sensorsin anturiratkaisuja ja kehitysalustoja ilmanlaadun seuraamiseen sekä Infineon Technologies -yrityksen lisälaitteita. Artikkeli tarjoaa myös ehdotuksia kehitysprosessin nopeuttamiseksi.

Hiukkasanturit (PM-anturit) mittaavat tiettyjä hiukkaskokoja, kuten PM2.5 ja PM10 (halkaisijaltaan 2,5 mikronin ja 10 mikronin hiukkaset), sekä muita hiukkaskokoja sovelluksen tarpeen mukaan. Optiset hiukkaslaskurit (OPC) ovat erityinen PM-tekniikka, jossa mitattava ilma kulkee laserin ja fotodetektorin sisältävän mittauskennon läpi (kuva 1). Ilmassa olevat hiukkaset saavat laserin valon siroamaan ja ilmaisin mittaa sironneen valon. Mittaus muunnetaan massapitoisuudeksi yksikkönä mikrogrammat kuutiometriä kohti (μg/m³) ja hiukkasten lukumääräksi kuutiosenttimetriä kohti (cm³). Hiukkasten laskeminen OPC-tekniikan avulla on yksinkertaista, mutta tiedon muuntaminen massakonsentraatioluvuksi on kompleksisempaa. Muuntamiseen käytettävän ohjelmiston on otettava huomioon hiukkasten optiset parametrit, kuten niiden muoto ja taitekerroin. Tämän seurauksena OPC-tekniikka voi osoittautua epätarkemmaksi verrattuna muihin PM-anturimenetelmiin, kuten suorat painoon perustuvat gravimetriset tekniikat.

Kuva 1: OPC käyttää ilmassa olevien hiukkasten laskemiseen laseria ja fotodiodia. (Kuvan lähde: Sensirion)

OPC-toteutuksissa on eroja. Erittäin tarkat ja kalliit laboratoriotason OPC:t pystyvät laskemaan jokaisen hiukkasen mittauskennossa. Edullisemmat kaupalliset OPC-laitteet ottavat näytteen vain noin 5 prosentista aerosolihiukkasia ja käyttävät ohjelmistopohjaisia arviointitekniikoita kokonaismittauksen muodostamiseen. Erityisesti PM10:n kaltaisten suurten hiukkasten tiheys on tyypillisesti hyvin pieni, eikä niitä voida mitata suoraan edullisilla OPC-laitteilla.

Hiukkaskoon kasvaessa hiukkasten määrä samassa hiukkasmassassa vähenee dramaattisesti. Samassa massassa PM1.0-hiukkasia sisältävää aerosolia on noin 500 kertaa enemmän hiukkasia kuin samassa massassa PM8-hiukkasia sisältävää aerosolia. Jotta suuremmat hiukkaset voitaisiin mitata samalla tarkkuudella kuin pienet hiukkaset, edullisen OPC:n on integroitava tietoja useiden tuntien ajalta arvion muodostamiseksi. Onneksi aerosolit jakautuvat reaalimaailmassa melko tasaisesti pieniin ja suuriin hiukkasiin. Hyvin suunnitelluilla algoritmeilla on mahdollista arvioida tarkasti suurempien hiukkasten (kuten PM4.0 ja PM10) määrä PM0.5-, PM1.0- ja PM2.5-hiukkasten mittausten perusteella.

Amperometriset kaasuanturit

Amperometriset anturit mittaavat hiukkasten lukumäärän sijaan kaasupitoisuuksia. Nämä ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka tuottavat sähkövirran, joka on lineaarisesti verrannollinen mitattavan kaasun suhteelliseen tilavuuteen. Perustason amperometrinen anturi koostuu kahdesta elektrodista ja elektrolyytistä. Kaasun pitoisuus mitataan anturielektrodilla, joka koostuu katalyyttisestä metallista, joka optimoi mitattavan kaasun reaktion. Kaasu reagoi mittauselektrodin kanssa sen jälkeen kun se tulee anturiin kapillaarisen diffuusiosulun läpi. Vastaelektrodi toimii puolikennona ja täydentää virtapiirin (kuva 2). Ulkoinen piiri mittaa sähkövirtaa ja määrittää kaasun pitoisuuden. Eräissä ratkaisuissa käytetään kolmatta referenssielektrodia parantamaan amperometrisen perusanturin stabiiliutta, signaali-kohinasuhdetta ja vasteaikaa.

Kuva 2: Amperometriset anturit käyttävät kaasukonsentraation mittaamiseen kahta toisistaan elektrolyytillä erotettua elektrodia. (Kuvan lähde: Spec Sensor)

Moniparametrianturi akkupaketeille

Ilmanlaadun valvonta on vasta alkua antureille, jotka on suunniteltu suojaamaan sähköautojen ja BESS-järjestelmien akkupaketteja. Nämä anturit seuraavat painetta, ilman lämpötilaa, kosteutta, kastepistettä ja absoluuttista vesipitoisuutta sekä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), kuten metaania (CH₄), eteeniä (C₂H₄), vetyä (H₂), hiilimonoksidia (CO) ja hiilidioksidia (CO₂). Kun tavallisesta nikkelimangaani- ja kobolttikatodia käyttävästä litiumioniakusta poistuu kaasua ensimmäisessä vaiheessa, sen kemiallinen koostumus tunnetaan hyvin (kuva 3). Vetypitoisuus on kriittinen; jos se lähestyy 4 prosenttia, joka on vedyn alempi räjähdysraja, se saattaa räjähtää tai syttyä palamaan. Kennon lämpöryntäys on estettävä. Paineanturi pystyy havaitsemaan pienetkin kaasunpoistosta aiheutuvat paineen nousut akkupaketin sisällä. Väärät positiiviset tulokset voidaan välttää tarkistamalla mahdollinen paineen nousu muiden anturimittausten kanssa.

Kuva 3: Akun kaasunpoiston ensimmäisen vaiheen kaasuseoksella on tietty koostumus (Kuvan lähde: Metis Engineering)

Tämä moniparametrianturi valvoo myös sitä, ovatko käyttöolosuhteet liian kylmät. Sähköautojen ja BESS-järjestelmien suurissa akkupaketeissa on usein aktiivinen jäähdytys, joka estää akkupaketteja ylikuumenemasta, kun niitä ladataan tai puretaan. Jos niitä jäähdytetään liikaa, niiden sisälämpötila voi laskea kastepisteen alapuolelle, jolloin pakkauksen sisälle tiivistyy kosteutta ja kennot saattavat mennä oikosulkuun ja aiheuttaa lämpöryntäyksen. Kastepisteanturi hälyttää BMS-järjestelmää ennen kuin akun napoihin ehtii kondensoitua kosteutta.

AQ-laseranturi

Lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmien (HVAC), ilmanpuhdistimien ja vastaavien sovellusten suunnittelijat voivat käyttää Sensirionin SPS30 PM-anturia ilmanlaadun seurantaan sisä- tai ulkotiloissa. SPS-anturit mittaavat PM1.0-, PM2.5-, PM4- ja PM10-hiukkasten massapitoisuudet sekä PM0.5-, PM1.0-, PM2.5-, PM4- ja PM10-hiukkasten lukumäärän. Sen massapitoisuustarkkuus on ±10 %, massapitoisuusalue 0–1000 μg/m³ ja käyttöikä yli kymmenen vuotta. SPS30 sisältää I²C-liitännän lyhyitä yhteyksiä varten ja UART7-liitännän yli 20 senttimetriä (cm) pitkiä kaapeleita varten.

Automaattinen tuulettimen puhdistustila voidaan käynnistää esiasetetuin väliajoin tasaisten mittausten varmistamiseksi. Puhaltimen puhdistus kiihdyttää tuulettimen maksiminopeuteen 10 sekunniksi ja puhaltaa kertyneen pölyn pois. PM-mittaustoiminto deaktivoidaan tuulettimen puhdistuksen ajaksi. Puhdistusväli on oletusarvoisesti yksi viikko, mutta muita puhdistusvälejä voidaan asettaa sovelluksen erityisvaatimusten mukaan.

Kehityssarjat ja suojattu käynnistys

SPS30 voidaan yhdistää tietokoneeseen käyttämällä ilmanlaadun valvontaan tarkoitettua SEK-SPS30-arviointialustaa ja aloittaa PM-anturin ominaisuuksiin tutustuminen. Lisäksi DigiKey tarjoaa alustan Sensirionin ilmanlaatuantureiden ja Infineonin PSoC 6 -mikrokontrollerien yhdistämiseen seuraavan sukupolven älykkäiden ilmanlaadun seurantajärjestelmien kehittämistä varten. PSoC 6 tukee suojattua käynnistystä ja suojattuja laiteohjelmistopäivityksiä älykkäissä rakennusjärjestelmissä, joissa yksityisyys on tärkeä huomioon otettava tekijä (kuva 4).

Kuva 4: Tällä Sensirionin ja Infineonin kehityssarjalla voidaan toteuttaa suojattu käynnistys ja suojattu laiteohjelmiston päivitys. (Kuvan lähde: DigiKey)

Akkupaketin anturi

EV- ja BESS-akkupakettien suunnittelijat voivat käyttää Metis Engineeringin CANBSSGEN1-ratkaisua akkujen turvallisuuden valvontaan. Se on suunniteltu havaitsemaan kennon kaasunpoistosta johtuvat viat jo varhaisessa vaiheessa. Tämä CAN-väylään perustuva anturi sisältää vaihdettavan ilmansuodattimen, ja se on erityisen hyödyllinen sähköautoissa (kuva 5). Anturiin saa halutessaan myös kiihtyvyysanturin, jolla voidaan seurata jopa 24 G:n iskuja ja iskun kestoa. Tämän ansiosta järjestelmä tunnistaa, milloin akkupaketti on altistunut iskuille, jotka ylittävät turvallisen tason. Se voi mitata:

• Absoluuttisen paineen 0,2–5,5 baaria
• Ilman lämpötilan -30 °C ... +120 °C
• VOC:t, ekvivalentin CO₂-arvon (eCO₂) ja H₂-arvon yksikössä ppb (parts per billion)
• Absoluuttisen kosteuden milligrammoina vesihöyryä kuutiometriä kohti (mg/m³)
• Kastepisteen lämpötilan.

Kuva 5: Tämä anturi akun turvallisuuden valvontaan sisältää vaihdettavan ilmansuodattimen (valkoinen ympyrä keskellä). (Kuvan lähde: Metis Engineering)

CAN-anturin kehityssarja

DEVKGEN1V1-kehityssarja auttaa lyhentämään järjestelmän integrointiaikaa Metis CAN-antureita käytettäessä. Anturit sisältävät konfiguroitavan CAN-väylänopeuden ja -osoitteen sekä DBC CAN -tietokannan, joka mahdollistaa integroinnin lähes mihin tahansa CAN-väylällä varustettuun ajoneuvoon. Perustason kehityssarjaa voidaan laajentaa, minkä ansiosta kehittäjät voivat lisätä CAN-verkkoon lisää antureita.

Sisäilman laadun tunnistin

Sisätilojen ja ajoneuvojen ilmanlaadun seurantajärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää SPEC Sensorsin 110-801-anturia. 110-801 on seulapainettu amperometrinen kaasuanturi, jolla voidaan havaita suuri määrä huonoon ilmanlaatuun liittyviä kaasuja, kuten alkoholit, ammoniakki, hiilimonoksidi, erilaiset haisevat kaasut ja sulfidit. Näiden antureiden vaste on lineaarisesti verrannollinen mitattavan kaasun suhteelliseen tilavuusteen, mikä yksinkertaistaa järjestelmän integrointia (kuva 6). Tämän 20 x 20 x 3 mm:n anturin muita ominaisuuksia ovat:

• ppm-herkkyys (parts per million)
• Anturin virrankulutus alle kymmenen mikrowattia (μW)
• Käyttölämpötila-alue -10 °C ... +40 °C (jatkuvassa käytössä 0 °C ... +40 °C)
• Robusti ja stabiili toiminta myös lukuisten erilaisten epäpuhtauksien yhteydessä.

Kuva 6: Tämä seulapainettu amperometrinen kaasuanturi voi mitata useita eri kaasuja. (Kuvan lähde: Spec Sensors)

Amperometrisen kaasuanturin integrointi

Potentiostaattipiiri ohjaa amperometrisen kaasuanturin mittauselektrodin jännitettä ja muuntaa elektrodivirran lähtöjännitteeksi (kuva 7). Operaatiovahvistimen U1 nastassa 2 oleva jännite asettaa referenssielektrodin jännitteen ja mittauselektrodin jännite asetetaan operaatiovahvistimen U2 nastalla 6. Operaatiovahvistin U2 muuntaa myös anturin lähtövirran jännitesignaaliksi. Samanaikaisesti operaatiovahvistin U1 syöttää vastaelektrodiin virran, joka on yhtä suuri kuin mittauselektrodin virta.

Kuva 7: Yksinkertaistettu potentiostaattipiiri, jota käytetään kaasun mittaukseen amperometrisen anturin avulla. (Kuvan lähde: Spec Sensors)

Yhteenveto

Kuten artikkelissa on esitetty, suunnittelijoilla on valittavinaan useita erilaisia anturitekniikoita ilmanlaadun valvontaan ympäristönseurantajärjestelmien suunnittelussa. OPC-tekniikkaa voidaan käyttää vaarallisten hiukkaspitoisuuksien seurantaan sisä- ja ulkotiloissa. CAN-pohjaiset monianturijärjestelmät voivat seurata ensimmäisen vaiheen kaasunpoistoa EV- ja BESS-akkupaketeissa ja ehkäistä lämpöryntäyksiä sekä mahdollisia tulipaloja ja räjähdyksiä. Vähävirtaisilla seulapainetuilla amperometrisillä kaasuantureilla voidaan tunnistaa suuri määrä huonoa ilmanlaatua aiheuttavia kaasuja.