Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla

ghost666 02 Paź 2020 11:38 555 2
  • Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla
    Rys.1.Porównanie sensora NDIR (SCD30)
    oraz PAS (SCD40)
    Ponieważ wysokie poziomy CO2 zagrażają zdrowiu ludzi, czujniki dwutlenku węgla odgrywają istotną rolę w systemach monitorowaniu jakości powietrza w pomieszczeniach. Sensirion wprowadził właśnie do sprzedaży nowy, zminiaturyzowany czujnik CO2 oparty na czujnikach fotoakustycznych. Jest on oferowany w obudowie o wymiarach zaledwie 10 mm × 10 mm × 7 mm, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań w systemach Internetu Rzeczy (IoT), elektronice użytkowej, urządzeniach konsumenckich i systemach wentylacyjnych. Czujnik oznaczony jest SCD40. Może oprócz pomiaru zawartości dwutlenku węgla mierzyć temperaturę i wilgotność powietrza.

    Współczynnik CO2

    Wysokie stężenie CO2 w pomieszczeniach jest zazwyczaj wynikiem obecności człowieka. Nasz organizm oddycha tlenem i emituje CO2, który gromadzi się w pomieszczeniach, jeśli nie są one odpowiednio wentylowane.

    Dodatkowo, izolacja termiczna nowoczesnych budynków pośrednio również przyczynia się do wzrostu emisji dwutlenku węgla. Na przykład okna i drzwi, które zmniejszają zużycie i koszty ogrzewania lub chłodzenia, robią to kosztem zmniejszonej wymiany powietrza na zewnątrz. Konsekwencją jest zatem wzrost stężenia CO2, co prowadzi do ciągłej potrzeby wentylacji. Właśnie w takich przypadkach czujniki dwutlenku węgla są często używane do regulacji systemu wentylacji.

    Wysokie poziomy CO2 zagrażają zdrowiu człowieka, ale już niższe stężenia mają wpływ na jego produktywność. Połączenie czujnika CO2 z wymiennikami powietrza i inteligentnymi systemami wentylacji pozwala na regulację wentylacji w najbardziej energooszczędny i przyjazny dla człowieka sposób. Ponadto czujniki te odgrywają kluczową rolę w monitorowaniu jakości powietrza w pomieszczeniach i dlatego powinno się je integrować z oczyszczaczami powietrza i inteligentnymi termostatami oraz innymi produktami inteligentnego domu.

    Stężenia dwutlenku węgla powyżej 1000 części na milion (ppm) zmniejszają produktywność i może powodować senność u ludzi. Przy stężeniach CO2 wyższych niż 2000 ppm niektórzy ludzie zaczynają odczuwać bóle głowy. Weźmy pod uwagę, że w zamkniętym pomieszczeniu, takim jak zatłoczona klasa, obecność wielu osób i słaba wentylacja mogą doprowadzać do sytuacji, w której poziom dwutlenku węgla sięga nawet do 5000 ppm.

    W New York Times czytamy: „Im wyższy poziom dwutlenku węgla, tym gorzej wypadlły osoby badane; przy 2500 ppm ich wyniki były generalnie znacznie gorsze niż przy 1000 ppm”. Co więcej, „bez wyspecjalizowanego czujnika nie można realistycznie określić, ile dwutlenku węgla gromadzi się, gdy np. siadasz w małym pomieszczeniu na długie spotkanie”.

    Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla
    Rys.2. Wpływ CO2 na zdolność podejmowania
    decyzji przez człowieka.


    Wymienniki powietrza i inteligentne systemy wentylacyjne w sektorze komercyjnym i mieszkalnym wykorzystują czujniki CO2 do regulacji wentylacji w najbardziej energooszczędny i przyjazny dla człowieka sposób. Zintegrowany czujnik CO2 ma ogromny wpływ na jakość powietrza i oszczędność energii. Elektronika klimatyzacji korzysta z czujnika CO2 na monitorowanie jakości powietrza, a także podejmowanie decyzji bez polegania na naszych zmysłach (patrz rysunek 2).

    „Świadomość społeczna dotycząca poziomów CO2 w pomieszczeniach rośnie: jest coraz więcej inicjatyw ze strony sektora publicznego i prywatnego w celu monitorowania i przeciwdziałania wysokim stężeniom CO2” powiedział Marco Gysel, kierownik produktu ds. Czujników CO2 w Sensirion. „Większość inicjatyw koncentruje się na salach lekcyjnych, uniwersytetach i komercyjnych budynkach biurowych, ale rośnie zapotrzebowanie na wykrywanie CO2 również w mieszkaniach. Władze i firmy zaczynają zdawać sobie sprawę, że obniżona wydajność poznawcza studentów i pracowników wiąże się z wysokimi kosztami”.

    Nowy czujnik SCD40 i technologia fotoakustyczna

    Zminiaturyzowany czujnik CO2 SCD40 oferuje nowe podejście do projektowania produktów i tworzy podstawę dla szerokiego zakresu stosowania nowych sensorów. Doświadczenie firmy Sensirion pozwoliło jej udoskonalić najnowsze innowacje w technologii czujników CO2, oferując nowe urządzenie, które jest siedmiokrotnie mniejsze niż sensor poprzedniej generacji. Zasada detekcji fotoakustycznej zmniejsza rozmiar wnęki optycznej zastosowanej w SCD30 bez pogorszenia parametrów układu.

    Najnowocześniejsze czujniki CO2, takie jak SCD30 firmy Sensirion, są oparte na zasadzie niedyspersyjnej optycznej detekcji w podczerwieni (NDIR). Zastosowanie czujników NDIR jest jednak ograniczone w zakresie zastosowań ze względu na rozmiar i koszt tych sensorów.

    Czujniki typu NDIR to czujniki optyczne, które są często używane w analizie gazów. Głównymi komponentami są źródło podczerwieni z filtrem spektralnym, komórka gazowa na próbkę gazu i detektor podczerwieni (rysunki 3 i 4). Oświetlając wiązką podczerwieni kuwetę z próbką (zawierającą CO2) i mierząc ilość promieniowania podczerwonego pochłoniętego przez nią przy wymaganej długości fali, detektor NDIR może mierzyć objętościowe stężenie CO2 w próbce.

    Czułość czujnika opartego na zasadzie NDIR jest wprost proporcjonalna do długości ścieżki wiązki optycznej. Duże skrócenie tej osi prowadzi do spadku jej czułości i w konsekwencji ogranicza potencjał miniaturyzacji technologii. Ponadto czujniki optyczne oparte na zasadzie NDIR nie są zbyt ekonomiczne ze względu na ich duży rozmiar, konstrukcję i dużą liczbę dyskretnych komponentów potrzebnych do działania.

    „Jeśli chodzi o miniaturyzację, technologia NDIR wydaje się osiągać limit dla czujników CO2, ponieważ czułość czujnika jest wprost proporcjonalna do długości ścieżki wiązki optycznej, a tym samym do rozmiaru czujnika” powiedział Gysel. „Sensirion zawsze dąży do rozwoju czujników poprzez zmniejszanie ich rozmiarów i obniżanie ceny komponentów bez uszczerbku dla czułości. Jeśli chodzi o wykrywanie CO2, zidentyfikowaliśmy technologię fotoakustyczną jako najbardziej obiecujące podejście: oprócz zmniejszenia rozmiaru i kosztu czujników CO2, technologia ta pozwala na montaż SMD w celu zastąpienia żmudnego lutowania przewlekanego. Te trzy czynniki łącznie mogą otworzyć nowe rynki wykrywania dwutlenku węgla. Osobiście uważam, że technologia fotoakustyczna może zastąpić NDIR jako standardową technologię wykrywania CO2 w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat ”.

    Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla
    Rys.3. Sensor SCD30.


    Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla
    Rys.4. Zasada pomiaru NDIR


    Nowy SCD40 jest oparty na technologii fotoakustycznej PASens firmy Sensirion. Zasada detekcji fotoakustycznej umożliwia miniaturyzację czujnika bez pogorszenia czułości. Dzieje się tak, ponieważ czułość czujnika jest niezależna od rozmiaru wnęki optycznej. Wykorzystując również technologię Sensirion CMOSens do miniaturyzacji, możliwe było połączenie obu technologii i stworzenie nowego typu czujnika (rysunek 1).

    Zasada pomiaru fotoakustycznego jest stosunkowo prosta: modulowany wąskopasmowy sygnał świetlny o długości fali równej 4,26 µm, odpowiada pasmom absorpcji cząsteczek CO2 jest emitowany w małej zamkniętej przestrzeni. Cząsteczki CO2 w komórce pomiarowej pochłaniają część tego światła. Pochłonięta energia cząsteczek CO2 wzbudza głównie drgania molekularne, co powoduje wzrost energii kinetycznej, powodując okresową zmianę ciśnienia w celi pomiarowej, którą można zmierzyć mikrofonem MEMS.

    „Po absorpcji, energia fotonu jest najpierw przenoszona do cząsteczki CO2, a następnie do otaczających ją cząsteczek” tłumaczy Gysel. „Zaabsorbowana energia powoduje mikroskopijny wzrost ciśnienia. Ponieważ w komórce optycznej zachodzą miliony zdarzeń absorpcyjnych, wzrost ciśnienia staje się zjawiskiem makroskopowym. Modulując nadajnik podczerwieni wywołujemy wzrost i spadek ciśnienia z dobrze zdefiniowaną częstotliwością - która jest niczym innym jak akustyczną falą dźwiękową. Podczas gdy częstotliwość dźwięku jest określona przez częstotliwość modulacji emitera podczerwieni, amplituda dźwięku jest proporcjonalna do stężenia CO2”. Sygnał akustyczny jest następnie używany do pomiaru liczby cząsteczek CO2 w komórce pomiarowej i może być użyty do obliczenia stężenia CO2.

    Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla
    Rys.5. Zasada działania sensora fotoakustycznego.


    Fotoakustyczne sensory dwutlenku węgla
    Rys.6. Budowa sensora SCD40.


    „Amplitudę sygnału fotoakustycznego można zmierzyć za pomocą mikrofonu MEMS ” mówi Gysel. „Stężenie CO2 jest następnie obliczane za pomocą wbudowanego procesora za pomocą zaawansowanych algorytmów przetwarzania sygnałów. Piękno zasady pomiaru fotoakustycznego polega na tym, że czułość czujnika jest w większości niezależna od rozmiaru wnęki optycznej. Dzięki temu możemy wykorzystać tę technologię do zmniejszenia rozmiaru czujnika bez uszczerbku dla jego czułości”.

    SCD40 stanowi połączenie technologii sensorowej i MEMS, łącząc minimalny rozmiar i maksymalną czułość w jednej kompaktowej obudowie. SCD40 otwiera wiele nowych możliwości integracji i zastosowania. Oferuje zakres pomiarowy od 0 ppm do 40 000 ppm, w pełni skalibrowane i zlinearyzowane wyjście oraz cyfrowy interfejs I²C.

    „Być może największym atutem SCD40 jest to, że projektujemy i produkujemy wszystkie krytyczne komponenty we własnym zakresie” chwali się Gysel. „Pozwala nam to osiągnąć najwyższą wydajność produkcji przy zachowaniu opłacalnej. Na przykład aktywnie regulowany emiter podczerwieni oparty na naszej technologii CMOSens zapewnia najwyższą długoterminową stabilność i jest znacznie bardziej opłacalny niż istniejące produkty z półki”.

    „Dokładność czujnika jest bardzo ważna z dwóch powodów. Z jednej strony umożliwia naszym klientom projektowanie produktów o najwyższej czułości. Z drugiej strony, niektórzy klienci potrzebują wysokiej dokładności, aby zachować zgodność z normami i standardami - jest to bardzo istotne, na przykład na rynku systemów wentylacyjnych. Dokładność naszego SCD40 jest określana jako ±30 ppm plus 3% odczytu, co jest jedną z najlepszych dokładności, jakie można znaleźć na rynku. Inną kluczową specyfikacją jest 10-letni okres eksploatacji czujnika, który potwierdza nasze wysokie standardy w zakresie niezawodności czujnika”.

    Problem CO2 jest bardzo odczuwalny. Według Światowej Organizacji Zdrowia ponad 5,5 miliona ludzi na całym świecie umiera każdego roku z powodu zanieczyszczenia powietrza. Wiele miast ma zainstalowane zintegrowane czujniki do mapowania jakości powietrza w istniejącej infrastrukturze. Zanieczyszczenie powietrza w pomieszczeniach może mieć szereg konsekwencji dla naszego zdrowia. Aby utrzymać niskie stężenie zanieczyszczeń, musi istnieć cyrkulacja powietrza i wymiana ze światem zewnętrznym. Inteligentne czujniki wewnętrzne i zewnętrzne mogą nie tylko oszczędzać energię, ale także poprawiać jakość życia.

    Źródła:
    https://www.eetimes.com/monitoring-of-carbon-dioxide-level-by-photoacoustic-sensing/
    https://www.eeweb.com/photoacoustic-sensing-for-carbon-dioxide/

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 10006 postów o ocenie 8265, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Play InternetPlay Internet
  • #2
    Armadon
    Poziom 13  
    Ostatni akapit tak jakby się nieco odkleił od całości - myślę że można go z czystym sumieniem skasować bo jest po prostu bez sensu i bez związku z czujnikami co2.

    Konstrukcja ciekawa - ciekawe jak to wycenią. SCD30 wychodzi prawie 200 zeta w detalu co znacznie ogranicza jego zastosowanie w praktyce. SCD40 zdaje się być dużo prostszy i tańszy w budowie więc może i wycena będzie na rozsądnym poziomie 10-15 dolarów.
  • #3
    bolek
    Specjalista - oświetlenie sceniczne
    Myślę że do chwili gdy to nie będzie "jeden kawałek krzemu", to cena nie będzie fikuśna.

    Jest jeszcze Pyreos, oni swego czasu zrobili fajne memsy- detektor z odpowiednim filtrem i ADC. Jak się nimi interesowałem to kosztowały z 10Eur, ale je potrzebujesz dwa (drugi jako kanał ref), źródło IR i komorę.