česky english Vítejte, dnes je středa 08. prosinec 2021

Senzory kvality vzduchu. Nový pohled na snímání okolního prostředí

DPS 3/2021 | Součástky - články
Autor: Bill Schweber pro Mouser Electronics

V praxi jsme se vždy potkávali s obrovskou potřebou elektronických čidel, která měla umět pracovat s nejrůznějšími fyzikálními jevy – světlem, tlakem, zvukem a samozřejmě též i teplotou, coby nejčastěji snímaným parametrem. Dobrou zprávou je, že u řady těchto měření docházelo z hlediska špičkových technických parametrů, nízké ceny a také jednoduchého způsobu nasazení senzorů k výrazným pokrokům.

Další vývoj se přitom často odvíjel od technologie mikroelektromechanických systémů MEMS. Například vyhodnocení polohy a pohybu, tedy dvou spolu úzce souvisejících fyzikálních vlastností, které již tradičně kladou na měření ty největší nároky, je nyní takřka triviální záležitostí, kterou řešíme díky široké dostupnosti nepatrných křemíkových akcelerometrů a gyroskopů. Zcela běžně je používáme pro účely navigace v dronech a také k zajištění bezpečnosti u automobilů.

Obr. (jpg)

V jedné oblasti měření jsme přesto dlouho nedokázali vyvinout špičkové senzory, které by nestály moc peněz a ještě přitom spotřebovaly málo energie. Jedná se o snímání výparů a plynů, potažmo pachů. K vývoji citlivé a také univerzální schopnosti čichat odéry na úrovni psího čumáku, nebo snad i lidského nosu ještě stále vede dlouhá cesta. Čidla pro plyny, těkavé organické látky VOC (Volatile Organic Compound), a dokonce i vlhkost byly na vývoj obzvláště náročné. Rovněž se hůře používaly, kalibrovaly a v porovnání s teplotními čidly také integrovaly. Ale nejen to. Senzory plynů často používají odlišné formáty svého analogového výstupu, což zde zahrnuje příslušné rozsahy, volbu mezi napětím a proudem, časování nebo i další odlišnosti – viz obr. 1.

Problém vynikne v případě, kdy potřebujeme na jediném místě změřit větší počet různých proměnných. Jednoduché a také efektivní rozhraní pro různé druhy dostupných snímacích řešení zde pak snižuje počet vhodných senzorů, vnáší potřebu přizpůsobovacích obvodů zajišťujících jednotný výstupní formát nebo také znamená rozhraní s různými výstupními formáty.

Za uplynulých deset let každopádně došlo k výraznému pokroku, protože struktury MEMS a také související polovodiče zásadním způsobem změnily situaci a umožnily tím pro konkrétní plyny vznik nízkopříkonových levných čidel. Posun kupředu se však zprvu dotýkal přesně stanovených aplikací a snímačů pro spouštění airbagů, spíše než aby se jednalo právě o čidla plynů. Takový výzkum, vývoj a komercializace výsledků nicméně otevřely cestu k dalšímu pokroku v oblasti snímačů MEMS zahrnujících měření tlaku, VOC a oxidu uhličitého (CO2). K dispozici tak nyní máme běžně dostupné mikročipové obvody pro základní měření s plyny a tekutinami, které dále podporují možnosti kalibrace, další integrované vlastnosti a více pevně daných funkcí.

Trend: jedno místo, ale více faktorů

S tím, jak u senzorů docházelo ke zlepšování v otázce jejich základních vlastností, možností jednoduchého zapojení, ceny a také požadavků kladených na napájení, zde zároveň byla patrná i tendence snímat na každém místě větší počet parametrů. Odráží to odklon od předešlých architektur, se kterými šlo společně zkoumat a měřit pouze teplotu, a snad i vlhkost, zatímco např. VOC a CO2 již byly řešeny někde úplně jinde. Díky novějším senzorům je však možné, a skutečně to dává smysl, pokaždé integrovat celý soubor čidel, zatímco vzájemnou konektivitu zajišťujeme prostřednictvím jediné trasy, drátově či bezdrátově.

Prokážeme tím dobrou službu nejrůznějším aplikacím, které od senzorů vyžadují údaje o spoustě parametrů. Může se přitom jednat o řízení osvětlení, automatizaci budov, zabezpečení, detekci pohybu a přítomnosti osob, chytré domácnosti, propojené domovy, sledování kvality vzduchu a také řízení energií. Pokud navíc zkombinujeme kompletní soupisku požadovaných čidel v rámci jediné součástky, mohou vývojáři elektronických systémů, jejich projekty, a dokonce i koncoví uživatelé těžit z rychlejší cesty produktu na trh, návrhů, které neskýtají tolik „překvapení“, a také nižších nákladů na montáž. Vývojáři již totiž nepotřebují řešit jednotlivé senzory, ale ani jejich rozhraní. Ledaže by něco takového vyloženě potřebovali nebo si tak přáli sami činit. Průmyslové prostředí, komerční prostory, instituce, ale rovněž i naše obydlí – zde všude tak bude možné s nízkými náklady pohodlně rozmístit systémy vybavené multifunkčním čidlem pro zkoumání okolního prostředí.

Obr.č. 1 (jpg)

S ohledem na nové možnosti, které tyto multisenzory nabídnou, výrobci připravili malé destičky a také moduly nabízející při snímání výběr běžně vyžadovaných funkcí, které zde pasují do role snadno použitelných, kompletních kalibrovaných řešení s vysokou mírou integrace určených právě pro výše zmiňované aplikace. Na dvou produktech si nyní ukážeme, jak změny ve způsobu integrovaného snímání více proměnných, včetně těch, které nějak souvisejí s plyny, celou věc výrazně zjednodušují a ještě k tomu otevírají i nové příležitosti.

Obr.č. 2 a 3 (jpg)

OO Modul senzoru AmbiMate řady MS4 od TE Connectivity

Toto řešení od TE Connectivity cílí na pevné instalace, třeba v rámci budov, a jako deska plošného spoje měří pouhých 16 × 30 mm – viz obr. 2. Modul senzoru AmbiMate řady MS4 z dílny TE Connectivity umožňuje snímat známé parametry související s okolním prostředím a přítomností osob – pohyb prostřednictvím pasivního infračerveného detektoru PIR, světlo, teplotu a vlhkost. Nechybí zde ani možnost detekce zvuku s využitím mikrofonu (volitelně), snímání VOC s ohledem na kvalitu okolního vzduchu a nebezpečné podmínky nebo měření CO2 – viz také obr. 3.

Modul snímače AmbiMate k napájení využívá jednoduchého zdroje 3,3 VDC (jmenovitě a s minimem v podobě 3,1 V), zatímco při dosahování nízké výkonové ztráty, vysoké míry spolehlivosti a také dlouhé výdrže při napájení z připojené baterie odebírá pouze 10 mA, resp. 33 mA pokud budeme uvažovat možnost detekce VOC / CO2. Přesnost při měření teploty dosahuje ±0,3 °C v pásmu od +5 °C do +50 °C, přičemž u snímání vlhkosti v rozmezí od 5 až do 95 % relativní vlhkosti (RH) počítejme se dvěma procenty. Údaje jak z teplotního čidla, tak i senzoru vlhkosti lze přitom aktualizovat každou sekundu.

Tabulka (jpg)

V případě funkcí pro práci s plyny modul zpracuje VOC s koncentracemi od nuly až do 1 187 ppb (parts per billion) a za předpokladu měření CO2 pak od 400 do 8 192 ppm (parts per million). Oba odečty zde při sběru dat vyžadují 60sekundové periody.

Modulu se můžeme kdykoli dotazovat prostřednictvím jeho 100kbaudového rozhraní I²C (inter-integrated circuit). K dispozici je rovněž vývod pro události řízené na základě přerušení zahrnující detekci pohybu a hladiny zvuku s odezvou do 0,5 s. Výstup audioalarmu má citlivost mezi –25 dBV a –19 dBV při uvážení kmitočtového rozsahu 100 Hz až 10 kHz.

Obr.č. 4 (jpg)

Integrovaný snímač okolního prostředí Bosch Sensortec BME680

Oproti modulu AmbiMate bude integrovaný snímač okolního prostředí Bosch Sensortec BME680 nabízet senzory plynu, tlaku, vlhkosti a teploty s velkou přesností a vysokou linearitou v pouzdře navrženém speciálně pro potřeby mobilních aplikací a nositelných zařízení. Drobné provedení pouzder typu LGA (Land Grid Array) s kovovým víčkem zabírá plochu o velikosti 3 × 3 mm, zatímco na výšku měří jen 0,95 mm – viz obr. 4. Aby výrobce dále zjednodušil propojení s různými procesorovými systémy, podporuje jedno I²C a také dva formáty I/O sériového rozhraní SPI (Serial Peripheral Interface, viz také obr. 5).

BME680 může dobře posloužit k vyhodnocení zastoupení VOC obsažených v barvách, lacích, odstraňovačích nátěrů, kancelářském vybavení, lepidlech, pojivech či alkoholu. Systém zahrnuje vlastní kalibraci a vedle etanolu rovněž prozkoumá lidský dech s ohledem na VOC a další důležité složky dle tabulky 1.

Funkce snímače BME680 spojené s detekcí plynů demonstrují míru integrace a také sofistikovaný přístup, které jsou skutečně miniaturní součástce vlastní. V praxi to zahrnuje dva kroky:

1) nedílný horký plát senzoru je ohříván na příslušnou teplotu, zpravidla mezi +200 °C a +400 °C, udržovanou po nezbytnou dobu,

2) odpor vrstvy snímače citlivé na plyny je změřen a získaná hodnota pak spojena s odpovídající velikostí koncentrace VOC.

Při vývoji této součástky se veškeré úsilí soustředilo na snižování výkonové spotřeby, tedy klíčového parametru pro mobilní technologie a nositelné aplikace. Z tohoto důvodu obvod také pracuje s napájecím napětím od 1,71 V do 3,6 V.

Proudové požadavky se přitom za předpokladu rychlosti 1 Hz u každého senzoru nachází v řádu jednotek mikroampér, zatímco se v případě aktivního režimu snímače plynu vyšplhají přibližně na 12 mA. A pokud jde o klidovou spotřebu, dostáváme se v módu s mimořádně nízkým proudovým odběrem pod 0,1 mA, resp. na 0,15 μA pro režim spánku.

Závěr

Výrobci OEM (Original Equipment Manufacturer) již nemusí vybírat, nakupovat, mechanickou a také elektrickou cestou integrovat a nakonec i programovat větší počet senzorů pocházejících z různých zdrojů. Polovodičové součástky a také struktury MEMS s vysokou mírou integrace totiž v rámci jediného, miniaturního pouzdra s nízkou vlastní spotřebou umožňují zapracovat hned několik snímačů vhodných pro různé fyzikální proměnné.

Díky těmto pokrokům v technologiích jsme se do značné míry dokázali vypořádat dokonce i s tak náročnými požadavky, jako je měření VOC a CO2. Technické parametry snímače a také celého systému jsou nesporné a dobře známé, protože součástky provází podrobná dokumentace. Rovněž se výrazně zjednodušilo obvodové zapojení a pod efektivním zapracováním do systému se dále podepisují též i softwarové drivery a související nástroje. 

Obr.č. 5 (jpg)

Odkazy:

[1] https://www.mouser.com/new/TE-Connectivity/te-connectivityambimate-

sensor-module/

[2] https://www.mouser.com/new/bosch/bosch-sensortecbme680-

sensor/

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik