วิธีการใช้เซ็นเซอร์คุณภาพอากาศอัจฉริยะสำหรับการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม

การตรวจสอบสิ่งแวดล้อมโดยใช้เซ็นเซอร์คุณภาพอากาศอัจฉริยะกำลังขยายไปสู่การใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่บ้านอัจฉริยะ อาคาร และเมืองไปจนถึงยานพาหนะทั่วไปและไฟฟ้า (EV) และระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ในบ้านอัจฉริยะ อาคาร และเมือง เซ็นเซอร์คุณภาพอากาศสามารถช่วยให้มั่นใจในสุขภาพและความปลอดภัยโดยการตรวจสอบอนุภาคในอากาศและก๊าซที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพอากาศไม่ดีตลอดจนการตรวจจับควันเพื่อเตือนไฟไหม้ในช่วงต้น ในห้องโดยสารของรถ เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถระบุสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) และ CO ระดับสูง₂ ที่สามารถสร้างความกังวลเรื่องสุขภาพได้ ใน EVs และ BESS สามารถใช้ตรวจจับความดันที่เพิ่มขึ้นและไฮโดรเจนในระดับสูงในกล่องหุ้มแบตเตอรี่หลังจากขั้นตอนการระบายอากาศครั้งแรกของเซลล์ ทำให้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) สามารถตอบสนองและป้องกันเหตุการณ์การระบายอากาศครั้งที่สองหรือ การระบายความร้อนของระบบแบตเตอรี่ทั้งหมด

เซ็นเซอร์ที่ใช้ในแอปพลิเคชันเหล่านี้ต้องมีขนาดกะทัดรัด ใช้พลังงานต่ำ และสามารถรองรับการบู๊ตอย่างปลอดภัยและการอัพเดตเฟิร์มแวร์ที่ปลอดภัย พวกเขามักจะต้องรวมเซ็นเซอร์หลายตัว ซึ่งครอบคลุมการตรวจสอบคุณภาพอากาศในวงกว้าง การรวมฟังก์ชันการทำงานนี้ไว้ในยูนิตที่มีขนาดกะทัดรัดและใช้พลังงานต่ำอาจเป็นกระบวนการที่น่ากลัว มีแนวโน้มที่จะรีสตาร์ท ส่งผลให้มีโซลูชันที่มีค่าใช้จ่ายสูง และทำให้เวลาในการออกสู่ตลาดล่าช้า

เพื่อเร่งเวลาในการออกสู่ตลาดและควบคุมต้นทุน นักออกแบบสามารถหันไปใช้โมดูลเซ็นเซอร์ที่ปรับเทียบจากโรงงาน รองรับการบู๊ตที่ปลอดภัยและการอัปเดตเฟิร์มแวร์ และให้ตัวเลือกการเชื่อมต่อ รวมถึงการส่งข้อมูลไปยังระบบคลาวด์ หรือใช้ CAN หรือบัสอื่นสำหรับการเชื่อมต่อในพื้นที่

บทความนี้เริ่มต้นโดยการเปรียบเทียบตัวนับอนุภาคแบบออปติคัล เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ไฟฟ้าเคมีแบบพิมพ์หน้าจอ และเทคโนโลยีเซ็นเซอร์แบบหลายพารามิเตอร์ นำเสนอโซลูชั่นเซ็นเซอร์คุณภาพอากาศและแพลตฟอร์มการพัฒนาจากSensirion ,เมทิส เอ็นจิเนียริ่ง, และเซนเซอร์ข้อมูลจำเพาะ พร้อมอุปกรณ์คู่หูจากInfineon Technologies และรวมถึงข้อเสนอแนะเพื่อเร่งกระบวนการพัฒนา

เซ็นเซอร์ฝุ่นละออง (PM) ให้การนับสำหรับขนาดอนุภาคเฉพาะ เช่น PM2.5 และ PM10 ซึ่งสอดคล้องกับอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 ไมครอนและ 10 ไมครอน ตามลำดับ ตลอดจนขนาดอนุภาคอื่นๆ ตามความจำเป็นในการใช้งานเฉพาะ เครื่องนับอนุภาคด้วยแสง (OPC) เป็นเทคโนโลยี PM เฉพาะที่เคลื่อนย้ายอากาศเพื่อวัดผ่านเซลล์การวัดที่มีเลเซอร์และเครื่องตรวจจับแสง (รูปที่ 1) อนุภาคในอากาศกระจายแสงออกจากเลเซอร์ และเครื่องตรวจจับจะวัดแสงที่กระจัดกระจาย การวัดจะถูกแปลงเป็นความเข้มข้นของมวลในหน่วยไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (μg/m³) และนับจำนวนอนุภาคต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (cm³) การนับอนุภาคโดยใช้ OPC นั้นตรงไปตรงมา แต่การแปลงข้อมูลนั้นเป็นจำนวนความเข้มข้นของมวลนั้นซับซ้อนกว่า ซอฟต์แวร์ที่ใช้สำหรับการแปลงต้องพิจารณาพารามิเตอร์ทางแสงของอนุภาค เช่น รูปร่างและดัชนีการหักเหของแสง ด้วยเหตุนี้ OPCs จึงอาจประสบกับความไม่ถูกต้องมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการตรวจวัด PM แบบอื่นๆ เช่น เทคโนโลยีกราวิเมตริกโดยตรงที่อิงตามน้ำหนัก

รูปที่ 1: OPC ใช้เลเซอร์และโฟโตไดโอดเพื่อนับอนุภาคในอากาศ (ที่มาของภาพ: Sensirion)

OPC ทั้งหมดไม่เหมือนกัน OPC ระดับห้องปฏิบัติการที่มีความแม่นยำสูงและมีราคาแพงสามารถนับทุกอนุภาคในเซลล์การวัดได้ OPC เกรดเชิงพาณิชย์ที่มีต้นทุนต่ำกว่ามีจำหน่ายที่สุ่มตัวอย่างเพียง 5% ของอนุภาคละอองและใช้เทคนิคการประมาณค่าโดยใช้ซอฟต์แวร์เพื่อให้ได้ 'การวัด' โดยรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความหนาแน่นของอนุภาคขนาดใหญ่ เช่น PM10 มักจะต่ำมาก และไม่สามารถวัดได้โดยตรงด้วย OPC ที่มีต้นทุนต่ำ

เมื่อขนาดอนุภาคเพิ่มขึ้น จำนวนอนุภาคในมวลอนุภาคที่กำหนดจะลดลงอย่างมาก เมื่อเทียบกับละออง PM1.0 ละอองที่มีอนุภาค PM8 มีอนุภาคน้อยกว่า 500 เท่าสำหรับมวลที่กำหนด ในการวัดอนุภาคขนาดใหญ่ที่มีความแม่นยำเท่ากันกับอนุภาคขนาดเล็ก OPC ที่มีต้นทุนต่ำต้องรวมข้อมูลเป็นเวลาหลายชั่วโมงเพื่อให้ได้ค่าประมาณ โชคดีที่ละอองลอยมีการกระจายอนุภาคขนาดเล็กและขนาดใหญ่ในสภาพแวดล้อมจริงอย่างสม่ำเสมอ ด้วยอัลกอริธึมที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสม ทำให้สามารถประมาณจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ได้อย่างแม่นยำ เช่น PM4.0 และ PM10 โดยใช้การวัดอนุภาค PM0.5, PM1.0 และ PM2.5

เซ็นเซอร์ก๊าซแอมเพอโรเมตริก

แทนที่จะวัดจำนวนอนุภาค เซ็นเซอร์แอมเพอโรเมตริกจะวัดความเข้มข้นของก๊าซ เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีที่ผลิตกระแสตามสัดส่วนเชิงเส้นกับเศษส่วนของปริมาตรของก๊าซที่กำลังวัด เซ็นเซอร์แอมเพอโรเมตริกพื้นฐานประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้วและอิเล็กโทรไลต์ วัดความเข้มข้นของแก๊สที่อิเล็กโทรดการตรวจจับ ซึ่งประกอบด้วยโลหะเร่งปฏิกิริยาที่ปรับปฏิกิริยาของแก๊สให้เหมาะสมที่สุด ก๊าซทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรดตรวจจับหลังจากเข้าสู่เซ็นเซอร์ผ่านอุปสรรคการแพร่กระจายของเส้นเลือดฝอย อิเล็กโทรดตัวนับทำหน้าที่เป็นครึ่งเซลล์และทำให้วงจรสมบูรณ์ (รูปที่ 2) วงจรภายนอกวัดการไหลของกระแสและกำหนดความเข้มข้นของก๊าซ ในบางการออกแบบ อิเล็กโทรด 'อ้างอิง' ที่สามรวมอยู่ด้วยเพื่อปรับปรุงความเสถียร อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน และเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของเซ็นเซอร์แอมเพอโรเมตริกพื้นฐาน

รูปที่ 2: เซ็นเซอร์แอมเพอโรเมตริกใช้อิเล็กโทรดสองขั้วที่คั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์เพื่อวัดความเข้มข้นของก๊าซ (ที่มาของภาพ: Spec Sensor)

เซ็นเซอร์หลายพารามิเตอร์สำหรับชุดแบตเตอรี่

การตรวจสอบคุณภาพอากาศเป็นเพียงจุดเริ่มต้นสำหรับเซ็นเซอร์ที่ออกแบบมาเพื่อปกป้องชุดแบตเตอรี่ในการติดตั้ง EV และ BESS เซ็นเซอร์เหล่านี้จะตรวจสอบความดัน อุณหภูมิของอากาศ ความชื้น จุดน้ำค้าง และปริมาณน้ำที่แน่นอน นอกเหนือจากสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) เช่น มีเทน (CHH)₄), เอทิลีน (C₂H₄), ไฮโดรเจน (H₂) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO)₂) ในช่วงแรกของการระบายแบตเตอรี่ ผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปที่มีนิกเกิลแมงกานีสและโคบอลต์แคโทดมีองค์ประกอบทางเคมีที่ทราบ (รูปที่ 3) ความเข้มข้นของไฮโดรเจนเป็นสิ่งสำคัญ ถ้ามันเข้าใกล้ 4% ซึ่งเป็นขีดจำกัดการระเบิดล่างของไฮโดรเจน มีความเป็นไปได้ที่จะระเบิดหรือไฟไหม้ ควรดำเนินการเพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์เข้าสู่ทางหนีความร้อน เซ็นเซอร์ความดันสามารถตรวจจับแรงดันที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยภายในก้อนแบตเตอรี่ที่เกิดจากการระบายอากาศ สามารถหลีกเลี่ยงผลบวกลวงได้โดยการตรวจสอบความดันที่เพิ่มขึ้นด้วยการวัดเซ็นเซอร์อื่น ๆ

รูปที่ 3: ส่วนผสมเฉพาะของก๊าซเป็นลักษณะของระยะแรกของการระบายแบตเตอรี่ (แหล่งรูปภาพ: Metis Engineering)

เซ็นเซอร์หลายพารามิเตอร์นี้ยังตรวจสอบสภาพการทำงานที่เย็นเกินไป ชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ใน EV และ BESS มักจะมีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟเพื่อป้องกันไม่ให้ชุดแบตเตอรี่ร้อนเกินไปเมื่อชาร์จหรือคายประจุ หากระบายความร้อนมากเกินไป อุณหภูมิภายในอาจลดลงต่ำกว่าจุดน้ำค้าง ส่งผลให้เกิดการควบแน่นภายในแพ็ค อาจทำให้เซลล์ลัดวงจรและทำให้เกิดการระบายความร้อน เซ็นเซอร์จุดน้ำค้างจะแจ้งเตือน BMS ก่อนที่การควบแน่นจะสะสมที่ขั้วแบตเตอรี่

เลเซอร์ AQ เซนเซอร์

นักออกแบบระบบทำความร้อน การระบายอากาศ และระบบปรับอากาศ (HVAC) เครื่องฟอกอากาศ และการใช้งานที่คล้ายคลึงกันสามารถใช้ SPS30 เซ็นเซอร์ PM จาก Sensirion เพื่อตรวจสอบคุณภาพอากาศในร่มหรือกลางแจ้ง เซ็นเซอร์ SPS วัดความเข้มข้นของมวล PM1.0, PM2.5, PM4 และ PM10 เช่นเดียวกับ PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 และ PM10 จำนวนอนุภาค มีความแม่นยำของความเข้มข้นของมวลที่ ±10% ช่วงความเข้มข้นของมวลอยู่ที่ 0 ถึง 1,000 μg/m³ และอายุการใช้งานยาวนานกว่าสิบปี SPS30 ประกอบด้วย I² อินเทอร์เฟซ C สำหรับการเชื่อมต่อแบบสั้น และ UART7 สำหรับสายเคเบิลที่ยาวกว่า 20 เซนติเมตร (ซม.)

สามารถเปิดใช้งานโหมดทำความสะอาดพัดลมอัตโนมัติตามช่วงเวลาที่กำหนดไว้เพื่อให้แน่ใจว่าการวัดที่สม่ำเสมอ การทำความสะอาดพัดลมจะเร่งความเร็วพัดลมไปที่ความเร็วสูงสุดเป็นเวลา 10 วินาทีและกำจัดฝุ่นที่สะสมออกไป ฟังก์ชันการวัด PM ออฟไลน์ระหว่างการทำความสะอาดพัดลม ช่วงเวลาการทำความสะอาดเริ่มต้นคือรายสัปดาห์ แต่ช่วงอื่น ๆ สามารถตั้งค่าให้เป็นไปตามข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะได้

ชุดอุปกรณ์สำหรับนักพัฒนาและการบูตแบบปลอดภัย

SEK-SPS30 บอร์ดประเมินผลเซ็นเซอร์ตรวจวัดคุณภาพอากาศสามารถใช้เพื่อเชื่อมต่อ SPS30 กับพีซีเพื่อเริ่มสำรวจความสามารถของเซ็นเซอร์ PM นี้ได้ นอกจากนี้ DigiKey ยังให้บริการ แพลตฟอร์ม เพื่อรวมเซ็นเซอร์คุณภาพอากาศของ Sensirion เข้ากับ PSoC 6 MCU ของ Infineon เพื่อพัฒนาระบบตรวจสอบคุณภาพอากาศอัจฉริยะรุ่นต่อไป สำหรับระบบอาคารอัจฉริยะที่คำนึงถึงความเป็นส่วนตัว PSoC 6 รองรับการบู๊ตอย่างปลอดภัยและการอัพเดตเฟิร์มแวร์ที่ปลอดภัย (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ชุดพัฒนาจาก Sensirion และ Infineon สามารถใช้การบู๊ตแบบปลอดภัยและการอัพเดตเฟิร์มแวร์ที่ปลอดภัย (แหล่งที่มารูปภาพ: DigiKey)

เซ็นเซอร์ก้อนแบตเตอรี่

นักออกแบบชุดแบตเตอรี่ EV และ BESS สามารถใช้ CANBSSGEN1 จาก Metis Engineering สำหรับการตรวจสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ออกแบบมาเพื่อตรวจจับความล้มเหลวตั้งแต่เนิ่น ๆ เนื่องจากการระบายเซลล์ เซ็นเซอร์แบบบัส CAN นี้มีตัวกรองอากาศแบบเปลี่ยนได้ และมีประโยชน์อย่างยิ่งในรถยนต์ไฟฟ้า (ภาพที่ 5) มาตรความเร่งที่เป็นอุปกรณ์เสริมสามารถตรวจสอบการกระแทกได้สูงถึง 24G และระยะเวลาการกระแทก ทำให้ระบบสามารถระบุได้เมื่อก้อนแบตเตอรี่ได้รับแรงกระแทกเหนือระดับที่ปลอดภัย สามารถวัด:

• แรงดันสัมบูรณ์ 0.2 ถึง 5.5 บาร์
• อุณหภูมิอากาศ -30°C ถึง +120°C
• VOCs เทียบเท่า CO₂ (eCO₂ ) และ H₂ ในส่วนต่อพันล้าน (ppb)
• ความชื้นสัมบูรณ์ในหน่วยมิลลิกรัมของไอน้ำต่อลูกบาศก์เมตร (mg/m³)
• อุณหภูมิจุดน้ำค้าง

รูปที่ 5: เซ็นเซอร์ตรวจสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่นี้มีตัวกรองอากาศแบบเปลี่ยนได้ (วงกลมสีขาวตรงกลาง) (ที่มาของภาพ: Metis Engineering)

ชุดอุปกรณ์พัฒนาเซ็นเซอร์ CAN

DEVKGEN1V1 ชุดพัฒนาช่วยลดเวลาการรวมระบบเมื่อใช้เซ็นเซอร์ Metis CAN เซ็นเซอร์รวมถึงความเร็วบัส CAN ที่กำหนดค่าได้และที่อยู่พร้อมกับฐานข้อมูล DBC CAN ที่รองรับการรวมเข้ากับยานพาหนะเกือบทุกชนิดที่มี CAN บัส ชุดพัฒนาพื้นฐานสามารถขยายได้ ทำให้นักพัฒนาสามารถเพิ่มเซ็นเซอร์ในเครือข่าย CAN ได้มากขึ้น

เซ็นเซอร์คุณภาพอากาศภายในอาคาร

นักออกแบบระบบตรวจสอบคุณภาพอากาศภายในห้องโดยสารและรถยนต์สามารถใช้110-801 จากเซนเซอร์ SPEC 110-801 เป็นเซ็นเซอร์ก๊าซแอมเพอโรเมตริกที่พิมพ์หน้าจอซึ่งสามารถตรวจจับก๊าซหลายประเภทที่เกี่ยวข้องกับคุณภาพอากาศไม่ดี รวมถึงแอลกอฮอล์ แอมโมเนีย คาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซที่มีกลิ่นต่างๆ และซัลไฟด์ การตอบสนองของเซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นสัดส่วนเชิงเส้นตรงกับสัดส่วนปริมาตรของก๊าซที่กำลังวัด ซึ่งทำให้การรวมระบบง่ายขึ้น (รูปที่ 6) คุณสมบัติอื่น ๆ ของเซ็นเซอร์ 20 x 20 x 3 มม. นี้รวมถึง:

• ความไวส่วนในล้านส่วน (ppm)
• กำลังเซ็นเซอร์น้อยกว่าสิบไมโครวัตต์ (μW)
• -10 °C ถึง +40°C ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน (0°C ถึง +40°C การทำงานต่อเนื่อง)
• การทำงานที่แข็งแกร่งและมีเสถียรภาพในที่ที่มีสารปนเปื้อนต่าง ๆ มากมาย

รูปที่ 6: เซ็นเซอร์ก๊าซแอมเพอโรเมตริกที่พิมพ์หน้าจอนี้สามารถวัดการมีอยู่ของก๊าซหลายชนิด (ที่มาของภาพ: Spec Sensors)

การรวมเซ็นเซอร์ก๊าซแอมเพอโรเมตริก

วงจรโพเทนชิโอสแตตควบคุมศักยภาพของอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้ในเซ็นเซอร์ก๊าซแอมเพอโรเมตริกและแปลงกระแสอิเล็กโทรดเป็นแรงดันเอาต์พุต (รูปที่ 7) แรงดันไฟฟ้าที่พิน 2 ของแอมพลิฟายเออร์สำหรับการทำงาน (op amp) U1 ตั้งค่าแรงดันอิเล็กโทรดอ้างอิง และศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้ถูกกำหนดโดยพิน 6 ของ op amp U2 Op amp U2 ยังแปลงเอาต์พุตปัจจุบันจากเซ็นเซอร์เป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน op amp U1 จะจ่ายกระแสให้กับอิเล็กโทรดตัวนับที่เท่ากับกระแสอิเล็กโทรดที่ใช้งานได้

รูปที่ 7: วงจรโพเทนชิโอสแตตแบบง่ายที่ใช้ในการตรวจจับก๊าซโดยใช้เซ็นเซอร์แอมเพอโรเมตริก (ที่มาของภาพ: Spec Sensors)

บทสรุป

ดังที่แสดงไว้ นักออกแบบมีเทคโนโลยีเซ็นเซอร์คุณภาพอากาศให้เลือกมากมายเมื่อออกแบบระบบตรวจสอบสิ่งแวดล้อม สามารถใช้ OPC เพื่อตรวจสอบระดับอนุภาคที่อาจเป็นอันตรายในร่มและกลางแจ้ง ระบบเซ็นเซอร์หลายตัวที่ใช้ CAN สามารถตรวจสอบการระบายอากาศในระยะแรกในชุดแบตเตอรี่ EV และ BESS และช่วยป้องกันการหนีจากความร้อนและไฟไหม้หรือการระเบิดที่อาจเกิดขึ้นได้ เซ็นเซอร์ก๊าซแอมเพอโรเมตริกแบบพิมพ์หน้าจอกำลังต่ำสามารถใช้ตรวจจับก๊าซหลายชนิดที่ทำให้คุณภาพอากาศไม่ดีได้