Uvnitř automobilu senzory identifikují těkavé organické sloučeniny a vysoké úrovně CO2, které mohou vyvolat zdravotní problémy. V bateriové části elektroauta lze senzory použít k detekci vysokých hladin vodíku, a díky tomu může řídící systém baterie reagovat a zabránit zničení celého bateriového systému.
Senzory používané v těchto aplikacích musí být kompaktní, nízkoenergetické a měli by umožnovat bezpečné spouštění a zabezpečené aktualizace firmware. Často je nutné použít více senzorů, aby bylo pokrylo široké spektrum plynů v ovzduší. Na trhu jsou k dispozici senzorové moduly, které jsou již zkalibrovány ve výrobě a navíc obsahují konektivitu přímo do cloudu nebo pomocí sběrnice CAN do místní sítě.
Tento článek začíná srovnáním optických čítačů částic. elektrochemických a víceparametrových senzorových technologií. Dále představí vývojové platformy od Sensirion, Metis Engineering a Spec Sensors spolu s doprovodnými zařízeními od Infineon Technologies.
Senzory částic (PM - Particulate Matter) poskytují počty částic konkrétní velikosti jako je PM2,5 a PM10, které odpovídají částicím s průměrem 2,5 mikronu, respektive 10 mikronů.
Optické čítače částic (OPC - Optical Particle Counters) jsou specifickou technologií PM, kde měřený vzduch prochází přes měřicí buňku, která obsahuje laser a fotodetektor (obrázek 1). Částice ve vzduchu rozptylují světlo z laseru a rozptýlené světlo dopadá na detektor. Měření se převádí na hmotnostní koncentraci v mikrogramech na metr krychlový (μg/m3) a počítá počet částic na centimetr krychlový (cm3). Počítání částic pomocí OPC je přímočaré, ale převod této informace na číslo hmotnostní koncentrace je složitější. Software použitý pro tento převod musí vzít v úvahu optické parametry částic, jako je tvar a index lomu. V důsledku toho mívají OPC senzory větší nepřesnost ve srovnání s jinými metodami snímání PM jako jsou přímé gravimetrické technologie založené na hmotnosti.
Obrázek 1: OPC používá laser a fotodiodu k počítání částic ve vzduchu. (Zdroj obrázku: Sensirion)
Vysoce přesné a drahé OPC senzory laboratorní kvality dokážou spočítat každou částici v měřicí buňce. Dostupné jsou levnější OPC senzory komerční kvality, které dokážou spočítat pouze asi 5 % aerosolových částic. Hustota velkých částic, jako je například PM10, je obvykle velmi nízká a nelze ji přímo měřit pomocí levných OPC. S rostoucí velikostí částic dramaticky klesá jejich počet v daném obsahu.
Ve srovnání s aerosolem s částicemi PM1,0 má aerosol s částicemi PM8 pro danou hmotnost asi 500krát méně částic. Aby bylo možné měřit větší částice se stejnou přesností jako malé částice, musí levný OPC sbírat data během několika hodin, aby se dospělo k přesnějšímu výsledku. Naštěstí mají aerosoly poměrně konzistentní rozdělení malých a velkých částic v reálném prostředí. Se správně navrženými algoritmy je možné přesně odhadnout počet větších částic, jako jsou PM4,0 a PM10, pomocí měření částic PM0,5, PM1,0 a PM2,5.
Amperometrické senzory plynu
Amperometrické senzory určují přímo koncentraci plynů, ne počet částic. Jedná se o elektrochemická zařízení, která produkují proud lineárně úměrný objemovému podílu měřeného plynu. Základní amperometrický senzor se skládá ze dvou elektrod a elektrolytu. Koncentrace plynu se měří pomocí snímací elektrody, která se skládá z katalytického kovu. Tento kov optimalizuje reakci měřeného plynu. Plyn reaguje se snímací elektrodou přes kapilární difúzní bariéru. Protielektroda funguje jako poloviční článek a doplňuje tak obvod do finální podoby(obrázek 2). Externí okruh měří průtok proudu, a tím se určí koncentrace plynu. V některých provedeních je zahrnuta třetí „referenční“ elektroda pro zlepšení stability, dosáhnutí lepšího odstupu signálu od šumu a zkrácení doby odezvy senzoru.
Obrázek 2: Amperometrické senzory používají k měření koncentrací plynů dvě elektrody oddělené elektrolytem. (Zdroj obrázku: Spec Sensor)
Víceparametrový senzor pro bateriové sady
Senzory určené k ochraně bateriových sad v elektrických vozidlech monitorují tlak, teplotu vzduchu, vlhkost, rosný bod a absolutní obsah vody. Navíc jsou schopny monitorovat těkavé organické sloučeniny jako je metan (CH 4 ), etylen (C2H4), vodík (H2), oxid uhelnatý (CO) a oxid uhličitý (CO2).
Odvětrávaná článková baterie používá přetlakový ventil, který umožňuje plynům produkovaným během jejího normálního provozu unikat ven, aby se zabránilo prasknutí pouzdra článku. Během první fáze odvzdušnění běžné lithium-iontové baterie s nikl-manganovou a kobaltovou katodou má uvolněný plyn známé chemické složení (obrázek 3). Nejkritičtější je množství koncentrace vodíku. Pokud se blíží hranici 4 %, hrozí výbuch nebo vznik požáru. Proto je nutné přijmout opatření, která zabrání, aby se bateriový článek nedostal do nestabilního stavu. Tlakový senzor dokáže detekovat i nepatrné zvýšení tlaku uvnitř baterie způsobené odvzdušněním.
Obrázek 3: Specifická směs plynů je charakteristická pro první fázi odvzdušnění baterie (zdroj obrázku: Metis Engineering)
Tento multiparametrový senzor monitoruje také teplotu, zejména tu nízkou. Velké akumulátory v elektro vozidlech obsahují aktivní chlazení, které zabraňuje přehřátí akumulátoru při nabíjení nebo vybíjení. Pokud jsou příliš ochlazeny, může vnitřní teplota klesnout pod rosný bod, a to má za následek kondenzaci uvnitř baterie. Tato kondenzace může způsobit zkrat článků a následnou tepelnou destrukci. Snímač rosného bodu upozorní řídící systém baterie BMS (Battery Managment System) dříve, než se na svorkách baterie nashromáždí nebezpečný kondenzát.
Laserový senzor AQ
V systému vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC), čističek vzduchu a podobných aplikací lze používat senzor Sensirion SPS30 PM ke sledování kvality vzduchu jak uvnitř tak i venku. Senzory SPS měří hmotnostní koncentrace PM1,0, PM2,5, PM4 a PM10 a také počty částic PM0,5, PM1,0, PM2,5, PM4 a PM10. Přesnost měření hmotnostní koncentrace dosahuje ±10 %, v rozsahu 0 až 1000 μg/m3. Provozní životnost těchto senzorů je přes deset let. SPS30 obsahuje rozhraní I2C pro krátká připojení a UART7 pro kabely delší než 20 cm.
Režim automatického čištění ventilátoru lze spustit v předem nastaveném intervalu, aby byla zajištěna konzistentní měření. Čištění zrychlí ventilátor na maximální rychlost po dobu 10 sekund a vyfoukne nahromaděný prach. Funkce měření PM je během čištění ventilátoru offline. Výchozí interval čištění je týdenní, ale lze nastavit i jiné intervaly, aby byly splněny specifické požadavky aplikace.
Vývojové sady a bezpečný start
Pomocí vývojové desky SEK-SPS30 lze připojit SPS30 k počítači a začít se seznamovat s jeho vlastnostmi. Digi-Key nabízí ucelenou platformu pro kombinaci senzorů kvality vzduchu Sensirion s MCU PSoC 6 od Infineonu. Tato kombinace je určena pro vývoj inteligentních monitorovacích systémů kvality ovzduší nové generace. U systémů inteligentních budov, kde je kladen důraz na soukromí, je PSoC 6 ideální volbou, jelikož podporuje bezpečné spouštění a zabezpečené aktualizace firmware (obrázek 4).
Obrázek 4: Tato vývojová sada od Sensirion a Infineonu obsahuje bezpečné spouštění a zabezpečené aktualizace firmware. (Zdroj obrázku: Digi-Key)
Senzor navržený přímo pro baterie
Pro monitorování bezpečnosti baterie je vhodné použít sensor CANBSSGEN1 od Metis Engineering. Tento snímač s podporou sběrnice CAN obsahuje vyměnitelný vzduchový filtr (obrázek 5). Lze zvolit typ s akcelerometrem a monitorovat tak otřesy až do 24G a také dobu trvání nárazu. To systému umožňuje identifikovat, kdy byla baterie vystavena nebezpečným otřesům. Sensor dokáže měřit:
- Absolutní tlak 0,2 až 5,5 bar
- Teplotu vzduchu -30°C až +120°C
- VOC, ekvivalent CO2 (eCO 2 ) a H2 ppb
- Absolutní vlhkost v mg/m3
- Teplotu rosného bodu
Obrázek 5: Tento snímač pro bezpečnost baterie obsahuje vyměnitelný vzduchový filtr (bílý kruh uprostřed). (Zdroj obrázku: Metis Engineering)
Vývojový sada s podporou CAN
Vývojová sada DEVKGEN1V1 pomáhá zkrátit dobu integrace senzorů Metis CAN. V senzorech lze konfigurovat rychlost a adresu sběrnice CAN spolu s databází DBC CAN, která podporuje integraci do téměř jakéhokoli vozidla se sběrnicí CAN. Základní vývojovou sadu lze jednoduše rozšířit a umožnit tak přidávání dalších senzorů do sítě CAN.
Senzor kvality vzduchu v interiéru
Pro monitorování kvality vzduchu v interiéru a ve vozidlech v prostoru pro cestující je určen sensor 110-801 od SPEC Sensors. 110-801 je amperometrický senzor plynu, který dokáže detekovat širokou škálu plynů spojených se špatnou kvalitou vzduchu, včetně alkoholů, čpavku, oxidu uhelnatého a různých zapáchajících plynů a sulfidů. Odezva těchto senzorů je lineárně úměrná objemovému podílu měřeného plynu, a to zjednodušuje integraci systému (obrázek 6). Mezi další vlastnosti tohoto snímače o velikosti 20 x 20 x 3 mm patří:
- Dokáže měřit s citlivostí na ppm
- Spotřeba senzoru menší než deset μW
- Rozsah provozních teplot -10°C až +40°C (0°C až +40°C nepřetržitý provoz)
- Robustní a stabilní provoz v přítomnosti široké škály nečistot
Obrázek 6: Tento amperometrický senzor plynu může měřit přítomnost různých plynů. (Zdroj obrázku: Spec Sensors)
Integrace amperometrického senzoru plynu
Obvod potenciostatu (Potenciostat je elektronický hardware potřebný k ovládání tříelektrodového článku a provádění většiny elektroanalytických experimentů) řídí potenciál pracovní elektrody v amperometrickém senzoru plynu a převádí proud elektrody na výstupní napětí (obrázek 7). Napětí na pinu 2 operačního zesilovače U1 nastavuje napětí referenční elektrody a potenciál pracovní elektrody se nastavuje na pinu 6 operačního zesilovače U2. Operační zesilovač U2 také převádí proudový výstup ze snímače na napěťový signál. Operační zesilovač U1 zároveň dodává do protielektrody proud, který se rovná proudu pracovní elektrody.
Obrázek 7: Zjednodušený obvod potenciostatu používaný k implementaci detekci plynu pomocí amperometrického senzoru. (Zdroj obrázku: Spec Sensors)
Závěr:
Při navrhování monitorovacích systémů prostředí je na výběr řada technologií senzorů kvality vzduchu. OPC sensory lze použít k monitorování potenciálně nebezpečných úrovní částic uvnitř i venku. Multisenzorové systémy se sběrnicí CAN mohou monitorovat první stupeň ventilace v bateriových sadách elektro vozidlech a pomáhají předcházet tepelnému zničení článku a možným požárům nebo výbuchům. Nízkoenergetické, amperometrické plynové senzory lze použít k detekci široké škály plynů, které způsobují špatnou kvalitu vzduchu.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
