Hoe slimme luchtkwaliteitssensoren te gebruiken voor milieubewaking

Milieubewaking met behulp van slimme luchtkwaliteitssensoren breidt zich uit over verschillende toepassingen, van slimme huizen, gebouwen en steden tot conventionele en elektrische voertuigen (EV's) en energieopslagsystemen op batterijen (BESS). In slimme huizen, gebouwen en steden kunnen luchtkwaliteitssensoren helpen de gezondheid en veiligheid te waarborgen door deeltjes en gassen in de lucht te bewaken die verband houden met een slechte luchtkwaliteit, en door rookdetectie voor vroegtijdige brandwaarschuwing. In de passagiersruimte van voertuigen kunnen deze sensoren vluchtige organische stoffen (VOC's) en hoge CO₂-niveaus opsporen die de gezondheid kunnen schaden. In EV's en BESS kunnen zij worden gebruikt om na de eerste ontluchtingsfase van een cel een drukverhoging en hoge waterstofniveaus in een batterijbehuizing te detecteren, zodat het batterijbeheersysteem (BMS) kan reageren en een tweede ontluchting of thermische runaway van het hele batterijsysteem kan voorkomen.

De sensoren die in deze toepassingen worden gebruikt, moeten compact en energiezuinig zijn en veilige opstart- en firmware-updates ondersteunen. Zij moeten vaak meerdere sensoren omvatten, die een breed spectrum van luchtkwaliteitsbewaking bestrijken. Het integreren van deze reeks functies in een compacte en energiezuinige eenheid kan een ontmoedigend proces zijn, dat vatbaar is voor herstarts, wat resulteert in een dure oplossing en een vertraging van de marktintroductie.

Om de time-to-market te versnellen en de kosten onder controle te houden, kunnen ontwerpers zich wenden tot sensormodules die in de fabriek zijn gekalibreerd, veilig opstarten en firmware-updates ondersteunen, en connectiviteitsopties bieden, waaronder het verzenden van gegevens naar de cloud of het gebruik van een CAN- of andere bus voor lokale verbindingen.

Dit artikel begint met een vergelijking van optische deeltjestellers, zeefdruk elektrochemische en multiparametersensortechnologieën. Het presenteert luchtkwaliteitssensoroplossingen en ontwikkelingsplatforms van Sensirion, Metis Engineering en Spec Sensors, samen met begeleidende apparaten van Infineon Technologies, en bevat suggesties om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Sensoren voor zwevende deeltjes (PM) leveren tellingen voor specifieke deeltjesgrootten zoals PM2,5 en PM10, die overeenkomen met deeltjes met een diameter van respectievelijk 2,5 micron en 10 micron, alsmede andere deeltjesgrootten naar gelang van de specifieke toepassing. Optische deeltjestellers (OPC's) zijn een specifieke PM-technologie waarbij de te meten lucht door een meetcel wordt geleid die een laser en een fotodetector bevat (Afbeelding 1). Deeltjes in de lucht verstrooien het licht van de laser, en de detector meet het verstrooide licht. De meting wordt omgezet in massaconcentratie in microgram per kubieke meter (μg/m³) en telt het aantal deeltjes per kubieke centimeter (cm³). Deeltjes tellen met een OPC is eenvoudig, maar die informatie omzetten in een massaconcentratiegetal is ingewikkelder. De voor de conversie gebruikte software moet rekening houden met de optische parameters van de deeltjes, zoals vorm en brekingsindex. Bijgevolg kunnen OPC's een grotere onnauwkeurigheid vertonen dan andere PM-detectiemethoden zoals directe, op gewicht gebaseerde, gravimetrische technologieën.

Afbeelding 1: Een OPC gebruikt een laser en een fotodiode om deeltjes in de lucht te tellen. (Bron afbeelding: Sensirion)

Niet alle OPC's zijn hetzelfde. Zeer nauwkeurige en dure OPC's van laboratoriumkwaliteit kunnen elk deeltje in de meetcel tellen. Er zijn goedkopere commerciële OPC's beschikbaar die slechts ongeveer 5% van de aerosoldeeltjes bemonsteren en softwaregebaseerde schattingstechnieken gebruiken om tot een algemene 'meting' te komen. Met name de dichtheid van grote deeltjes zoals PM10 is doorgaans zeer laag en kan niet rechtstreeks worden gemeten door goedkope OPC's.

Naarmate de deeltjesgrootte toeneemt, daalt het aantal deeltjes in een gegeven deeltjesmassa dramatisch. Vergeleken met een aerosol met PM1,0-deeltjes bevat een aerosol met PM8-deeltjes ongeveer 500 keer minder deeltjes voor een bepaalde massa. Om grotere deeltjes met dezelfde nauwkeurigheid te meten als kleine deeltjes, moet een goedkope OPC gegevens over meerdere uren integreren om tot een schatting te komen. Gelukkig hebben aërosolen een vrij consistente verdeling van kleine en grote deeltjes in echte omgevingen. Met goed ontworpen algoritmen is het mogelijk het aantal grotere deeltjes, zoals PM4.0 en PM10, nauwkeurig te schatten aan de hand van metingen van PM0.5-, PM1.0- en PM2.5-deeltjes.

Amperometrische gassensoren

In plaats van het aantal deeltjes te meten, meten amperometrische sensoren gasconcentraties. Het zijn elektrochemische apparaten die een stroom produceren die lineair evenredig is met de volumefractie van het te meten gas. Een basis amperometrische sensor bestaat uit twee elektroden en een elektrolyt. De gasconcentratie wordt gemeten aan de sensorelektrode, die bestaat uit een katalytisch metaal dat de reactie van het te meten gas optimaliseert. Het gas reageert met de sensorelektrode nadat het via een capillaire diffusiebarrière de sensor is binnengedrongen. De tegenelektrode werkt als een halve cel en maakt de kringloop compleet (Afbeelding 2). Een extern circuit meet de stroomsterkte en bepaalt de gasconcentratie. In sommige ontwerpen wordt een derde "referentie-elektrode" opgenomen om de stabiliteit, de signaal-ruisverhouding en de reactietijd van de amperometrische basissensor te verbeteren.

Afbeelding 2: Amperometrische sensoren gebruiken twee elektroden, gescheiden door een elektrolyt, om de concentraties van gassen te meten. (Bron afbeelding: Spec Sensor)

Multiparametersensor voor batterijpakken

Het bewaken van de luchtkwaliteit is nog maar het begin voor sensoren die ontworpen zijn om batterijpakketten in EV's en BESS-installaties te beschermen. Deze sensoren controleren druk, luchttemperatuur, vochtigheid, dauwpunt en absoluut watergehalte, naast vluchtige organische stoffen (VOC's) zoals methaan (CH₄), ethyleen (C₂H₄), waterstof (H₂), koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO₂). Tijdens de eerste fase van het ontluchten van de batterij heeft het gasvormige product van een gewone lithium-ion batterij met een nikkel-mangaan- en kobaltkathode een bekende chemische samenstelling (Afbeelding 3). De waterstofconcentratie is kritisch; als deze 4% nadert, de onderste explosiegrens van waterstof, is er kans op een explosie of brand. Er moeten maatregelen worden genomen om te voorkomen dat de cel op hol slaat. De druksensor kan kleine drukstijgingen in een batterijpakket detecteren, veroorzaakt door ontluchting. Vals positieven kunnen worden vermeden door elke drukverhoging te vergelijken met de andere sensormetingen.

Afbeelding 3: Een specifiek gasmengsel is kenmerkend voor de eerste fase van de batterijontluchting (Bron afbeelding: Metis Engineering)

Deze multi-parametersensor controleert ook op een te koele bedrijfstoestand. Grote batterijpakketten in EV's en BESS's bevatten vaak actieve koeling om te voorkomen dat de pakketten oververhit raken wanneer ze worden opgeladen of ontladen. Als ze te veel worden gekoeld, kan de interne temperatuur onder het dauwpunt zakken, wat leidt tot condensatie in het pak, waardoor de cellen kortgesloten kunnen worden en een thermische runaway kan ontstaan. De dauwpuntsensor waarschuwt het GBS voordat zich condensatie op de accupolen kan verzamelen.

Laser AQ-sensor

Ontwerpers van verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC), luchtreinigers en soortgelijke toepassingen kunnen de SPS30 PM-sensor van Sensirion gebruiken om de luchtkwaliteit binnen of buiten te controleren. SPS-sensoren meten massaconcentraties van PM1,0, PM2,5, PM4 en PM10, alsook PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM4 en PM10 deeltjesaantallen. Hij heeft een massaconcentratieprecisie van ±10%, een massaconcentratiebereik van 0 tot 1000 μg/m³ en een levensduur van meer dan tien jaar. De SPS30 bevat een I²C-interface voor korte verbindingen en een UART7 voor kabels langer dan 20 centimeter (cm).

Een automatische reinigingsmodus voor de ventilator kan op een vooraf ingesteld interval worden geactiveerd om consistente metingen te garanderen. Ventilatorreiniging versnelt de ventilator gedurende 10 seconden tot maximale snelheid en blaast opgehoopt stof uit. De PM-meetfunctie is offline tijdens het reinigen van de ventilator. Het standaard reinigingsinterval is wekelijks, maar er kunnen andere intervallen worden ingesteld om aan specifieke toepassingseisen te voldoen.

Dev kits en veilig opstarten

Het SEK-SPS30 evaluatiebord voor de luchtkwaliteitsmonitor kan worden gebruikt om de SPS30 op een pc aan te sluiten om de mogelijkheden van deze PM-sensor te verkennen. Daarnaast biedt DigiKey een platform om Sensirion's luchtkwaliteitssensoren te combineren met Infineon's PSoC 6 MCU's voor de ontwikkeling van de volgende generatie intelligente luchtkwaliteitsbewakingssystemen. Voor slimme bouwsystemen waar privacy een zorg is, ondersteunt PSoC 6 secure boot en secure firmware-updates (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Deze dev kit van Sensirion en Infineon kan veilig opstarten en beveiligde firmware-updates implementeren. (Bron afbeelding: DigiKey)

Batterijsensor

Ontwerpers van EV- en BESS-batterijpakketten kunnen de CANBSSGEN1 van Metis Engineering gebruiken voor batterijveiligheidsbewaking. Het is ontworpen om vroegtijdige storingen door celontluchting op te sporen. Deze op de CAN-bus gebaseerde sensor bevat een vervangbaar luchtfilter en is bijzonder nuttig in EV's (Afbeelding 5). Een optionele versnellingsmeter kan schokken tot 24 G en de duur van de impact controleren, zodat het systeem kan vaststellen wanneer de batterij is blootgesteld aan schokken boven een veilig niveau. Het kan meten:

• 0,2 tot 5,5 bar absolute druk
• -30 °C tot +120 °C luchttemperaturen
• VOS, equivalent CO₂ (eCO₂) en H₂ in delen per miljard (ppb)
• Absolute vochtigheid in milligram waterdamp per kubieke meter (mg/m³)
• Dauwpunt temperatuur

Afbeelding 5: Deze batterijveiligheidsmonitorsensor bevat een vervangbaar luchtfilter (middelste witte cirkel). (Bron afbeelding: Metis Engineering)

CAN-sensor dev kit

De DEVKGEN1V1 ontwikkelingskit helpt de systeemintegratietijd te verkorten bij het gebruik van Metis CAN-sensoren. De sensoren omvatten een configureerbare CAN-bus snelheid en adres samen met een DBC CAN-database die integratie in bijna elk voertuig met een CAN-bus ondersteunt. De basis dev kit kan worden uitgebreid, zodat ontwikkelaars meer sensoren aan het CAN-netwerk kunnen toevoegen.

Sensor voor luchtkwaliteit binnenshuis

Ontwerpers van controlesystemen voor de luchtkwaliteit binnenshuis en in voertuigen kunnen de 110-801 van SPEC Sensors gebruiken. De 110-801 is een gezeefdrukte amperometrische gassensor die een breed scala aan gassen kan detecteren die geassocieerd worden met slechte luchtkwaliteit, waaronder alcoholen, ammoniak, koolmonoxide, verschillende geurgassen en sulfiden. De respons van deze sensoren is lineair evenredig met de volumefractie van het te meten gas, hetgeen de systeemintegratie vereenvoudigt (Afbeelding 6). Andere kenmerken van deze sensor van 20 x 20 x 3 mm zijn:

• Delen per miljoen (ppm) gevoeligheid
• Minder dan tien microwatt (μW) sensorvermogen
• -10 °C tot +40 °C bedrijfstemperatuurbereik (0 °C tot +40 °C continue werking)
• Robuuste en stabiele werking in aanwezigheid van een breed scala aan verontreinigingen

Afbeelding 6: Deze gezeefdrukte amperometrische gassensor kan de aanwezigheid van verschillende gassen meten. (Bron afbeelding: Spec Sensors)

Amperometrische gassensor integratie

Een potentiostaatschakeling regelt het potentiaal van de werkelektrode in een amperometrische gassensor en zet de elektrodestroom om in een uitgangsspanning (Afbeelding 7). De spanning op pen 2 van de operationele versterker (op amp) U1 bepaalt de spanning van de referentie-elektrode, en de spanning van de werkelektrode wordt ingesteld door pen 6 van op amp U2. Op amp U2 zet ook de stroomuitgang van de sensor om in een spanningssignaal. Tegelijkertijd levert opamp U1 stroom aan de tegenelektrode die gelijk is aan de stroom van de werkelektrode.

Afbeelding 7: Vereenvoudigde potentiostaatschakeling voor gasdetectie met behulp van een amperometrische sensor. (Bron afbeelding: Spec Sensors)

Samenvatting

Zoals blijkt, kunnen ontwerpers bij het ontwerpen van milieubewakingssystemen kiezen uit een reeks sensortechnologieën voor de luchtkwaliteit. OPC's kunnen worden gebruikt om binnen en buiten potentieel gevaarlijke deeltjesniveaus op te sporen. Op CAN gebaseerde multisensorsystemen kunnen toezicht houden op de ontluchting van de eerste fase in EV- en BESS-batterijpakken en thermische runaway en mogelijke branden of explosies helpen voorkomen. Amperometrische gassensoren met laag vermogen en zeefdruk kunnen worden gebruikt om een groot aantal gassen te detecteren die een slechte luchtkwaliteit veroorzaken.