כיצד להשתמש בחיישני איכות אוויר חכמים עבור ניטור הסביבה

ניטור סביבתי באמצעות חיישני איכות אוויר חכמים מתפשט על פני יישומים שונים, החל מבתים חכמים, דרך בניינים וערים, ועד לרכבים קונבנציונליים וחשמליים (EVs) ומערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS). בבתים חכמים, בניינים וערים, חיישני איכות אוויר יכולים לסייע בהבטחת בריאות ובטיחות על ידי ניטור חלקיקים וגזים הנישאים באוויר והקשורים לאיכות אוויר ירודה, כמו גם גילוי עשן עבור התרעות אש מוקדמות. בתאי נוסעים ברכב, חיישנים אלו יכולים לזהות תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) ורמות גבוהות של ₂CO היכולות לעורר חששות לבריאות. ב-EVs ו-BESS, ניתן להשתמש בהם כדי לזהות עלייה בלחץ ורמות גבוהות של מימן במארז הסוללה לאחר שלב שחרור הגזים הראשון של התא, ולאפשר למערכת ניהול הסוללות (BMS) להגיב ולמנוע אירוע שחרור גזים שני או בריחת תרמית של כל מערכת הסוללות.

החיישנים המשמשים ביישומים אלה צריכים להיות קומפקטיים, בהספק נמוך ויכולים לתמוך באתחול מאובטח ובעדכוני קושחה מאובטחים. לעתים קרובות הם צריכים לכלול מספר חיישנים, המכסים ספקטרום רחב של ניטור איכות האוויר. שילוב מגוון זה של פונקציונליות ביחידה קומפקטית ובעלת הספק נמוך יכול להיות תהליך מפחיד, נוטה לאתחולים רבים, וכתוצאה מכך פתרון בעלות גבוהה ועיכוב בזמן היציאה לשוק.

כדי להאיץ את זמן היציאה לשוק ולשלוט בעלויות, המתכננים יכולים לפנות למודולי חיישנים המכוילים במפעל, תומכים בעדכוני אתחול וקושחה מאובטחים, ולספק אפשרויות חיבוריות, כולל שליחת נתונים לענן או שימוש ב-CAN או אפיק אחר עבור חיבורים מקומיים.

מאמר זה מתחיל בהשוואת מוני חלקיקים אופטיים, טכנולוגיות אלקטרוכימיות בהדפסת רשת במסך וטכנולוגיות חיישנים רבי-פרמטרים. הוא מציג פתרונות חיישני איכות אוויר ופלטפורמות פיתוח של Sensirion‏, Metis Engineering‏ ו-Spec Sensors‏, לצד התקנים נלווים של Infineon Technologies, וכולל הצעות להאצת תהליך הפיתוח.

חיישני חומרים חלקיקיים (PM) מספקים ספירות עבור גודלי חלקיקים ספציפיים כגון PM2.5 ו-PM10, התואמים לחלקיקים בקטרים של 2.5 מיקרון ו-10 מיקרון, בהתאמה, כמו גם גדלים אחרים של חלקיקים לפי הצורך ביישום הספציפי. מוני חלקיקים אופטיים (OPCs) הם טכנולוגיית PM ספציפית המניעה את האוויר שיש למדוד דרך תא מדידה המכיל לייזר ופוטו-גלאי (איור 1). חלקיקים באוויר מפזרים את האור מהלייזר, והגלאי מודד את האור המפוזר. המדידה מומרת לריכוז מסה במיקרוגרם למטר מעוקב (^3‏μg/m‏) וסופרת את מספר החלקיקים לסנטימטר מעוקב (ס"מ^3‏). ספירת חלקיקים באמצעות OPC היא פשוטה אך המרת מידע זה למספר ריכוז מסה היא מורכבת יותר. התוכנה המשמשת להמרה צריכה להתחשב בפרמטרים האופטיים של החלקיקים כמו בצורה ובמקדם השבירה. כתוצאה מכך OPCs עלולים לסבול מאי דיוק רב יותר בהשוואה לשיטות חישת PM אחרות כגון טכנולוגיות גרבימטריות ישירות מבוססות משקל.

איור 1‏: OPC המשתמש בלייזר ובפוטו-דיודה כדי לספור חלקיקים נישאים-באוויר. (מקור התמונה: Sensirion)

לא כל ה-OPC הם אותו הדבר. מדויקים ויקרים מאד, OPCs‏ בדירוג-מעבדה יכולים לספור כל חלקיק בתא המדידה. קיימים OPCs‏ בדירוג-מסחרי בעלות נמוכה יותר הדוגמים רק כ-5% מחלקיקי התרסיס ומשתמשים בטכניקות הערכה מבוססות תוכנה כדי להגיע ל"מדידה" כוללת. במיוחד, הצפיפות של חלקיקים גדולים כמו PM10 היא בדרך כלל נמוכה ביותר, ולא ניתן למדוד אותם ישירות על ידי OPCs בעלות נמוכה.

ככל שגודל החלקיקים גדל, מספר החלקיקים במסת חלקיקים נתונה יורד באופן דרמטי. בהשוואה לתרסיס של חלקיקי PM1.0, תרסיס עם חלקיקי PM8 מכיל בערך פי 500 פחות חלקיקים עבור מסה נתונה. כדי למדוד חלקיקים גדולים יותר באותו דיוק כמו חלקיקים קטנים, OPC בעלות נמוכה צריך לשלב נתונים על פני מספר שעות כדי להגיע לאומדן. למרבה המזל, לתרסיסים יש התפלגות עקבית למדי של חלקיקים קטנים וגדולים בסביבות בעולם-האמיתי. בעזרת אלגוריתמים מתוכננים כהלכה, ניתן להעריך במדויק את מספר החלקיקים הגדולים יותר, כגון PM4.0 ו-PM10, באמצעות מדידות של חלקיקי PM0.5, PM1.0 ו-PM2.5.

חיישני גז אמפרומטריים

במקום למדוד ספירת חלקיקים, חיישנים אמפרומטריים מודדים ריכוזי גז. אלו הם התקנים אלקטרוכימיים המייצרים זרם פרופורציונלי ליניארית לחלק הנפחי של הגז הנמדד. חיישן אמפרומטרי בסיסי מורכב משתי אלקטרודות ואלקטרוליט. ריכוז הגז נמדד באלקטרודת החישה, המורכבת ממתכת קטליטית הממטבת את התגובה של הגז הנמדד. הגז מגיב עם אלקטרודת החישה לאחר הכניסה לחיישן דרך מחסום דיפוזיה נימי. האלקטרודה הנגדית פועלת כחצי-תא ומשלימה את המעגל (איור 2). מעגל חיצוני מודד את זרימת הזרם וקובע את ריכוז הגז. בתכנים מסוימים אלקטרודת 'ייחוס' שלישית כלולה כדי לשפר את היציבות, יחס האות-לרעש ולהאיץ את זמן התגובה של החיישן האמפרומטרי הבסיסי.

איור 2: חיישנים אמפרומטריים משתמשים בשתי אלקטרודות המופרדות על ידי אלקטרוליט כדי למדוד את ריכוזי הגזים. (מקור התמונה: Spec Sensor‏)

חיישן רב-פרמטרים עבור מארזי סוללות

ניטור איכות האוויר הוא רק ההתחלה עבור חיישנים המתוכננים להגן על מארזי סוללות במתקני EV ו-BESS. חיישנים אלו עוקבים אחר הלחץ, טמפרטורת האוויר, לחות, נקודת הטל ותכולת מים מוחלטת, בנוסף לתרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) כגון מתאן (_4‏CH), אתילן (_4‏H‏_2‏C), מימן (_2‏H‏), פחמן חד-חמצני (CO) ופחמן דו-חמצני (_2‏CO‏). במהלך השלב הראשון של שחרור הגזים מהסוללה, לתוצר הגזי של סוללת ליתיום-יון נפוצה עם קתודת ניקל מנגן וקובלט יש הרכב כימי ידוע (איור 3). ריכוז המימן הוא קריטי; אם הוא מתקרב ל-4%, גבול הפיצוץ התחתון של מימן, קיימת אפשרות של פיצוץ או שריפה. יש לנקוט פעולות כדי למנוע מהתא להיכנס לבריחה תרמית. חיישן הלחץ יכול לזהות עליות קטנות בלחץ בתוך מארז סוללות הנגרמות על ידי שחרור הגזים. ניתן להימנע מתוצאות חיוביות כוזבות על ידי הצלבה של כל עלייה בלחץ עם מדידות החיישנים האחרות.

איור 3: תערובת ספציפית של גזים היא אופיינית לשלב הראשון של אוורור הסוללה (מקור תמונה: Metis Engineering)

חיישן רב-פרמטרים זה גם עוקב אחר תנאי פעולה קרים יותר מדי. מארזי סוללות גדולים ב-EV ו-BESS כוללות לעתים קרובות קירור אקטיבי כדי למנוע מהמארזים להתחמם יתר על המידה כשהן נטענות או נפרקות. אם הם מקוררים יותר מדי, הטמפרטורה הפנימית עלולה לרדת מתחת לנקודת הטל, וכתוצאה מכך להתעבות בתוך המארז, העלולה לקצר את התאים ולגרום לבריחה תרמית. חיישן נקודת הטל מתריע בפני ה-BMS לפני שהעיבוי יכול להצטבר על הדקי הסוללה.

חיישן AQ בלייזר

המתכננים של מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), מטהרי אוויר ויישומים דומים יכולים להשתמש בחיישן PM‏ SPS30 של Sensirion כדי לנטר את איכות האוויר בפנים או בחוץ. חיישני SPS‏ מודדים ריכוזי מסה של PM1.0, PM2.5, PM4 ו-PM10, וכן ספירת חלקיקים של PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 ו-PM10. יש לו דיוק ריכוז מסה של ±10%, תחום ריכוז מסה של 0 עד 1000‏ ^3‏μg/m‏ וחיי פעולה של מעל עשר שנים. ה-SPS30 כולל ממשק C‏^2‏I‏ עבור חיבורים קצרים ו-UART7 עבור כבלים באורך של יותר מ-20 ס"מ.

ניתן להפעיל אופן ניקוי מאוורר אוטומטי במרווח זמן קבוע מראש כדי להבטיח מדידות עקביות. ניקוי מאוורר מאיץ את המאוורר למהירות מרבית למשך 10 שניות ומעיף החוצה אבק שהצטבר. פונקציית מדידת PM לא פועלת במהלך ניקוי מאוורר. מרווח הניקוי המוגדר כברירת מחדל הוא שבועי, אך ניתן להגדיר מרווחי זמן אחרים כדי לעמוד בדרישות היישום הספציפיות.

ערכות פיתוח ואתחול מאובטח

לוח הערכת חיישן איכות האוויר SEK-SPS30‏ יכול לשמש כדי לחבר את ה-SPS30 למחשב אישי כדי להתחיל לבחון את היכולות של חיישן PM זה. בנוסף, DigiKey מציעה פלטפורמה לשילוב חיישני איכות האוויר של Sensirion עם PSoC 6 MCUs של Infineon לפיתוח מערכות ניטור איכות אוויר חכמות של הדור-הבא. עבור מערכות בניינים חכמים שבהן הפרטיות מהווה שיקול, ה-PSoC 6 תומך באתחול מאובטח ובעדכוני קושחה מאובטחים (איור 4).

איור 4: ערכת פיתוח זו של Sensirion ו-Infineon יכולה לממש אתחול מאובטח ועדכוני קושחה מאובטחים. (מקור תמונה: DigiKey)

חיישן מארז סוללות

מתכנני מארזי סוללות EV ו-BESS יכולים להשתמש ב-CANBSSGEN1 של Metis Engineering עבור ניטור בטיחות הסוללות. הוא מתוכנן לגלות כשלים מוקדמים עקב אוורור תאים. חיישן מבוסס אפיק CAN זה כולל מסנן אוויר ניתן להחלפה והוא שימושי במיוחד ברכבים חשמליים (איור 5). מד תאוצה אופציונלי יכול לעקוב אחר זעזועים של עד 24G ואת משך הזעזוע, ומאפשר למערכת לזהות מתי מארז הסוללות נחשף לזעזועים מעל הרמה הבטוחה. הוא יכול למדוד:

• לחץ אבסולוטי של 0.2 עד 5.5‏ Bar‏
• טמפרטורות אוויר של ‎30°C‏- עד 120°C+
• VOCs‏, _2‏CO אקוויוולנטי (₂‏eCO‏), ו-_2‏H‏ בחלקים למיליארד (ppb‏)
• לחות אבסולוטית במיליגרם של אדי מים למטר מעוקב ^3‏mg/m‏)
• טמפרטורת נקודת הטל

איור 5: חיישן ניטור בטיחות סוללה זה כולל מסנן אוויר ניתן להחלפה (העיגול הלבן במרכז). (מקור התמונה: Metis Engineering)

ערכת פיתוח חיישן CAN

ערכת הפיתוח DEVKGEN1V1 עוזרת לקצר את זמן האינטגרציה של המערכת בעת שימוש בחיישני Metis CAN. החיישנים כוללים מהירות וכתובת CAN ניתנים-להגדרה יחד עם בסיס נתונים DBC CAN התומך באינטגרציה כמעט בכל רכב עם אפיק CAN. ניתן להרחיב את ערכת הפיתוח הבסיסית, מה שמאפשר למפתחים להוסיף חיישנים נוספים לרשת ה-CAN.

חיישן איכות אוויר פנים

המתכננים של מערכות ניטור איכות אוויר בתוך תא הנוסעים ברכב יכולים להשתמש ב-110-801‏ של SPEC Sensors‏. ה-110-801 הוא חיישן גז אמפרומטרי בהדפסת רשת היכול לזהות מגוון רחב של גזים הקשורים לאיכות אוויר ירודה, כולל אלכוהולים, אמוניה, פחמן חד-חמצני, גזי ריח שונים וסולפידים. התגובה של חיישנים אלה היא פרופורציונלית ליניארית לחלק הנפחי של הגז הנמדד, ומפשטת את אינטגרציית המערכת (איור 6). מאפיינים אחרים של חיישן זה בגודל 20‏ x‏ 20‏ x‏ 3‏ מ"מ כוללים:

• רגישות של חלקים למיליון (ppm‏)
• צריכת הספק החיישן של פחות מ-10 מיקרו-וואט (μW‏)
• תחום טמפרטורות פעולה של 10°C- עד C‏°‏40‏+ (C‏°‏0‏ עד C‏°‏40‏+ בפעולה רצופה)
• פעולה חסונה ויציבה בנוכחות של מגוון רחב של מזהמים

איור 6: חיישן גז אמפרומטרי בהדפסת רשת זה יכול למדוד נוכחות של מגוון של גזים. (מקור התמונה: Spec Sensor‏)

אינטגרציה של חיישן גז אמפרומטרי

מעגל פוטנציוסטאט מבקר את הפוטנציאל של האלקטרודה הפועלת בחיישן גז אמפרומטרי וממיר את זרם האלקטרודה למתח יציאה (איור 7). המתח בפין 2 של מגבר השרת (op amp‏) U1 קובע את מתח אלקטרודת הייחוס, ופוטנציאל העבודה של האלקטרודה נקבע על ידי פין 6 של מגבר השרת U2‏. מגבר השרת U2 גם ממיר את יציאת הזרם מהחיישן לאות מתח. במקביל, מגבר השרת U1 מספק זרם לאלקטרודת הנגד השווה לזרם העבודה של האלקטרודה.

איור 7: מעגל פוטנציוסטאט מפושט המשמש למימוש זיהוי גז באמצעות חיישן אמפרומטרי. (מקור התמונה: Spec Sensor‏)

סיכום

כפי שהוצג, למתכננים יש מגוון טכנולוגיות חיישני איכות אוויר לבחירה בעת תכנון מערכות ניטור הסביבה. ניתן להשתמש ב-OPCs‏ לניטור רמות חלקיקים העלולות להיות מסוכנות בפנים ובחוץ. מערכות מרובות חיישנים מבוססות CAN יכולות לנטר את האוורור בשלב ראשון במארזי סוללות EV ו-BESS ולסייע במניעת בריחת תרמית ושריפות או פיצוצים אפשריים. ניתן להשתמש בחיישני גז אמפרומטריים בהדפסת רשת בהספק נמוך כדי לזהות מגוון רחב של גזים הגורמים לאיכות אוויר ירודה.