Cómo utilizar los sensores inteligentes de calidad del aire para la vigilancia del medio ambiente

La vigilancia del medio ambiente mediante sensores inteligentes de calidad del aire se está extendiendo a diversas aplicaciones, desde hogares, edificios y ciudades inteligentes hasta vehículos convencionales y eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). En los hogares, edificios y ciudades inteligentes, los sensores de calidad del aire pueden ayudar a garantizar la salud y la seguridad mediante el control de las partículas y los gases transportados por el aire que se asocian a la mala calidad del aire, así como la detección de humo para la alerta temprana de incendios. En los habitáculos de los vehículos, estos sensores pueden identificar compuestos orgánicos volátiles (COV) y niveles elevados de _CO2 que pueden plantear problemas de salud. En los vehículos eléctricos y los BESS, pueden utilizarse para detectar un aumento de la presión y niveles elevados de hidrógeno en el recinto de la batería tras la primera fase de venteo de una célula, lo que permite al sistema de gestión de la batería (BMS) reaccionar y evitar un segundo evento de venteo o el desbordamiento térmico de todo el sistema de la batería.

Los sensores utilizados en estas aplicaciones deben ser compactos, de bajo consumo y capaces de soportar un arranque seguro y actualizaciones seguras de firmware. A menudo tienen que incluir múltiples sensores, que cubren un amplio espectro de control de la calidad del aire. Integrar esta gama de funcionalidades en una unidad compacta y de bajo consumo puede ser un proceso desalentador, propenso a los reinicios, lo que resulta en una solución de alto coste y retrasa el tiempo de comercialización.

Para acelerar el tiempo de comercialización y controlar los costes, los diseñadores pueden recurrir a módulos de sensores calibrados en fábrica, que admitan un arranque seguro y actualizaciones de firmware, y que ofrezcan opciones de conectividad, incluido el envío de datos a la nube o el uso de un bus CAN o de otro tipo para las conexiones locales.

Este artículo comienza comparando los contadores ópticos de partículas, los electroquímicos serigrafiados y las tecnologías de sensores multiparamétricos. Presenta soluciones de sensores de calidad del aire y plataformas de desarrollo de Sensirion, Metis Engineering y Spec Sensors, junto con dispositivos complementarios de Infineon Technologies, e incluye sugerencias para acelerar el proceso de desarrollo.

Los sensores de partículas (PM) proporcionan recuentos para tamaños específicos de partículas como PM2.5 y PM10, que corresponden a partículas con diámetros de 2.5 micras y 10 micras, respectivamente, así como otros tamaños de partículas según lo requiera la aplicación específica. Los contadores ópticos de partículas (OPC) son una tecnología específica de PM que hace pasar el aire a medir por una célula de medición que contiene un láser y un fotodetector (Figura 1). Las partículas del aire dispersan la luz del láser y el detector mide la luz dispersada. La medición se convierte en concentración de masa en microgramos por metro cúbico (μg/m³) y cuenta el número de partículas por centímetro cúbico (cm³). Contar las partículas con un OPC es sencillo, pero convertir esa información en un número de concentración de masa es más complejo. El software utilizado para la conversión debe tener en cuenta los parámetros ópticos de las partículas, como la forma y el índice de refracción. Como resultado, los OPC pueden sufrir una mayor inexactitud en comparación con otros métodos de detección de PM, como las tecnologías gravimétricas directas basadas en el peso.

Figura 1: Un OPC utiliza un láser y un fotodiodo para contar las partículas en el aire. (Fuente de la imagen: Sensirion)

No todos los OPC son iguales. Los OPC de laboratorio, muy precisos y caros, pueden contar cada partícula en la célula de medición. Existen OPC comerciales de menor coste que muestrean sólo un 5% de las partículas de aerosol y utilizan técnicas de estimación basadas en software para llegar a una "medición" global. En particular, la densidad de las partículas de gran tamaño, como las PM10, suele ser muy baja y no pueden medirse directamente con los OPC de bajo costo.

A medida que aumenta el tamaño de las partículas, el número de éstas en una masa determinada disminuye drásticamente. En comparación con un aerosol de partículas PM1.0, un aerosol con partículas PM8 tiene unas 500 veces menos partículas para una masa determinada. Para medir partículas más grandes con la misma precisión que las pequeñas, un OPC de bajo coste tiene que integrar los datos durante varias horas para llegar a una estimación. Afortunadamente, los aerosoles tienen distribuciones bastante consistentes de partículas pequeñas y grandes en los entornos del mundo real. Con algoritmos bien diseñados, es posible estimar con precisión el número de partículas más grandes, como las PM4.0 y las PM10, utilizando mediciones de partículas PM0.5, PM1.0 y PM2.5.

Sensores amperométricos de gas

En lugar de medir el número de partículas, los sensores amperométricos miden las concentraciones de gas. Son dispositivos electroquímicos que producen una corriente linealmente proporcional a la fracción volumétrica del gas que se mide. Un sensor amperométrico básico consta de dos electrodos y un electrolito. La concentración de gas se mide en el electrodo sensor, que consiste en un metal catalítico que optimiza la reacción del gas a medir. El gas reacciona con el electrodo sensor después de entrar en el sensor a través de una barrera de difusión capilar. El contraelectrodo actúa como una semicelda y completa el circuito (Figura 2). Un circuito externo mide el flujo de corriente y determina la concentración de gas. En algunos diseños, se incluye un tercer electrodo de "referencia" para mejorar la estabilidad, la relación señal-ruido y acelerar el tiempo de respuesta del sensor amperométrico básico.

Figura 2: Los sensores amperométricos utilizan dos electrodos separados por un electrolito para medir las concentraciones de gases. (Fuente de la imagen: Spec Sensor)

Sensor multiparamétrico para baterías

El control de la calidad del aire es sólo el principio de los sensores diseñados para proteger los paquetes de baterías de los vehículos eléctricos y las instalaciones BESS. Estos sensores controlan la presión, la temperatura del aire, la humedad, el punto de rocío y el contenido absoluto de agua, además de los compuestos orgánicos volátiles (COV) como el metano (CH₄), el etileno (C₂H₄), el hidrógeno (H₂), el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO₂). Durante la primera fase de venteo de la batería, el producto gaseoso de una batería común de iones de litio con un cátodo de níquel, manganeso y cobalto tiene una composición química conocida (Figura 3). La concentración de hidrógeno es crítica; si se acerca al 4%, el límite inferior de explosividad del hidrógeno, existe la posibilidad de una explosión o un incendio. Deben tomarse medidas para evitar que la célula entre en embalamiento térmico. El sensor de presión puede detectar pequeños aumentos de presión en el interior de una batería causados por la ventilación. Los falsos positivos pueden evitarse cruzando cualquier aumento de la presión con las otras mediciones del sensor.

Figura 3: Una mezcla específica de gases es característica de la primera fase del venteo de la batería (Fuente de la imagen: Metis Engineering)

Este sensor multiparamétrico también supervisa la condición de funcionamiento demasiado frío. Los grandes paquetes de baterías de los vehículos eléctricos y los BESS suelen incluir una refrigeración activa para evitar que los paquetes se sobrecalienten cuando se cargan o descargan. Si se enfrían demasiado, la temperatura interna puede descender por debajo del punto de rocío, lo que provocaría la condensación en el interior del pack, lo que podría provocar un cortocircuito en las células y causar un desbordamiento térmico. El sensor de punto de rocío alerta al BMS antes de que la condensación pueda acumularse en los terminales de la batería.

Sensor láser AQ

Los diseñadores de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), purificadores de aire y aplicaciones similares pueden utilizar el sensor de PM SPS30 de Sensirion para controlar la calidad del aire en interiores o exteriores. Los sensores SPS miden las concentraciones en masa de PM1.0, PM2.5, PM4 y PM10, así como el recuento de partículas PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 y PM10. Tiene una precisión de concentración de masa de ±10%, un rango de concentración de masa de 0 a 1000 μg/m³, y una vida operativa de más de diez años. El SPS30 incluye una interfaz I²C para conexiones cortas y una UART7 para cables de más de 20 centímetros (cm).

Se puede activar un modo de limpieza automática del ventilador a un intervalo preestablecido para garantizar la consistencia de las mediciones. La limpieza del ventilador acelera el ventilador a la máxima velocidad durante 10 segundos y sopla el polvo acumulado. La función de medición de PM está desconectada durante la limpieza del ventilador. El intervalo de limpieza por defecto es semanal, pero pueden establecerse otros intervalos para satisfacer los requisitos específicos de la aplicación.

Kits de desarrollo y arranque seguro

La placa de evaluación del sensor del monitor de calidad del aire SEK-SPS30 puede utilizarse para conectar el SPS30 a un PC y comenzar a explorar las capacidades de este sensor de PM. Además, DigiKey ofrece una plataforma para combinar los sensores de calidad del aire de Sensirion con las MCU PSoC 6 de Infineon para desarrollar sistemas inteligentes de monitorización de la calidad del aire de próxima generación. Para los sistemas de edificios inteligentes en los que la privacidad es una preocupación, PSoC 6 admite el arranque seguro y las actualizaciones de firmware seguras (Figura 4).

Figura 4: Este kit de desarrollo de Sensirion e Infineon puede implementar el arranque seguro y las actualizaciones seguras del firmware. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Sensor del paquete de baterías

Los diseñadores de baterías para vehículos eléctricos y BESS pueden utilizar el CANBSSGEN1 de Metis Engineering para controlar la seguridad de las baterías. Está diseñado para detectar fallos tempranos debidos a la ventilación de las células. Este sensor basado en el bus CAN incluye un filtro de aire reemplazable y es especialmente útil en los vehículos eléctricos (Figura 5). Un acelerómetro opcional puede supervisar los choques de hasta 24G y la duración del impacto, lo que permite al sistema identificar cuándo el paquete de baterías ha sido expuesto a choques por encima de los niveles de seguridad. Puede medir:

• Presión absoluta de 0.2 a 5.5 bar
• Temperaturas del aire de -30 °C a +120 °C
• COV,CO₂ equivalente (eCO₂) y H₂ en partes por billón (ppb)
• Humedad absoluta en miligramos de vapor de agua por metro cúbico (mg/m³)
• Temperatura del punto de rocío

Figura 5: Este sensor del monitor de seguridad de la batería incluye un filtro de aire reemplazable (círculo blanco central). (Fuente de la imagen: Metis Engineering)

Kit de desarrollo de sensores CAN

El kit de desarrollo DEVKGEN1V1 ayuda a acortar el tiempo de integración del sistema cuando se utilizan sensores CAN de Metis. Los sensores incluyen una velocidad y una dirección de bus CAN configurables, junto con una base de datos DBC CAN que admite la integración en casi cualquier vehículo con bus CAN. El kit de desarrollo básico puede ampliarse, lo que permite a los desarrolladores añadir más sensores a la red CAN.

Sensor de calidad del aire interior

Los diseñadores de sistemas de control de la calidad del aire en interiores y en vehículos pueden utilizar el 110-801 de SPEC Sensors. El 110-801 es un sensor de gas amperométrico serigrafiado que puede detectar una amplia gama de gases asociados a la mala calidad del aire, como los alcoholes, el amoníaco, el monóxido de carbono, varios gases olorosos y los sulfuros. La respuesta de estos sensores es linealmente proporcional a la fracción volumétrica del gas que se mide, lo que simplifica la integración del sistema (Figura 6). Otras características de este sensor de 20 x 20 x 3 mm son:

• Sensibilidad en partes por millón (ppm)
• Menos de diez microvatios (μW) de potencia del sensor
• Rango de temperatura de funcionamiento de -10 °C a +40 °C (funcionamiento continuo de 0 °C a +40 °C)
• Funcionamiento robusto y estable en presencia de una amplia gama de contaminantes

Figura 6: Este sensor de gas amperométrico serigrafiado puede medir la presencia de diversos gases. (Fuente de la imagen: Spec Sensors)

Integración del sensor de gas amperométrico

Un circuito potenciostático controla el potencial del electrodo de trabajo en un sensor de gas amperométrico y convierte la corriente del electrodo en una tensión de salida (Figura 7). La tensión en el pin 2 del amplificador operacional (op amp) U1 establece la tensión del electrodo de referencia, y el potencial del electrodo de trabajo es fijado por el pin 6 del op amp U2. El amplificador óptico U2 también convierte la salida de corriente del sensor en una señal de tensión. Al mismo tiempo, el amplificador operacional U1 suministra al contraelectrodo una corriente igual a la del electrodo de trabajo.

Figura 7: Circuito simplificado del potenciostato utilizado para implementar la detección de gases mediante un sensor amperométrico. (Fuente de la imagen: Spec Sensors)

Resumen

Como se ha visto, los diseñadores disponen de una serie de tecnologías de sensores de calidad del aire entre las que elegir a la hora de diseñar sistemas de vigilancia ambiental. Los OPC pueden utilizarse para controlar los niveles de partículas potencialmente peligrosas en interiores y exteriores. Los sistemas multisensoriales basados en CAN pueden supervisar la ventilación de la primera etapa en los paquetes de baterías de los vehículos eléctricos y los BESS y ayudar a prevenir el desbordamiento térmico y los posibles incendios o explosiones. Los sensores amperométricos de gas de baja potencia y serigrafiados pueden utilizarse para detectar una amplia gama de gases que provocan una mala calidad del aire.