Hur man använder smarta givare för luftkvalitet för miljöövervakning

Miljöövervakning med hjälp av smarta givare för luftkvalitet ökar i olika tillämpningar, från smarta hem, byggnader och städer till konventionella och elektriska fordon och lagringssystem för batterienergi (BESS). I smarta hem, byggnader och städer kan givare för luftkvalitet bidra till hälsa och säkerhet genom att övervaka luftburna partiklar och gaser som är förknippade med dålig luftkvalitet samt rökdetektering för tidig brandvarning. I passagerarutrymmen i fordon kan sensorerna identifiera flyktiga organiska föreningar (VOC) och höga halter av_koldioxid som kan ge upphov till hälsoproblem. I elfordon och BESS kan de användas för att upptäcka en tryckökning och höga vätskenivåer i en batterikapsling efter den första ventileringsfasen i en cell, vilket gör det möjligt för batterihanteringssystemet att reagera och förhindra en andra ventileringshändelse eller termisk instabilitet i hela batterisystemet.

De givare som används i dessa tillämpningar måste vara kompakta, strömsnåla och ha stöd för säker start och säkra uppdateringar av firmware. De behöver ofta innehålla flera givare som omfattar ett brett spektrum av luftkvalitetsövervakning. Att integrera denna mängd funktioner i en kompakt strömsnål enhet kan vara en svår process, med risk för omstarter, vilket leder till en dyr lösning och fördröjer marknadsintroduktionen.

För att påskynda marknadsintroduktionen och kontrollera kostnaderna kan konstruktörer använda sig av givarmoduler som är fabrikskalibrerade, har stöd för säker start, uppdatering av firmware och har anslutningsalternativ, inklusive sändning av data till molnet eller användning av en CAN- eller annan buss för lokala anslutningar.

Artikeln inleds med en jämförelse mellan optiska partikelräknare, screentryckta elektrokemiska givartekniker och givartekniker med flera parametrar. Här presenteras givarlösningar och utvecklingsplattformar för luftkvalitet från Sensirion, Metis Engineering och Spec Sensors, tillsammans med kompletterande enheter från Infineon Technologies, och förslag för att påskynda utvecklingsprocessen.

Partikelgivare (PM) räknar specifika partikelstorlekar, t.ex. PM2,5 och PM10, som motsvarar partiklar med en diameter på 2,5 mikrometer respektive 10 mikrometer, samt andra partikelstorlekar som behövs för den specifika tillämpningen. Optiska partikelräknare (OPC) är en specifik partikelgivarteknik där luften som ska mätas förflyttas genom en mätcell som innehåller en laser och en fotodetektor (figur 1). Partiklarna i luften sprider ljuset från lasern och detektorn mäter det spridda ljuset. Mätningen omvandlas till en koncentration av massa i μg/m³ och räknar antalet partiklar per cm³. Det är enkelt att räkna partiklar med hjälp av en OPC, men det är mer komplicerat att omvandla denna information till en siffra för massakoncentrationen. Programmet som används för omvandligen måste ta hänsyn till partiklarnas optiska parametrar som form och brytningsindex. Därför kan OPC:er vara mindre noggranna jämfört med andra metoder för att mäta partiklar, som t.ex. direkta tekniker, viktbaserade tekniker och tyngdkraftsbaserade tekniker.

Figur 1: En OPC använder en laser och en fotodiod för att räkna luftburna partiklar. (Bildkälla: Sensirion)

Alla OPC:er är inte likadana. OPC:er av laboratoriekvalitet är mycket noggranna och dyra och kan räkna varje partikel i mätcellen. Det finns billigare OPC:er av kommersiell kvalitet som endast tar prov på cirka 5 % av aerosolpartiklarna och använder mjukvarubaserade uppskattningstekniker för att få fram en total "mätning". I synnerhet, är tätheten hos stora partiklar som PM10 vanligtvis mycket låg, och de kan inte mätas direkt med billiga OPC:er.

När partikelstorleken ökar minskar antalet partiklar i en given partikelmassa dramatiskt. Jämfört med en aerosol med PM1.0-partiklar har en aerosol med PM8-partiklar cirka 500 gånger färre partiklar per given massa. För att mäta större partiklar med samma noggrannhet som små partiklar måste en billig OPC integrera data under flera timmar för att få fram en uppskattning. Lyckligtvis har aerosoler en ganska jämn fördelning av små och stora partiklar i verkliga miljöer. Med korrekt utformade algoritmer är det möjligt att uppskatta antalet större partiklar korrekt, som t.ex. PM4.0 och PM10, med hjälp av mätningar av PM0.5, PM1.0 och PM2.5-partiklar.

Amperometriska gasgivare

I stället för att mäta antalet partiklar mäter amperometriska givare gaskoncentrationer. De är elektrokemiska anordningar som producerar en ström som är linjärt proportionell mot den volymetriska bråkdelen gas som mäts. En grundläggande amperometrisk givare består av två elektroder och en elektrolyt. Gaskoncentrationen mäts vid givarens elektrod, som består av en katalytisk metall som optimerar reaktionen av den gas som ska mätas. Gasen reagerar med givarelektroden efter att ha trängt in i givaren genom en kapillär spridningsbarriär. Den motsatta elektroden agerar som en halvcell och sluter kretsen (figur 2). En extern krets mäter strömflödet och bestämmer gaskoncentrationen. I vissa konstruktioner ingår en tredje "referenselektrod" för att förbättra stabiliteten, signal-brusförhållandet och för att förkorta svarstiden för den grundläggande amperometriska givaren.

Figur 2: Amperometriska givare använder två elektroder som är åtskilda av en elektrolyt för att mäta gaskoncentrationer. (Bildkälla: Spec Sensor)

Givare med flera parametrar för batteripaket

Övervakning av luftkvaliteten är bara början för givare som är utformade för att skydda batteripaket i elfordon och BESS-installationer. Dessa givare övervakar tryck, lufttemperatur, luftfuktighet, daggpunkt och absolut vattenhalt samt flyktiga organiska föreningar (VOC) som t.ex. metan (CH₄), etylen (C₂H₄), väte (_H2), kolmonoxid (CO) och koldioxid (_CO2). I batteriventileringens första fas har gasprodukten från ett vanligt litiumjonbatteri med en nickel-mangan- och koboltkatod en känd kemisk sammansättning (figur 3). Vätgaskoncentrationen är kritisk; om den närmar sig 4 %, vätgasens nedre explosionsgräns, finns det risk för explosion eller brand. Åtgärder bör vidtas för att förhindra att cellen drabbas av termisk instabilitet. Tryckgivaren kan upptäcka små ökningar av trycket som orsakas av ventilering inuti ett batteripaket. Falska varningar kan undvikas genom att dubbelkontrollera varje ökning av trycket med mätningar från andra givare.

Figur 3: En specifik blandning av gaser är karakteristisk för batteriventileringens första fas (Bildkälla: Metis Engineering).

Givaren med flera parametrar övervakar även så att drifttillståndet inte blir för kallt. Stora batteripaket i elbilar och BESS har ofta aktiv kylning för att förhindra överhettning när de laddas eller laddas ur. Om de kyls för mycket kan den inre temperaturen sjunka under daggpunkten, vilket leder till kondens inuti paketet, vilket kan leda till kortslutning av cellerna och orsaka termisk instabilitet. Givaren för daggpunkt varnar batterihanteringssystemet innan kondensen kan samlas på batteriets anslutningar.

Lasergivare för luftkvalitet

Konstruktörer av värme-, ventilations- och luftbehandlingssystem (HVAC), luftrenare och liknande tillämpningar kan använda partikelgivaren SPS30 från Sensirion för att övervaka luftkvaliteten inom- och utomhus. SPS-givaren mäter massakoncentrationer för PM1.0, PM2.5, PM4 och PM10 samt partikelantal för PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 och PM10. Den har en noggrannhet på ±10 % för massakoncentrationen, ett massakoncentrationsområde på 0 till 1000 μg/m³ och en livslängd på över tio år. SPS30 har ett I²C-gränssnitt för korta anslutningar och ett UART7-gränssnitt för kablar som är längre än 20 cm.

Ett automatiskt fläktrengöringsläge kan utlösas vid ett förinställt intervall för att garantera konsekventa mätningar. Vid rengöring av fläkten accelererar fläkten till högsta hastighet i 10 sekunder och blåser ut damm som samlats in. Funktionen för partikelmätning är avstängd vid rengöringen av fläkten. Rengöringsintervallet är som standard veckovis, men andra intervall kan ställas in för att uppfylla specifika krav.

Utvecklingssats och säker start

Utvärderingskortet SEK-SPS30 för luftkvalitetsmätare kan användas för att ansluta SPS30 till en dator och börja utforska partikelgivarens kapacitet. DigiKey erbjuder dessutom en plattform för att kombinera luftkvalitetsgivare från Sensirion med MCU:erna PSoC 6 från Infineon för att utveckla nästa generations intelligenta system för övervakning av luftkvalitet. För smarta byggnadssystem där integritet är ett problem har PSoC 6 stöd för säker start och säkra uppdateringar av firmware (figur 4).

Figur 4: Utvecklingssatsen från Sensirion och Infineon kan implementera säker start och säkra uppdateringar av firmware. (Bildkälla: DigiKey)

Givare för batteripaket

Konstruktörer av EV- och BESS-batteripaket kan använda CANBSSGEN1 från Metis Engineering för att övervaka batterisäkerheten. Den är utformad för att upptäcka tidiga fel på grund av cellventilering. Den CAN-bussbaserade givaren har ett utbytbart luftfilter och är särskilt användbar i elbilar (figur 5). En accelerometer finns som tillval för att övervaka stötar på upp till 24 G och stötens varaktighet, vilket gör att systemet kan identifiera när batteripaketet har blivit utsatt för stötar som överstiger säkra nivåer. Den kan mäta:

• Absolut tryck från 0,2 till 5,5 Bar
• Lufttemperaturer från -30 °C till +120 °C
• Flyktiga organiska föreningar, motsvarande CO₂ (eCO₂), and H₂ i delar per miljard (ppb).
• Absolut fuktighet i milligram vattenånga per kubikmeter (mg/m³).
• Daggpunktstemperatur

Figur 5: Övervakningsgivaren för batterisäkerhet har ett utbytbart luftfilter (den vita cirkeln i mitten). (Bildkälla: Metis Engineering)

Utvecklingssats för CAN-givare

Utvecklingssats DEVKGEN1V1 gör det lättare att förkorta tiden för systemintegration när CAN-sensorer från Metis används. Givarna har en konfigurerbar CAN-busshastighet och adress tillsammans med en DBC CAN-databas som stödjer integrering i nästan alla fordon med en CAN-buss. Den grundläggande utvecklingssatsen kan utökas så att utvecklare kan lägga till fler givare i CAN-nätverket.

Givare för luftkvalitet inomhus

Konstruktörer av system för övervakning av luftkvaliteten inomhus och i fordon kan använda 110-801 från SPEC Sensors. 110-801 är en screentryckt amperometrisk gasgivare som kan känna av en stor mängd gaser som förknippas med dålig luftkvalitet, inklusive alkoholer, ammoniak, kolmonoxid, olika illaluktande gaser och sulfider. Gensvaret hos dessa givare är linjärt proportionell mot den volymetriska bråkdelen gas som mäts, vilket förenklar systemintegrationen (figur 6). Andra egenskaper hos denna givare med måtten 20 x 20 x 3 mm är bland annat:

• Känslighet i delar per miljon (ppm)
• Givareffekt på mindre än tio μW
• Driftstemperaturområde -10 °C till +40 °C (0 °C till +40 °C kontinuerlig drift)
• Robust och stabil drift i närvaro av en stor mängd föroreningar.

Figur 6: Den här screentryckta amperometriska gasgivaren kan mäta närvaron av en mängd olika gaser. (Bildkälla: Spec Sensors)

Integrering av amperometriska gasgivare

En potentiostatkrets styr arbetselektrodens potential i en amperometrisk gassensor och omvandlar elektrodströmmen till en utspänning (figur 7). Spänningen på stift 2 på operationsförstärkaren U1 ställer in referenselektrodens spänning, och stift 6 på operationsförstärkaren U2 ställer in arbetselektrodens potential. Operationsförstärkare U2 omvandlar även strömmen från givaren till en spänningssignal. Samtidigt levererar operationsförstärkaren U1 ström till den motkopplade elektroden som motsvarar arbetselektrodens ström.

Figur 7: En förenklad potentiostatkrets som används för att implementera gasdetektering med hjälp av en amperometrisk sensor. (Bildkälla: Spec Sensors)

Sammanfattning

Som framgår har konstruktörer en rad olika givartekniker för luftkvalitet att välja mellan när de utformar system för miljöövervakning. OPC:er kan användas för att övervaka potentiellt farliga partikelnivåer inom- och utomhus. CAN-baserade system med flera givare kan övervaka första stegets ventilering i batteripaket för elfordon och BESS-batterier och bidra till att förhindra termisk instabilitet och eventuella bränder eller explosioner. Strömsnåla screentryckta amperometriska gasgivare kan användas för att upptäcka ett stort antal gaser som orsakar dålig luftkvalitet.