česky english Vítejte, dnes je středa 06. červenec 2022

Když už jednou dýcháme, tak ať přesně víme, co

DPS 2/2022 | Vývoj - články
Autor: Ing. Jan Robenek

Svěžímu horskému vánku se jen tak něco nevyrovná a vzduch, který běžně vdechujeme, zavřeni doma nebo v práci, už teprve ne. Znamená to ale, že jsme pokaždé vydáni na milost okolním podmínkám? Ne tak docela. Když už společného viníka známe, dokážeme se mu přece směle postavit. Nová čidla od firmy Sensirion už jen vysvětlí, kdy přesně zasáhnout.

CO2 jako základ

Díky moderní elektronice dnes dokážeme postihnout kde co. Rychle, přesně, a dokonce i tak, že výsledné řešení nebude často zabírat skoro žádné místo. Učebnicovým příkladem se stává měření vlhkosti či teploty, kterou již nemáme problém běžně vyhodnotit s odchylkou lepší než ±0,1 °C (na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme psali např. v [1]). Jenže při sledování kvality vzduchu ve vnitřních prostorách půjde o mnohem víc než jen „RH/T“, zvláště když zde máme i další vlivy spojené s oxidem uhličitým, těkavými organickými látkami VOC, PM2.5 nebo kupříkladu formaldehydem, jehož koncentrace nově stanovujeme třeba s moduly senzoru SFA30, které jsme loni představili v [2].

Obr. 2  (jpg)

S lepší osvětou a také v návaznosti na pandemii, díky které bohužel trávíme mezi čtyřmi stěnami stále více času, se poslední dobou dostává do popředí alespoň sledování výskytu oxidu uhličitého. Samo o sobě to stačit nemůže, ale raději něco nežli vůbec nic. Správně si na CO2 „posvítit“ však nebývá zase tak jednoduché a můžeme říct, že si za to mohou tak trochu i samotná čidla, resp. jejich metody měření. Existuje však i „prostor“ pro další změnu. A nepůjde v něm o nic menšího než právě o prostor.

Vývojářům se ruce nesvazují

Společnost Sensirion svůj další produkt v miniaturizované řadě senzorů oxidu uhličitého SCD4x představila loni v prosinci [3]. Nejnovější přírůstek v podobě prvků SCD42 opět cílí na skvělé technické parametry podepřené minimálními fyzickými rozměry, se kterými vývojářům otevírá ještě větší pole působnosti. V klíčovém pásmu koncentrací CO2 od 400 až do 1 000 ppm výrobce nyní stanovuje přesnost měření, čistě jen ±75 ppm, kterou se dále vymezuje vůči předcházejícím variantám s označením SCD40 a SCD41, pro které již dokumentace kombinovaně uvádí ±(50 ppm + 5 % ze čtené hodnoty) v záběru od 400 ppm do 2 000 ppm, resp. ±(40 ppm + 5 % ze čtené hodnoty), zde pak ve specifickém rozsahu až do 5 000 ppm. Celkový výstupní rozsah od nuly do 40 000 ppm zůstává jinak pokaždé zachován.

To nejzajímavější se však odehrává uvnitř samotných prvků, které se pyšní rozměry 10,1 × 10,1 × 6,5 mm. V porovnání s ostatními čidly Sensirion se tedy stále jedná o relativně velké snímače, ovšem až do chvíle, kdy začneme fyzické proporce srovnávat s modelem SCD30 pro zkoumání stejné veličiny o velikosti 35 × 23 × 7 mm, který již můžete z našich stránek rovněž znát [4]. Prostorová náročnost různých technologií, přesně jak ji zachycuje též obr. 2, se prostě nezapře a je dobré s ní počítat. V případě očividně robustnějších obvodů SCD42 si však připište i SMD kompatibilitu (reflow), napájecí rozsah od 2,4 V až do 5,5 V, číslicové rozhraní I²C nebo snad již povinná vestavěná čidla teploty a vlhkosti, která poslouží jednak při kompenzaci signálu přímo na úrovni čipu, a pokud je to zapotřebí, výstupy RH či T zprostředkují třeba i k dalšímu využití. Kovová „čepička“ zde zároveň chrání veškeré součásti senzoru před vlivy okolního prostředí, prachem, kondenzací vlhkosti apod. V rámci širší rodiny senzorů SCD4x stojí za zmínku i možnost zasáhnout do proudové spotřeby systému s režimem „Single Shot“, ve kterém lze klesnout z více než 10 mA třeba až na 0,36 mA (avg). K měření koncentrací by pak ovšem docházelo pouze jednou za pět minut a funkci navíc podporuje pouze model SCD41. Obvody každopádně jednotně využijí principů fotoakustického snímání v návaznosti na chráněné firemní technologie PASens® a CMOSens®. Co to ve skutečnosti znamená?

Obr. 1 a 3  (jpg)

Citlivost, kterou nediktují rozměry

Je pravda, že nejmodernější snímače oxidu uhličitého, třeba jako výše zmiňované SCD30, staví na optickém principu snímání, tedy NDIR (Non Dispersive Infra-Red). Způsob využití takových čidel se však omezí pouze na některé aplikace a spíše menší výrobní série, třeba kvůli svému provedení a také rozměrům, včetně ceny. Citlivost senzoru založeného na principech NDIR zde kromě toho bude přímo souviset s optickou trasou, takže při nějakém zásadnějším zmenšování proporcí již musíme počítat s kompromisy. A to ještě nehovoříme o větším počtu diskrétních součástek.

Ve společnosti Sensirion proto přišli s novým snímačem řady SCD40, jehož činnost se bude nyní odvíjet od technologie PASens® [5]. Způsob fotoakustického snímání zde totiž umožňuje dosáhnout mimořádného snížení rozměrů čidla CO2, aniž přitom negativně ovlivňujeme vykazované parametry. Výrobci se také podařilo zásadní měrou omezit počet součástek. Výchozí myšlenka přitom není zase tak nová, datuje se již do roku 1880, ovšem z důvodu chybějících technologií se v minulosti u miniaturních senzorů neuplatnila.

Na molekuly s mikrofonem

Princip činnosti systému plyne z obr. 6. Úzkopásmové záření odpovídající absorpčnímu pásmu molekul oxidu uhličitého je emitováno v komůrce, kterou máme z velké části uzavřenou. CO2 zde proto může při měření pohlcovat část záření, zatímco jiné molekuly již k absorpci díky zvolenému spektru dále nepřispívají. S rostoucím počtem přítomných molekul CO2 se zvyšuje i velikost absorbované energie, která v případě oxidu uhličitého vyvolává především vibrace na molekulární úrovni. Díky rostoucí energii a také uzavřenému prostoru však nyní poroste i tlak. Modulace zdroje záření se pak postará o jeho periodické změny, které již dokážeme zachytit pomocí mikrofonu. Signál na jeho výstupu proto může vhodně posloužit jako určitá míra, pokud jde o počet molekul CO2 přítomných v měřicí komůrce, takže lze nyní přistoupit i k samotnému výpočtu koncentrací oxidu uhličitého.

Obr. 4, 5, 6 a 7 (jpg)

Jak už bývá v Sensirionu dobrým zvykem, také zde za vším stojí ještě jedna technologie, CMOSens®. Kompletní odladěné řešení proto dostáváme hezky pohromadě – od vstupů až po číslicové rozhraní. Výrobce tím efektivně bojuje s rušením a běžně šetří nejen místo na desce, ale i náš čas.

Odkazy:

[1] Čidla AS6221 změří teplotu s přesností ±0,09 °C, https://www.dps-az.cz/soucastky/novinky/id:74131/cidla-as6221-zmeri-teplotu-s-presnosti-0-09-c

[2] Na formaldehyd zde máme nové moduly Sensirion, https://www.dps-az.cz/mereni/novinky/id:77045/na-formaldehydzde-mame-nove-moduly-sensirion

[3] Tisková zpráva, https://sensirion.com/company/news/pressreleases-and-news/article/co2-sensor-for-US-HVAC-applicationsnow-available-globally/

[4] Zatím ve vývoji. SCD30 zajímá teplota, vlhkost i oxid uhličitý, https://www.dps-az.cz/vyvoj/novinky/id:50159/zatim-ve-vyvojiscd30-zajima-teplota-vlhkost-i-oxid-uhlicity

[5] Technologie PASens®, https://www.sensirion.com/en/about-us/company/pasensr-technology/

[6] Snímače CO2 řady SCD4x, https://www.sensirion.com/en/environmental-sensors/carbon-dioxide-sensors/carbon-dioxidesensor-scd4x/

[7] Na VOC a NOx nyní s čidly SGP41. Resp. pouze s jedním, https://www.dps-az.cz/vyvoj/novinky/id:83795/na-voc-a-nox-nynis-cidly-sgp41-resp-pouze-s-jednim

Partneři

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