Spis treści:
W dobie rosnących problemów ze smogiem, monitorowanie stanu atmosfery nabiera coraz większego znaczenia dla zdrowia. Dowiedz się więcej o czujnikach jakości powietrza.
Zastosowanie czujników jakości powietrza
Elektroniczne czujniki jakości powietrza są obecnie wykorzystywane w wielu, pozornie całkowicie niezwiązanych ze sobą dziedzinach – począwszy od przemysłu, poprzez meteorologię i badania naukowe, a kończąc na monitorowaniu mikroklimatu, panującego w mieszkaniach i miejscach pracy. Wyróżnia się głównie trzy rodzaje takich czujników: optyczne, elektrochemiczne i półprzewodnikowe. Każdy z nich ma swoje unikalne cechy, oferuje inne możliwości pomiarowe, dokładność, łatwość integracji i oczywiście – cenę. W artykule przyjrzymy się wszystkim trzem typom dostępnych obecnie czujników jakości powietrza, które z powodzeniem można zastosować zarówno w we własnych, amatorskich projektach, jak i komercyjnych urządzeniach końcowych.
Czujniki optyczne
Czujniki optyczne, zwane także laserowymi (choć nie wszystkie tego typu urządzenia bazują stricte na laserowych źródłach światła), działają na zasadzie pomiaru intensywności rozproszonego w komorze pomiarowej światła, co pozwala na wykrywanie cząstek stałych zawieszonych w powietrzu (PM2.5, PM10, pył, dym papierosowy, czy też pyłki kwiatowe).
Doskonałym przykładem może być bardzo popularny moduł GP2Y1010AU0F firmy Sharp, zdolny do wykrywania cząstek o wielkości rzędu nawet 0.8 μm (!). Zaletą tych czujników jest ich wysoka czułość, umożliwiająca wykrywanie nawet niewielkich stężeń cząstek. Niestety, te same cechy konstrukcyjne, które leżą u podstaw zastosowanej metody pomiarowej, wiążą się także z główną wadą tych podzespołów – a jest nią tendencja do gromadzenia zabrudzeń, które mogą negatywnie wpływać na dokładność pomiarów. Z tego też względu optyczne sensory pyłu wymagają regularnej konserwacji.
Czujniki elektrochemiczne
Czujniki elektrochemiczne wykorzystują specyficzne reakcje redoks do wykrywania określonych gazów – m.in. tlenku węgla (CO), dwutlenku siarki (SO2) czy też różnych odmian tlenków azotu (określanych razem skrótem NOx).
Jako przykład możemy tutaj wymienić (dostępny w ofercie sklepu Botland) kompaktowy, niskoprofilowy czujnik formaldehydu (HCHO), bazujący na czujniku ZE08 i „obudowany” przez inżynierów marki DFRobot najważniejszymi obwodami peryferyjnymi, umożliwiającymi bezproblemową współpracę modułu z platformą Arduino.
Czujniki elektrochemiczne są przeważnie wysoce selektywne i czułe, a ich niewielki rozmiar umożliwia zastosowanie nawet w przenośnych urządzeniach. Z uwagi na budowę, opartą o cienką warstwę aktywnej chemicznie substancji (reagentu), czujniki z tej grupy są zwykle dość wrażliwe na zmiany temperatury i wilgotności, a ich żywotność jest ograniczona, co oznacza, że muszą być regularnie wymieniane. Co więcej, wiele czujników reaguje także – w mniejszym lub większym stopniu – na inne związki chemiczne i należy mieć to na uwadze wybierając element do bardziej wymagających aplikacji.
Czujniki półprzewodnikowe
Czujniki półprzewodnikowe, takie jak model MQ-135, reagują na obecność określonych gazów poprzez zmianę rezystancji, mierzonej na wyjściu. Czujnik MQ-135 jest w stanie wykrywać szereg gazów, w tym amoniak, benzen i alkohol, w zakresie od 10 do 300…1000 ppm (w zależności od substancji).
Elementy tego typu są stosunkowo tanie i mają dość długą żywotność, co czyni je atrakcyjnym wyborem dla wielu zastosowań, w których selektywność jest mniej istotna, niż czułość i szerokość zakresu pomiarowego. Z tego też względu sensory te spotykamy głównie w urządzeniach, których celem jest nie tyle pomiar dokładnych stężeń gazów, co raczej określenie ich ogólnej zawartości w powietrzu.
Kompaktowe moduły optycznych czujników pyłu - budowa i sposób użycia
Warto zauważyć, że większość gotowych modułów optycznych (laserowych) czujników cząstek zawieszonych ma dość zbliżoną konstrukcję. Dlatego też w naszym artykule przyjrzymy się wybranemu przykładowi – modułowi PMS5003 marki Plantower, dostępnemu w sklepie Botland w kilku wersjach różniących się zestawem funkcjonalności.
Głównym elementem modułu jest detektor laserowy, emitujący wiązkę światła w kierunku komory pomiarowej oraz odbierający część światła, odbitego od cząstek pyłu w stronę fotoelementu. Intensywność odbitego światła jest proporcjonalna do ilości i rozmiaru cząstek w próbce, co pozwala na (w przybliżeniu) ilościowe określenie ich stężenia. Co ważne, moduł jest wyposażony w niewielki, zintegrowany wentylator, wymuszający stabilny, precyzyjnie kontrolowany przepływ badanego powietrza przez komorę pomiarową.
Moduł PMS5003 w podstawowej wersji jest w stanie wykrywać cząstki o różnych rozmiarach, od PM1.0 (od 0,3 µm do 1,0 µm), poprzez PM2.5 (od 1,0 µm do 2,5 µm), aż do PM10 (od 2,5 µm do 10 µm) i dostarcza informacje na temat ich stężenia w mikrogramach na metr sześcienny (µg/m3). Produkt posiada również zdolność do różnicowania cząstek o rozmiarach należących do wspomnianych wcześniej trzech podzakresów (PM1.0 do PM10).
Komunikacja z czujnikiem odbywa się poprzez prosty interfejs UART, pozwalający na łatwe odczytywanie danych przez dowolny mikrokontroler lub komputer. Wszystkie niezbędne obliczenia i funkcje autoregulacyjne są wykonywane przez procesor wbudowany w sterownik modułu, dlatego też całość może być z powodzeniem obsługiwana nawet przez mikroprocesory o niewielkiej mocy obliczeniowej – np. układy z serii Atmega, na których bazuje większość płytek Arduino. Co więcej, dane są dostarczane w gotowej formie cyfrowej, co eliminuje potrzebę dodatkowej kalibracji lub skalowania wyników.
Dużą zaletą modułu PMS5003 jest kompaktowy rozmiar (50mm x 38mm x 21mm) oraz dość szybki czas reakcji na skokową zmianę stężenia (deklarowany przez producenta czas odpowiedzi na zmiany warunków panujących w otoczeniu wynosi poniżej 10 sekund), dzięki czemu czujnik doskonale nadaje się do różnych aplikacji – od stacji monitorujących pogodę, aż po domowe urządzenia wentylacyjne, oczyszczacze powietrza itp. Ułatwieniem podczas prowadzenia eksperymentów oraz budowy systemów prototypowych, bazujących na układzie PMS5003, będą z pewnością zestawy opracowane przez firmę DFRobot i obejmujące – oprócz samego modułu – także niewielką płytkę drukowaną, zawierającą wszystkie elementy niezbędne do łatwego połączenia czujnika z dowolną płytką Arduino. Aby przyspieszyć proces tworzenia oprogramowania, służącego do obsługi modułu, producent zadbał – jak zawsze w takich przypadkach – o stworzenie doskonale przygotowanej dokumentacji, obejmującej zarówno poradnik dotyczący aspektów sprzętowych, jak i przykładowe programy implementujące protokół komunikacyjny UART, zastosowany w czujniku.
