Utiliser des capteurs de qualité de l'air intelligents pour la surveillance environnementale

La surveillance environnementale à l'aide de capteurs de qualité de l'air intelligents se développe dans de nombreuses applications, qu'il s'agisse de maisons, bâtiments et villes intelligents, de véhicules conventionnels et électriques (VE) ou de systèmes de stockage d'énergie sur batteries (BESS). Dans les maisons, les bâtiments et les villes intelligents, les capteurs de qualité de l'air peuvent contribuer à garantir la santé et la sécurité en surveillant les particules et les gaz en suspension dans l'air associés à une mauvaise qualité de l'air et en détectant la fumée pour une alerte rapide des incendies. Dans les habitacles des véhicules, ces capteurs peuvent identifier les composés organiques volatils (COV) et les concentrations élevées de CO₂ pouvant poser des problèmes de santé. Dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie sur batteries, ils peuvent être utilisés pour détecter une augmentation de la pression et des niveaux élevés d'hydrogène dans un boîtier de batterie après la première phase de ventilation d'une cellule, ce qui permet au système de gestion de batterie (BMS) de réagir et d'empêcher un deuxième événement de ventilation ou l'emballement thermique de l'ensemble du système de batterie.

Les capteurs utilisés dans ces applications doivent être compacts, basse consommation et capables de prendre en charge le démarrage sécurisé et les mises à jour micrologicielles sécurisées. Ils doivent souvent inclure plusieurs capteurs, couvrant un large spectre de surveillance de la qualité de l'air. L'intégration d'un tel ensemble de fonctionnalités dans une unité compacte et basse consommation peut être un processus ardu, impliquant de fréquents redémarrages, ce qui entraîne une solution coûteuse et retarde la mise sur le marché.

Pour accélérer la commercialisation et maîtriser les coûts, les concepteurs peuvent se tourner vers des modules de capteurs étalonnés en usine, prenant en charge le démarrage et les mises à jour micrologicielles sécurisés, et offrant des options de connectivité, notamment l'envoi de données vers le cloud ou l'utilisation d'un bus CAN ou autre pour les connexions locales.

Cet article compare les technologies des compteurs optiques de particules, des capteurs électrochimiques sérigraphiés et des capteurs multi-paramètres. Il présente des solutions de capteurs de qualité de l'air et des plateformes de développement de Sensirion, Metis Engineering et Spec Sensors, ainsi que des dispositifs complémentaires d'Infineon Technologies, et inclut des suggestions pour accélérer le processus de développement.

Les capteurs de particules (PM) fournissent des comptages pour des tailles de particules spécifiques telles que PM2.5 et PM10, qui correspondent à des particules ayant un diamètre de 2,5 microns et 10 microns, respectivement, ainsi que d'autres tailles de particules selon les besoins de l'application spécifique. Les compteurs optiques de particules (OPC) offrent une technologie spécifique aux particules, dans laquelle l'air à mesurer traverse une cellule de mesure équipée d'un laser et d'un photodétecteur (Figure 1). Les particules présentes dans l'air diffusent la lumière du laser, et le détecteur mesure la lumière diffusée. La mesure est convertie en concentration massique en microgrammes par mètre cube (μg/m³) et compte le nombre de particules par centimètre cube (cm³). Compter les particules à l'aide d'un OPC est simple, mais convertir cette information en valeur de concentration massique est plus complexe. Le logiciel utilisé pour la conversion doit tenir compte des paramètres optiques des particules, tels que leur forme et leur indice de réfraction. Par conséquent, les OPC peuvent souffrir d'une plus grande imprécision par rapport à d'autres méthodes de détection des particules telles que les technologies gravimétriques, directes, basées sur le poids.

Figure 1 : Un capteur OPC utilise un laser et une photodiode pour compter les particules en suspension dans l'air. (Source de l'image : Sensirion)

Tous les OPC ne sont pas identiques. Les OPC de grade laboratoire, très chers et haute précision, peuvent compter chaque particule dans la cellule de mesure. Il existe des OPC de grade commercial moins coûteux qui n'échantillonnent qu'environ 5 % des particules d'aérosol et utilisent des techniques d'estimation logicielles pour obtenir une mesure globale. La densité des grandes particules telles que PM10 est typiquement très faible, et elles ne peuvent pas être mesurées directement par des OPC à faible coût.

À mesure que la taille des particules augmente, le nombre de particules dans une masse de particules donnée diminue considérablement. Par rapport à un aérosol de particules PM1.0, un aérosol de particules PM8 contient environ 500 fois moins de particules pour une masse donnée. Pour mesurer des particules plus grandes avec la même précision que pour les petites particules, un OPC à faible coût doit intégrer des données sur plusieurs heures pour arriver à une estimation. Heureusement, les aérosols présentent des distributions assez uniformes de petites et grandes particules dans les environnements réels. Avec des algorithmes correctement conçus, il est possible d'estimer avec précision le nombre de particules plus grandes, telles que PM4.0 et PM10, à partir des mesures de particules PM0.5, PM1.0 et PM2.5.

Capteurs de gaz ampérométriques

Au lieu de mesurer le nombre de particules, les capteurs ampérométriques mesurent les concentrations de gaz. Il s'agit de dispositifs électrochimiques qui produisent un courant linéairement proportionnel à la fraction volumétrique du gaz à mesurer. Un capteur ampérométrique de base se compose de deux électrodes et d'un électrolyte. La concentration du gaz est mesurée au niveau de l'électrode de détection, qui est constituée d'un métal catalytique qui optimise la réaction du gaz à mesurer. Le gaz réagit avec l'électrode de détection après avoir pénétré dans le capteur par une barrière de diffusion capillaire. La contre-électrode agit comme une demi-cellule et complète le circuit (Figure 2). Un circuit externe mesure le flux de courant et détermine la concentration de gaz. Dans certains modèles, une troisième électrode « de référence » est incluse pour améliorer la stabilité et le rapport signal/bruit, et accélérer le temps de réponse du capteur ampérométrique de base.

Figure 2 : Les capteurs ampérométriques utilisent deux électrodes séparées par un électrolyte pour mesurer les concentrations de gaz. (Source de l'image : Spec Sensors)

Capteurs multi-paramètres pour blocs-batteries

La surveillance de la qualité de l'air n'est qu'un début pour les capteurs destinés à protéger les blocs-batteries des véhicules électriques et des installations de systèmes de stockage d'énergie sur batteries. Ces capteurs surveillent la pression, la température de l'air, l'humidité, le point de rosée et la teneur en eau absolue, ainsi que les composés organiques volatils (COV) tels que le méthane (CH₄), l'éthylène (C₂H₄), l'hydrogène (H₂), le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO₂). Au cours de la première phase de ventilation de la batterie, le produit gazeux d'une batterie lithium-ion classique avec une cathode en nickel manganèse et cobalt a une composition chimique connue (Figure 3). La concentration d'hydrogène est critique ; si elle approche les 4 %, la limite inférieure d'explosivité de l'hydrogène, il y a un risque d'explosion ou d'incendie. Des mesures doivent être prises pour éviter un emballement thermique de la cellule. Le capteur de pression peut détecter de petites augmentations de pression à l'intérieur d'un bloc-batterie, causées par la ventilation. Les faux positifs peuvent être évités en recoupant toute augmentation de pression avec les autres mesures du capteur.

Figure 3 : Un mélange spécifique de gaz est caractéristique de la première phase de ventilation de la batterie. (Source de l'image : Metis Engineering)

Ce capteur multi-paramètre surveille également les conditions de fonctionnement trop froides. Les grands blocs-batteries des véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie sur batteries incluent souvent un système de refroidissement actif pour éviter la surchauffe des blocs lors de la charge ou de la décharge. S'ils sont trop refroidis, la température interne peut descendre en dessous du point de rosée, entraînant une condensation à l'intérieur du bloc, ce qui risque de court-circuiter les cellules et de provoquer un emballement thermique. Le capteur de point de rosée alerte le BMS avant que la condensation ne s'accumule sur les bornes de la batterie.

Capteur laser AQ

Les concepteurs de systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC), de purificateurs d'air et d'applications similaires peuvent utiliser le capteur de particules SPS30 de Sensirion pour surveiller la qualité de l'air en intérieur ou en extérieur. Les capteurs SPS mesurent les concentrations massiques de PM1.0, PM2.5, PM4 et PM10, ainsi que le nombre de particules PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 et PM10. Ils offrent une précision de concentration massique de ±10 %, une plage de concentration massique de 0 à 1000 μg/m³, et une durée de vie opérationnelle de plus de dix ans. Le SPS30 est doté d'une interface I²C pour les connexions courtes et d'une interface UART7 pour les câbles de plus de 20 centimètres (cm).

Un mode de nettoyage automatique du ventilateur peut être déclenché à un intervalle prédéfini afin de garantir la cohérence des mesures. Le nettoyage du ventilateur accélère le ventilateur à la vitesse maximum pendant 10 secondes et expulse la poussière accumulée. La fonction de mesure des particules est hors ligne pendant le nettoyage du ventilateur. L'intervalle de nettoyage par défaut est hebdomadaire, mais d'autres intervalles peuvent être définis pour répondre aux exigences d'applications spécifiques.

Kits de développement et démarrage sécurisé

La carte d'évaluation de capteur de surveillance de la qualité de l'air SEK-SPS30 peut être utilisée pour connecter le SPS30 à un PC afin de commencer à explorer les capacités de ce capteur de particules. De plus, DigiKey propose une plateforme permettant de combiner les capteurs de qualité de l'air de Sensirion avec les microcontrôleurs PSoC 6 d'Infineon pour développer des systèmes de surveillance de la qualité de l'air intelligents nouvelle génération. Pour les systèmes de bâtiments intelligents où la confidentialité est une préoccupation, le PSoC 6 prend en charge le démarrage sécurisé et les mises à jour micrologicielles sécurisées (Figure 4).

Figure 4 : Ce kit de développement de Sensirion et Infineon peut mettre en œuvre un démarrage sécurisé et des mises à jour micrologicielles sécurisées. (Source de l'image : DigiKey)

Capteur de bloc-batterie

Les concepteurs de batteries pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie sur batteries peuvent utiliser le CANBSSGEN1 de Metis Engineering pour surveiller la sécurité des batteries. Il est conçu pour détecter les défaillances précoces dues à la ventilation des cellules. Ce capteur basé sur un bus CAN comprend un filtre à air remplaçable et est particulièrement utile dans les véhicules électriques (Figure 5). Un accéléromètre optionnel peut surveiller les chocs jusqu'à 24G et la durée de l'impact, ce qui permet au système de détecter si le bloc-batterie a été exposé à des chocs dépassant les limites de sécurité. Il peut mesurer les éléments suivants :

• Pression absolue de 0,2 à 5,5 bars
• Température de l'air de -30°C à +120°C
• COV, équivalent CO₂ (eCO₂) et H₂ en parties par milliard (ppb)
• Humidité absolue en milligrammes de vapeur d'eau par mètre cube (mg/m³)
• Température du point de rosée

Figure 5 : Ce capteur de surveillance de sécurité de batterie inclut un filtre à air remplaçable (cercle blanc central). (Source de l'image : Metis Engineering)

Kit de développement de capteur CAN

Le kit de développement DEVKGEN1V1 permet de réduire le temps d'intégration système lors de l'utilisation de capteurs CAN de Metis. Les capteurs incluent une vitesse et une adresse de bus CAN configurables ainsi qu'une base de données DBC CAN qui permet l'intégration dans presque tous les véhicules dotés d'un bus CAN. Le kit de développement de base peut être étendu, ce qui permet aux développeurs d'ajouter d'autres capteurs au réseau CAN.

Détecteur de qualité de l'air intérieur

Les concepteurs de systèmes de surveillance de la qualité de l'air dans les habitacles et les véhicules peuvent utiliser le 110-801 de SPEC Sensors. Le 110-801 est un capteur de gaz ampérométrique sérigraphié qui peut détecter un large éventail de gaz associés à une mauvaise qualité de l'air, notamment les alcools, l'ammoniac, le monoxyde de carbone, divers gaz odorants et les sulfures. La réponse de ces capteurs est linéairement proportionnelle à la fraction volumétrique du gaz mesuré, ce qui simplifie l'intégration système (Figure 6). Les autres caractéristiques de ce capteur de 20 mm x 20 mm x 3 mm incluent :

• Sensibilité en parties par million (ppm)
• Puissance du capteur inférieure à 10 microwatts (μW)
• Plage de températures de fonctionnement de -10°C à +40°C (de 0°C à +40°C en continu)
• Fonctionnement robuste et stable en présence d'une grande variété de contaminants

Figure 6 : Ce capteur de gaz ampérométrique sérigraphié peut mesurer la présence d'une variété de gaz. (Source de l'image : Spec Sensors)

Intégration d'un capteur de gaz ampérométrique

Un circuit de potentiostat contrôle le potentiel de l'électrode de travail dans un capteur de gaz ampérométrique et convertit le courant de l'électrode en une tension de sortie (Figure 7). La tension à la broche 2 de l'amplificateur opérationnel U1 définit la tension de l'électrode de référence, et le potentiel de l'électrode de travail est défini par la broche 6 de l'amplificateur opérationnel U2. L'amplificateur opérationnel U2 convertit également la sortie de courant du capteur en un signal de tension. En même temps, l'amplificateur opérationnel U1 fournit à la contre-électrode un courant égal à celui de l'électrode de travail.

Figure 7 : Circuit de potentiostat simplifié utilisé pour mettre en œuvre la détection de gaz à l'aide d'un capteur ampérométrique. (Source de l'image : Spec Sensors)

Résumé

Comme illustré, les concepteurs ont le choix entre plusieurs technologies de détection de la qualité de l'air lorsqu'ils conçoivent des systèmes de surveillance environnementale. Les OPC peuvent être utilisés pour surveiller les limites de particules potentiellement dangereuses en intérieur et en extérieur. Les systèmes multi-capteurs basés CAN peuvent surveiller la première phase de ventilation dans les batteries des véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie sur batteries, et aider à prévenir l'emballement thermique et les incendies ou explosions éventuels. Les capteurs de gaz ampérométriques sérigraphiés basse consommation peuvent être utilisés pour détecter un large éventail de gaz à l'origine de la mauvaise qualité de l'air.