Come utilizzare i sensori intelligenti di qualità dell'aria per il monitoraggio ambientale

Il monitoraggio ambientale mediante sensori intelligenti di qualità dell'aria si sta espandendo in varie applicazioni, da case, edifici e città intelligenti a veicoli convenzionali ed elettrici (EV) e sistemi di immagazzinaggio dell'energia a batteria (BESS). Nelle case, negli edifici e nelle città intelligenti, i sensori di qualità dell'aria possono contribuire a garantire la salute e la sicurezza monitorando le particelle e i gas presenti nell'aria associati a una cattiva qualità dell'aria, oltre a rilevare il fumo per avvisare tempestivamente in caso di incendio. Negli abitacoli dei veicoli, questi sensori sono in grado di identificare i composti organici volatili (COV) e gli alti livelli di CO₂ che possono essere nocivi per la salute. Nei veicoli elettrici e BESS, possono essere utilizzati per rilevare un aumento della pressione e livelli elevati di idrogeno in un alloggiamento della batteria dopo la prima fase di sfiato di una cella, consentendo al sistema di gestione della batteria (BMS) di reagire e di prevenire un secondo evento di sfiato o la fuga termica dell'intero sistema della batteria.

I sensori utilizzati in queste applicazioni devono essere compatti, a basso consumo e in grado di supportare l'avvio sicuro e gli aggiornamenti sicuri del firmware. Spesso devono includere più sensori, che coprono un ampio spettro di operazioni di monitoraggio della qualità dell'aria. L'integrazione di questa gamma di funzionalità in un'unità compatta e a basso consumo può essere un compito frustrante, che richiede numerosi riavvii, si traduce in una soluzione ad alto costo e ritarda il time-to-market.

Per accelerare il time-to-market e controllare i costi, i progettisti possono rivolgersi a moduli sensore calibrati in fabbrica, che supportano l'avvio sicuro e gli aggiornamenti del firmware e che offrono opzioni di connettività, tra cui l'invio dei dati al cloud o l'utilizzo di un bus CAN o di altro tipo per le connessioni locali.

Questo articolo si apre con un confronto tra i contatori ottici di particolato, le tecnologie dei sensori elettrochimici serigrafati e quelli multiparametrici. Presenta le soluzioni per i sensori di qualità dell'aria e le piattaforme di sviluppo di Sensirion, Metis Engineering e Spec Sensors, insieme ai dispositivi associati di Infineon Technologies e include suggerimenti per accelerare lo sviluppo.

I sensori di particolato (PM) forniscono conteggi per particelle di dimensioni specifiche, come PM2,5 e PM10, che corrispondono a particelle con diametri rispettivamente di 2,5 e 10 micron, nonché altre dimensioni di particelle secondo le esigenze dell'applicazione specifica. I contatori ottici di particelle (OPC) sono una tecnologia specifica per il PM che sposta l'aria da misurare attraverso una cella di misurazione contenente un laser e un fotorilevatore (Figura 1). Le particelle presenti nell'aria diffondono la luce del laser e il rilevatore misura la luce diffusa. La misurazione viene convertita in concentrazione di massa in microgrammi per metro cubo (μg/m³) e conta il numero di particelle per centimetro cubo (cm³). Il conteggio delle particelle con un OPC è semplice, ma la conversione di queste informazioni in un numero di concentrazione di massa è più complessa. Il software utilizzato per la conversione deve considerare i parametri ottici delle particelle, come la forma e l'indice di rifrazione. Di conseguenza, gli OPC possono soffrire di una maggiore imprecisione rispetto ad altri metodi di rilevamento del PM, come le tecnologie gravimetriche dirette e basate sul peso.

Figura 1: Un OPC utilizza un laser e un fotodiodo per contare le particelle sospese dall'aria. (Immagine per gentile concessione di Sensirion)

Non tutti gli OPC sono uguali. Altamente precisi e costosi, gli OPC da laboratorio possono contare ogni particella nella cella di misurazione. Sono disponibili OPC commerciali a basso costo che campionano solo circa il 5% delle particelle di aerosol e utilizzano tecniche di stima basate su software per ottenere una "misurazione" complessiva. In particolare, la densità di particelle di grandi dimensioni come il PM10 è tipicamente molto bassa e non può essere misurata direttamente da OPC a basso costo.

Con l'aumento delle dimensioni delle particelle, il numero di particelle in una data massa diminuisce drasticamente. Rispetto a un aerosol di particelle PM1,0, un aerosol di particelle PM8 presenta un numero di particelle circa 500 volte inferiore a parità di massa. Per misurare particelle più grandi con la stessa precisione di quelle piccole, un OPC a basso costo deve integrare i dati per diverse ore per arrivare a una stima. Fortunatamente, gli aerosol hanno distribuzioni abbastanza coerenti di particelle piccole e grandi negli ambienti reali. Con algoritmi adeguatamente progettati, è possibile stimare con precisione il numero di particelle più grandi, come le PM4,0 e le PM10, utilizzando le misurazioni delle particelle PM0,5, PM1,0 e PM2,5.

Sensori di gas amperometrici

Anziché misurare il numero di particelle, i sensori amperometrici misurano le concentrazioni di gas. Sono dispositivi elettrochimici che producono una corrente linearmente proporzionale alla frazione volumetrica del gas da misurare. Un sensore amperometrico di base è costituito da due elettrodi e da un elettrolita. La concentrazione del gas viene misurata sull'elettrodo di rilevamento, costituito da un metallo catalitico che ottimizza la reazione del gas da misurare. Il gas reagisce con l'elettrodo di rilevamento dopo essere entrato nel sensore attraverso una barriera di diffusione capillare. Il controelettrodo funge da semicella e completa il circuito (Figura 2). Un circuito esterno misura il flusso di corrente e determina la concentrazione di gas. In alcuni progetti, viene incluso un terzo elettrodo di riferimento per migliorare la stabilità, il rapporto segnale/rumore e accelerare il tempo di risposta del sensore amperometrico di base.

Figura 2: I sensori amperometrici utilizzano due elettrodi separati da un elettrolita per misurare le concentrazioni di gas. (Immagine per gentile concessione di Spec Sensor)

Sensore multiparametrico per gruppi batteria

Il monitoraggio della qualità dell'aria è solo l'inizio per i sensori progettati per proteggere i gruppi batteria nei veicoli elettrici e negli impianti BESS. Questi sensori monitorano la pressione, la temperatura dell'aria, l'umidità, il punto di rugiada e il contenuto assoluto di acqua, oltre ai composti organici volatili (COV) come metano (CH₄), etilene (C₂H₄), idrogeno (H₂), monossido di carbonio (CO) e biossido di carbonio (CO₂). Durante la prima fase dello sfiato della batteria, il prodotto gassoso di una comune batteria agli ioni di litio con catodo di nichel, manganese e cobalto ha una composizione chimica nota (Figura 3). La concentrazione di idrogeno è fondamentale; se si avvicina al 4%, il limite inferiore di esplosività dell'idrogeno, vi è la possibilità di un'esplosione o di un incendio. È necessario adottare misure per evitare che la cella vada in fuga termica. Il sensore di pressione è in grado di rilevare piccoli aumenti di pressione all'interno del gruppo batteria causati dallo sfiato. Si possono evitare i falsi positivi effettuando un controllo incrociato di qualsiasi aumento di pressione con le misurazioni degli altri sensori.

Figura 3: Una specifica miscela di gas è caratteristica della prima fase di sfiato della batteria (Immagine per gentile concessione di Metis Engineering)

Questo sensore multiparametrico monitora anche le condizioni di funzionamento troppo fredde. I grandi gruppi batteria dei veicoli elettrici e dei BESS spesso includono il raffreddamento attivo per evitare il surriscaldamento dei gruppi durante la carica o la scarica. Se vengono raffreddate troppo, la temperatura interna può scendere al di sotto del punto di rugiada, con conseguente formazione di condensa all'interno, che potrebbe mandare in cortocircuito le celle e provocare una fuga termica. Il sensore del punto di rugiada avverte il BMS prima che la condensa si accumuli sui terminali della batteria.

Sensore laser AQ

I progettisti di sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC), depuratori d'aria e applicazioni simili possono utilizzare il sensore di PM SPS30 di Sensirion per monitorare la qualità dell'aria negli interni o all'esterno. I sensori SPS misurano le concentrazioni di massa di PM1,0, PM2,5, PM4 e PM10, nonché il conteggio delle particelle PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM4 e PM10. Ha una precisione di concentrazione di massa di ±10%, un intervallo di concentrazione di massa da 0 a 1000 μg/m³ e una vita operativa di oltre dieci anni. SPS30 include un'interfaccia I²C per i collegamenti brevi e una UART7 per i cavi di lunghezza superiore a 20 cm.

La modalità di pulizia automatica della ventola può essere attivata a un intervallo prestabilito per garantire misurazioni costanti. Per la pulizia, la ventola accelera alla velocità massima per 10 secondi e asporta la polvere accumulata. La funzione di misurazione del PM è offline durante la pulizia. L'intervallo di pulizia predefinito è settimanale, ma è possibile impostare altri intervalli per soddisfare i requisiti specifici dell'applicazione.

Kit di sviluppo e avvio sicuro

La scheda di valutazione del sensore di monitoraggio della qualità dell'aria SEK-SPS30 può essere utilizzata per collegare SPS30 a un PC e iniziare a esplorare le capacità di questo sensore di PM. Inoltre, DigiKey offre una piattaforma per combinare i sensori di qualità dell'aria di Sensirion con MCU PSoC 6 di Infineon per sviluppare sistemi intelligenti di monitoraggio della qualità dell'aria di prossima generazione. Per i sistemi destinati agli edifici intelligenti in cui la privacy è un problema, PSoC 6 supporta l'avvio sicuro e gli aggiornamenti sicuri del firmware (Figura 4).

Figura 4: Questo kit di sviluppo di Sensirion e Infineon può implementare l'avvio sicuro e gli aggiornamenti sicuri del firmware. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Sensore del gruppo batteria

I progettisti di batterie EV e BESS possono utilizzare CANBSSGEN1 di Metis Engineering per il monitoraggio della sicurezza delle batterie. È progettato per rilevare i guasti precoci dovuti allo sfiato delle celle. Questo sensore basato su bus CAN include un filtro dell'aria sostituibile ed è particolarmente utile nei veicoli elettrici (Figura 5). Un accelerometro opzionale può monitorare gli urti fino a 24 G e la durata dell'impatto, consentendo al sistema di identificare quando il gruppo batteria è stato esposto a urti superiori ai livelli di sicurezza. Può misurare:

• Pressione assoluta da 0,2 a 5,5 bar
• Temperature dell'aria da -30 a +120 °C
• COV, CO₂ equivalente (eCO₂) e H₂ in parti per miliardo (ppb)
• Umidità assoluta in milligrammi di vapore acqueo per metro cubo (mg/m³)
• Temperatura del punto di rugiada

Figura 5: Questo sensore di monitoraggio della sicurezza della batteria include un filtro dell'aria sostituibile (cerchio bianco centrale). (Immagine per gentile concessione di Metis Engineering)

Kit di sviluppo del sensore CAN

Il kit di sviluppo DEVKGEN1V1 aiuta a ridurre i tempi di integrazione del sistema quando si utilizzano i sensori CAN di Metis. I sensori includono velocità e indirizzo del bus CAN configurabili e un database DBC CAN che supporta l'integrazione in quasi tutti i veicoli dotati di bus CAN. Il kit di sviluppo di base può essere ampliato con l'aggiunta di altri sensori alla rete CAN.

Sensore della qualità dell'aria interna

I progettisti di sistemi di monitoraggio della qualità dell'aria interna delle cabine di guida e dei veicoli possono utilizzare 110-801 di SPEC Sensors. 110-801 è un sensore amperometrico serigrafato in grado di rilevare vari gas associati alla cattiva qualità dell'aria, tra cui alcoli, ammoniaca, monossido di carbonio, vari gas odorosi e solfuri. La risposta di questi sensori è linearmente proporzionale alla frazione volumetrica del gas misurato, il che semplifica l'integrazione di sistema (Figura 6). Le altre caratteristiche di questo sensore da 20 x 20 x 3 mm includono:

• Sensibilità di parti per milione (ppm)
• Potenza del sensore inferiore a dieci microwatt (μW)
• Intervallo della temperatura di funzionamento da -10 a +40 °C (funzionamento continuo da 0 a +40 °C)
• Funzionamento robusto e stabile in presenza di un'ampia gamma di contaminanti

Figura 6: Questo sensore di gas amperometrico serigrafato può misurare la presenza di diversi gas. (Immagine per gentile concessione di Spec Sensors)

Integrazione del sensore di gas amperometrico

Un circuito potenziostatico controlla il potenziale dell'elettrodo di lavorazione in un sensore di gas amperometrico e converte la corrente dell'elettrodo in una tensione di uscita (Figura 7). La tensione al pin 2 dell'amplificatore operazionale U1 imposta la tensione dell'elettrodo di riferimento, mentre il potenziale dell'elettrodo di lavorazione è impostato dal pin 6 dell'amplificatore operazionale U2. L'amplificatore operazionale U2 converte anche la corrente in uscita dal sensore in un segnale di tensione. Allo stesso tempo, l'amplificatore operazionale U1 fornisce al controelettrodo una corrente pari alla corrente dell'elettrodo di lavorazione.

Figura 7: Circuito potenziostatico semplificato utilizzato per implementare il rilevamento di gas mediante un sensore amperometrico. (Immagine per gentile concessione di Spec Sensors)

Riepilogo

Come si è evidenziato, i progettisti hanno a disposizione una serie di tecnologie di sensori per la qualità dell'aria tra cui scegliere per progettare sistemi di monitoraggio ambientale. Gli OPC possono essere utilizzati per monitorare i livelli di particolato potenzialmente pericolosi in ambienti interni ed esterni. I sistemi multisensoriali basati su CAN possono monitorare lo sfiato del primo stadio nei gruppi batteria EV e BESS e contribuire a prevenire la fuga termica e possibili incendi o esplosioni. I sensori di gas amperometrici a bassa potenza e serigrafati possono essere utilizzati per rilevare vari gas che causano una cattiva qualità dell'aria.