Boj za lepší vzduch začíná na desce. Nejlépe samostatné

Senzory určené k monitorování okolního prostředí doznaly poslední dobou výrazných změn. A tak stejně jako u sledovaných parametrů, které prostě „nevidíme“, bude stále složitější spatřit pouhým okem už jen samotná čidla. Zákazník požaduje miniaturní řešení a také je i dostane. Vývojář má pokaždé z čeho vybírat a mohlo by se zdát, že nakonec zůstanou spokojené obě strany. Jsou však rozměry počítané na setiny milimetru zase až takovou výhrou?

Ne vše je nositelné

Zavděčit se s jedinou velikostí čipu úplně všem dost dobře ani nejde. Pravda, senzory většinou stejně skončí na desce plošného spoje, ale bude se jednat o tutéž DPS, nebo je potřeba snímat odděleně a navrhovat pro zmiňované účely samostatné moduly s vyvedeným kabelem? Ve společnosti Sensirion dávají naštěstí na výběr.

Na stránkách DPS jsme již dříve upozorňovali na kombinovaná řešení pro souběžná měření teploty a relativní vlhkosti, např. s moduly SCC30-DB, která půjde v našem zařízení umístit prakticky kdekoli. Stačí jen zapojit kabel [1]. Smysl však dává i vyčnívající řešení snímače SHT85 se čtyřmi nožkami a třeba i krytím IP67 [2], kdy opětovně potlačujeme vliv zdrojů tepla generovaného na hlavní desce, zajišťujeme lepší vazbu na okolní prostředí a ještě přitom podporujeme snadnou výměnu. Výslednou podobu obou systémů zachycuje obr. 1.

Spousta aplikací však bude klást důraz také na kvalitu vzduchu, který ostatně sami dýcháme. Výrobce pamatuje i na tuto velmi vděčnou oblast a připravil flexibilní „combo“ označené jako SVM30. Modul představený letos v dubnu [3] proto zahrnuje čidlo SGP30 a na pozici snímače vlhkosti nebo i teploty pak SHTC1. Z pohledu nositelné elektroniky může deska o rozměrech 39 × 15 × 6,5 mm vypadat sice „neohrabaně“, nicméně systémy topení a vzduchotechniky HVAC, čističky vzduchu nebo i další elektrické spotřebiče svým provedením na obr. 2 rozhodně neuráží. Právě naopak.

V ppb i ppm

Základní představu o činnosti kombinovaného modulu „Multi-Gas“ senzorů od společnosti Sensirion zprostředkuje blokové schéma z obr. 3. Systém SVM30, který je plně kalibrovaný a stejně tak i testovaný již od výroby, nabízí výměnou za jednoduché napájení v rozmezí od 4,5 až do 5,5 V číslicové vyjádření celkem čtyř parametrů souvisejících s kvalitou vzduchu uvnitř budov. Pomocí rozhraní I²C tak vyčteme informace o koncentracích těkavých organických látek (tVOC), pracujeme s ekvivalentním vyjádřením CO2eq a chybět zde pochopitelně nesmí ani zmínka o relativní vlhkosti RH či teplotě.

Návrh staví na odolném snímači s větším počtem prvků, resp. bodů, dlouhodobou stabilitou a nízkým driftem, který má dle zrychleného testu pro signály označené jako Ethanol a H2 dosahovat po roce provozu typické úrovně 1,3 % z měřené hodnoty. V případě výstupu tVOC výrobce dále udává rozsah od nuly až po 60 000 ppb a u CO2eq pak záběr mezi 400 a 60 000 ppm. Zde již ale musíme počítat s vlastním kompenzačním algoritmem optimalizovaným pro vzorkování rychlostí jedenkrát za sekundu, se kterou snímač dosahuje i nejlepších výsledků. Pokud jde o druhý senzor, při měření relativní vlhkosti uvažujeme toleranci ±5,0 % RH a u teploty pak ve středním rozsahu ±1 °C. Čidlo přitom aktivně zvládá záběr od –20 až do +85 °C.

Pevně, ale s rozvahou

Při pohledu na klasické zapojení modulu SVM30 z obr. 4 se čtyřmi vývody pro hodiny, data či napájení vypadá vše jednoduše. Abychom ale dosáhli odpovídající vazby čidel na vnější prostředí, potřebujeme dodržet několik pravidel [4]. Předně je nezbytné osazovat modul v místech s dobrým přístupem k okolnímu vzduchu, který zde bude pokud možno zároveň i proudit. Jestliže se v návrhu počítá s ventilátorem, bude lepší destičku zapojit ještě před něj a vyloučit přitom riziko, že výsledky měření ovlivní teplo generované ventilátorem. Vyplatí se rovněž respektovat šipky vyznačené na obr. 5.

Pokud však nelze s průtokem vzduchu počítat, zapracujeme kombinovaný modul alespoň tak, aby společný snímač pro vlhkost a teplotu zůstal pod úrovní druhého ze senzorů a nebyl znovu ovlivněn tepelným prouděním. Tentokrát od zahřátého čidla SGP30, jehož proudový odběr se svou velikostí 48 mA drtivou měrou rovněž podílí na celkové spotřebě modulu. Jak ostatně potvrzují experimenty, z hlediska vyvíjeného ztrátového tepla bude vhodnější osazovat desku plošného spoje ve svislé poloze. Je také vhodné, aby základna, ke které vše nakonec i připevníme, končila poblíž konektoru a nezasahovala již do prostoru vyhrazeného čidlu RH/T. Stojí za povšimnutí, že při objednání modulu lze vybírat ze dvou různých typů konektoru.

Jak již bývá v Sensirionu dobrým zvykem, také zde za veškerými senzory stojí technologie CMOSens®. Na jediném čipu se proto nachází kompletní řešení zahrnující snímací prvky, zpracování analogového i číslicového signálu, A/D převod, kalibrace, paměť a samozřejmě i komunikační rozhraní I²C. Výsledné součástky navíc nezaberou mnoho místa a hezky se budou vyjímat i na modulech, které pro ně speciálně navrhl sám výrobce.