Como usar sensores inteligentes de qualidade do ar para monitoramento ambiental

O monitoramento ambiental usando sensores inteligentes de qualidade do ar está se expandindo em várias aplicações desde residências, edifícios e cidades inteligentes, até veículos convencionais e elétricos (EVs) e sistemas de armazenamento de energia da bateria (BESS). Em residências, edifícios e cidades inteligentes, os sensores de qualidade do ar podem ajudar a garantir a saúde e a segurança através do monitoramento de partículas e gases suspensos no ar e associados à má qualidade, bem como a detecção de fumaça para avisos antecipados de incêndio. Nos compartimentos de passageiros dos veículos, esses sensores podem identificar compostos orgânicos voláteis (VOCs) e altos níveis de CO₂ que podem gerar preocupações com a saúde. Em EVs e BESS, eles podem ser usados para detectar um aumento de pressão e altos níveis de hidrogênio em um compartimento de bateria após a primeira fase de ventilação de uma célula, permitindo que o sistema de gerenciamento da bateria (BMS) reaja e evite um segundo evento de ventilação ou uma fuga térmica de todo o sistema da bateria.

Os sensores usados nestas aplicações precisam ser compactos, de baixa potência e capazes de suportar inicialização segura e atualizações seguras de firmware. Muitas vezes eles precisam incluir vários sensores, cobrindo um amplo espectro de monitoramento da qualidade do ar. Integrar esta gama de funcionalidades em uma unidade compacta e de baixa potência pode ser um processo assustador, propenso a retrabalhos, resultando em uma solução de alto custo e retardando o tempo de colocação no mercado.

Para acelerar o tempo de comercialização e controlar os custos, os projetistas podem recorrer a módulos sensores calibrados de fábrica, suportar inicialização segura e atualizações de firmware, e fornecer opções de conectividade, incluindo o envio de dados para a nuvem ou o uso de uma CAN ou outro barramento para conexões locais.

Este artigo começa comparando contadores ópticos de partículas, tecnologias de eletroquímicos impressos por serigrafia e de sensores multiparamétricos. Apresenta soluções de sensores de qualidade do ar e plataformas de desenvolvimento da Sensirion, Metis Engineering e Spec Sensors, com dispositivos complementares da Infineon Technologies, e inclui sugestões para agilizar o processo de desenvolvimento.

Os sensores de material particulado (PM) fornecem contagens para tamanhos específicos de partículas como PM2,5 e PM10, que correspondem a partículas com diâmetros de 2,5 mícrons e 10 mícrons, respectivamente, assim como outros tamanhos de partículas conforme necessário para a aplicação específica. Os contadores ópticos de partículas (OPCs) são uma tecnologia PM específica que move o ar a ser medido através de uma célula de medição que contém um laser e um fotodetector (Figura 1). As partículas no ar dispersam a luz do laser, e o detector mede a luz espalhada. A medida é convertida em concentração de massa em microgramas por metro cúbico (μg/m³) e conta o número de partículas por centímetro cúbico (cm³). A contagem de partículas usando um OPC é simples, mas a conversão dessa informação em um número de concentração em massa é mais complexa. O software utilizado para a conversão precisa considerar os parâmetros ópticos das partículas como forma e índice de refração. Como resultado, os OPCs podem sofrer de maior imprecisão em comparação com outros métodos de detecção de PM, tais como tecnologias gravimétricas diretas, baseadas no peso.

Figura 1: Um OPC usa um laser e um fotodiodo para contar partículas transportadas no ar. (Fonte da imagem: Sensirion)

Nem todos os OPCs são iguais. Os OPCs altamente precisos e caros, de grau laboratorial, podem contar cada partícula na célula de medição. Estão disponíveis OPCs de grau comercial e baixo custo que amostram apenas cerca de 5% das partículas de aerossol e usam técnicas de estimativa baseadas em software para chegar a uma 'medição' geral. Em particular, a densidade de partículas grandes como PM10 é tipicamente muito baixa, e não podem ser medidas diretamente por OPCs de baixo custo.

Conforme o tamanho das partículas aumenta, o número de partículas em uma determinada massa de partículas cai drasticamente. Em comparação com um aerossol de partículas PM1,0, um aerossol com partículas PM8 tem cerca de 500 vezes menos partículas para uma determinada massa. Para medir partículas maiores com a mesma precisão que partículas pequenas, um OPC de baixo custo tem que integrar dados ao longo de várias horas para chegar a uma estimativa. Felizmente, os aerossóis têm distribuições bastante consistentes de partículas pequenas e grandes em ambientes reais. Com algoritmos adequadamente projetados, é possível estimar com precisão o número de partículas maiores, tais como PM4,0 e PM10, usando medições de partículas PM0,5, PM1,0 e PM2,5.

Sensores de gás amperométricos

Em vez de medir a contagem de partículas, os sensores amperométricos medem as concentrações de gás. Eles são dispositivos eletroquímicos que produzem uma corrente linearmente proporcional à fração volumétrica do gás que está sendo medido. Um sensor amperométrico básico consiste de dois eletrodos e um eletrólito. A concentração de gás é medida no eletrodo do sensor, que consiste em um metal catalítico que otimiza a reação do gás a ser medido. O gás reage com o eletrodo de detecção após entrar no sensor através de uma barreira de difusão capilar. O contra-elétrodo atua como meia célula e completa o circuito (Figura 2). Um circuito externo mede o fluxo de corrente e determina a concentração do gás. Em alguns projetos, um terceiro eletrodo "de referência" é incluído para melhorar a estabilidade, a relação sinal/ruído e acelerar o tempo de resposta do sensor amperométrico básico.

Figura 2: Os sensores amperométricos utilizam dois eletrodos separados por um eletrólito para medir as concentrações de gases. (Fonte da imagem: Spec Sensor)

Sensor multi-paramétrico para pacotes de baterias

O monitoramento da qualidade do ar é apenas o começo para sensores projetados com finalidade de proteger pacotes de baterias em instalações de EVs e BESS. Estes sensores monitoram pressão, temperatura do ar, umidade, ponto de orvalho e conteúdo absoluto de água, além de compostos orgânicos voláteis (VOCs) tais como metano (CH₄), etileno (C₂H₄), hidrogênio (H₂), monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO₂). Durante a primeira fase de ventilação da bateria, o produto gasoso de uma bateria comum de íons de lítio com um cátodo de níquel-manganês e cobalto tem uma composição química conhecida (Figura 3). A concentração de hidrogênio é crítica; se ela se aproximar de 4%, o limite inferior explosivo do hidrogênio, há a possibilidade de uma explosão ou incêndio. Medidas devem ser tomadas para evitar que a célula entre em fuga térmica. O sensor de pressão pode detectar pequenos aumentos de pressão dentro de um pacote de baterias causados pela ventilação. Falsos positivos podem ser evitados através da verificação cruzada de qualquer aumento de pressão com as outras medições do sensor.

Figura 3: Uma mistura específica de gases é característica da primeira fase de ventilação da bateria (Fonte da imagem: Metis Engineering)

Este sensor multiparamétrico também monitora as condições de operação muito frias. Grandes pacotes de baterias em EV e BESS frequentemente incluem resfriamento ativo para evitar o superaquecimento dos pacotes quando eles são carregados ou descarregados. Se forem resfriados demais, a temperatura interna pode cair abaixo do ponto de orvalho, resultando em condensação dentro do pacote e potencial curto-circuito das células, causando a fuga térmica. O sensor de ponto de orvalho alerta o BMS antes que a condensação possa se acumular nos terminais da bateria.

Sensor AQ a laser

Os projetistas de sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC), purificadores de ar e aplicações similares podem usar o sensor PM SPS30 da Sensirion para monitorar a qualidade do ar em ambientes fechados ou ao ar livre. Os sensores SPS medem concentrações de massa de PM1,0, PM2,5, PM4 e PM10, assim como contagens de partículas PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM4 e PM10. Tem uma precisão de concentração de massa de ±10%, uma faixa de concentração de massa de 0 a 1000 μg/m³, e uma vida operacional de mais de dez anos. O SPS30 inclui uma interface I²C para conexões curtas e uma UART7 para cabos com mais de 20 centímetros (cm) de comprimento.

Um modo de limpeza automática da ventoinha pode ser acionado em um intervalo predefinido para garantir medições consistentes. A limpeza da ventoinha a faz acelerar até a velocidade máxima por 10 segundos e sopra a poeira acumulada. A função de medição do PM fica desligada durante a limpeza da ventoinha. O intervalo de limpeza padrão é semanal, mas outros intervalos podem ser definidos para atender às exigências específicas da aplicação.

Kits de desenvolvimento e inicialização segura

A placa de avaliação do sensor do monitor de qualidade do ar SEK-SPS30 pode ser usada para conectar o SPS30 a um computador para começar a explorar as capacidades deste sensor PM. Além disso, a DigiKey oferece uma plataforma para combinar os sensores de qualidade do ar da Sensirion com os MCUs PSoC 6 da Infineon para desenvolver sistemas inteligentes de monitoramento de qualidade do ar da próxima geração. Para sistemas de edifícios inteligentes, onde a privacidade é uma preocupação, o PSoC 6 suporta inicialização segura e atualizações seguras de firmware (Figura 4).

Figura 4: Este kit de desenvolvimento da Sensirion e Infineon pode implementar uma segurança de inicialização e atualizações de firmware. (Fonte da imagem: DigiKey)

Sensor do pacote de bateria

Os projetistas de pacotes de bateria EV e BESS podem usar o CANBSSGEN1 da Metis Engineering para o monitoramento da segurança das baterias. É projetado para detectar falhas precoces devido à ventilação das células. Este sensor baseado no barramento CAN inclui um filtro de ar substituível e é especialmente útil em EVs (Figura 5). Um acelerômetro opcional pode monitorar choques de até 24 G e duração do impacto, permitindo que o sistema identifique quando o pacote de bateria foi exposto a choques acima dos níveis seguros. Ele pode medir:

• 0,2 a 5,5 Bar de pressão absoluta
• -30°C a +120°C de temperaturas do ar
• VOCs, CO₂ equivalente (eCO₂), e H₂ em partes por bilhão (ppb)
• Umidade absoluta em miligramas de vapor de água por metro cúbico (mg/m³)
• Temperatura do ponto de orvalho

Figura 5: Este sensor do monitor de segurança da bateria inclui um filtro de ar substituível (círculo branco central). (Fonte da imagem: Metis Engineering)

Kit de desenvolvimento do sensor CAN

O kit de desenvolvimento DEVKGEN1V1 ajuda a encurtar o tempo de integração do sistema ao usar os sensores CAN da Metis. Os sensores incluem uma velocidade e endereço de barramento CAN configurável, junto com um banco de dados DBC CAN que suporta integração em quase todos os veículos com um barramento CAN. O kit de desenvolvimento básico pode ser expandido, permitindo que os desenvolvedores adicionem mais sensores à rede CAN.

Sensor de qualidade do ar para ambientes fechados

Os projetistas de sistemas de monitoramento da qualidade do ar em cabines internas de veículos podem usar os 110-801 da SPEC Sensors. O 110-801 é um sensor de gás amperométrico impresso por serigrafia que pode detectar uma ampla gama de gases associados à má qualidade do ar, incluindo álcoois, amônia, monóxido de carbono, vários gases odoríferos e sulfetos. A resposta destes sensores é linearmente proporcional à fração volumétrica do gás sendo medido, o que simplifica a integração do sistema (Figura 6). Outras características deste sensor de 20 x 20 x 3 mm incluem:

• Partes por milhão (ppm) de sensibilidade
• Menos de dez microwatts (μW) de potência do sensor
• Faixa de temperatura de operação desde -10°C a +40°C (operação contínua de 0°C a +40°C)
• Operação robusta e estável na presença de uma ampla gama de contaminantes

Figura 6: Este sensor de gás amperométrico impresso por serigrafia pode medir a presença de uma variedade de gases. (Fonte da imagem: Spec Sensors)

Integração do sensor de gás amperométrico

Um circuito potenciostato controla o potencial do eletrodo de trabalho em um sensor de gás amperométrico e converte a corrente do eletrodo em uma tensão de saída (Figura 7). A tensão no pino 2 do amplificador operacional (amp-op) U1 define a tensão do eletrodo de referência, e o potencial do eletrodo de trabalho é definido pelo pino 6 do amp-op U2. O amp-op U2 também converte a saída de corrente do sensor para um sinal de tensão. Ao mesmo tempo, o amp-op U1 fornece corrente para o contra-elétrodo que é igual à corrente do eletrodo de trabalho.

Figura 7: Circuito simplificado do potenciostato usado para implementar a detecção de gás, usando um sensor amperométrico. (Fonte da imagem: Spec Sensors)

Resumo

Como mostrado, os projetistas têm uma gama de tecnologias de sensores de qualidade do ar para escolher ao projetar sistemas de monitoramento ambiental. Os OPCs podem ser usados para monitorar os níveis de partículas potencialmente perigosas em ambientes fechados ou ao ar livre. Os sistemas baseados em CAN, multissensores podem monitorar a ventilação do primeiro estágio em pacotes de baterias EV e BESS e ajudar a prevenir a fuga térmica e possíveis incêndios ou explosões. Os sensores de gás amperométricos impressos por serigrafia, de baixa potência, podem ser usados para detectar uma ampla gama de gases que causam má qualidade do ar.