Журнал «ИСУП». (Информатизация и системы управления в промышленности)
ИТ, КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

Современные датчики для измерения показателей среды в помещениях

shapka.jpg

Датчики Sensirion позволяют организовать эффективный мониторинг показателей среды в помещениях: определять температуру и влажность, концентрацию различных газов и твердых взвешенных частиц. В статье представлены датчики температуры и влажности серий STS3x и SH4х, датчики летучих органических соединений SGP, датчик твердых взвешенных частиц SPS30. Объяснены их принципы действия, перечислены преимущества.

ГК «Симметрон», г. Москва

Symmetron.png

скачать pdf >>

Средства измерения для количественной оценки состояния окружающей человека среды несколько отличаются от приборов для мониторинга условий протекания технологических процессов как по точности и возможности сопоставления результатов, так и по составу контролируемых параметров. Внешние условия оказывают большое влияние на здоровье, комфорт и производительность труда людей. Именно этим объясняется успешное развитие швейцарской компании Sensirion («Сенсирион»), предлагающей специальные датчики для контроля и мониторинга состояния окружающей среды по нескольким параметрам. Кроме датчиков для оценки состояния окружающей среды компания Sensirion также разрабатывает и производит микротермальные датчики измерения потока газов, жидкостей и разности давлений для индустриальных, автомобильных и медицинских применений.

Для точного и надежного контроля ключевых параметров состояния окружающей среды в жилых и производственных помещениях компания Sensirion предлагает датчики измерения влажности, температуры, концентрации летучих органических соединений (ЛОВ, или VOC от volatile organic compounds – англ.), концентрации твердых частиц в воздухе размером от 1 до 10 мкм и углекислого газа (CO2). Комплект этих показателей открывает новые возможности для создания интеллектуальных устройств контроля, позволяющих повысить уровень комфорта и сформировать действительно здоровую среду обитания человека, причем с возможностью увеличения энергетической эффективности и автономности измерителей. Заметим, что компания Sensirion реализует весь цикл от исходной идеи до производства продукции, базируясь исключительно на собственных запатентованных разработках.


Температура и влажность

Согласно ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», 80 % людей, находящихся в помещении, воспринимают как оптимальную, абсолютно комфортную для себя, температуру воздуха 20…22 °C. Допустимый диапазон чуть шире: от 18 до 24 °C. Оптимальная относительная влажность находится в пределах 40–60 % (рис. 1). При пониженной влажности может начаться кашель из-за пересыхания слизистых оболочек, при слишком высокой могут возникнуть ревматические синдромы, слабость, сердцебиение, потливость и т. д. Таким образом, для создания комфорта и нормального самочувствия, а значит, и для улучшения трудоспособности, и для сохранения здоровья людей, необходимо поддерживать температуру и влажность в указанных пределах. Выполнить эту задачу хорошо и гарантированно правильно можно только с помощью точных и достоверных измерений температуры и влажности.

Ris_1.jpg

Рис. 1. Оптимальные температура и влажность в помещении

Для этой цели служат цифровые датчики температуры и влажности Sensirion с лучшими в своем классе точностью измерений и надежностью, а также долгосрочной стабильностью измерений (отсутствие девиаций показаний, которые проявляются у датчиков дешевого сегмента). Высоких характеристик удалось достичь благодаря богатому 15‑летнему производственному опыту компании и собственной технологии CMOSens®. Датчики выполнены в виде микросхем для поверхностного монтажа на печатную плату, причем модели SHT предназначены для измерения температуры и влажности, а модели STS (рис. 2) – только для измерения температуры.

Ris_2.jpg

Рис. 2. Датчики температуры и влажности Sensirion: а – STS3x; б – SH4х

Патентованная технология CMOSens® компании Sensirion предполагает ёмкостный принцип измерения влажности (рис. 3). Измерительным элементом датчика является конденсатор, в котором диэлектриком служит открытый для внешней среды полимер, накапливающий или отдающий молекулы воды пропорционально относительной влажности. Поэтому емкость в этом слое меняется согласно влажности, позволяя точно измерить относительную влажность по емкости в нескольких точках – на миниатюрных электродах. По сути, производится измерение емкости нескольких «конденсаторов», что позволяет существенно повысить достоверность полученного результата.

Ris_3.jpg

Рис. 3. Датчик с технологией CMOSens®: принцип действия

Интересной особенностью датчиков CMOSens® является возможность их работы в среде с конденсацией и даже при погружении в жидкость, то есть их верхняя граница влажности составляет 100 %. Для измерения температуры используется встроенный кремниевый датчик на основе биполярного переходного транзистора. Оба датчика расположены очень близко друг к другу, поэтому обеспечено самое точное измерение точки росы, без градиента из-за измерения в двух точках. Более того, CMOSens-датчики Sensirion отличаются уникальной схемой совмещения двух датчиков в едином усилительном блоке, наличием аналогово‑цифрового преобразователя, памятью для хранения данных калибровки, а также цифровым шинным интерфейсом соединения. Отдельно подчеркнем, что преобразование в цифровую форму проводится практически в точке измерения, поэтому нет цепей передачи аналоговых сигналов и связанных с этим искажений. Кроме того, датчики этого типа обладают низким временем отклика, высокой точностью (от ±1,5 до ±5 % в зависимости от модели) и крайне низким энергопотреблением (меньше 3 мкA в дежурном режиме). Цифровой двухпроводной интерфейс I2C позволяет подключить CMOSens-датчик Sensirion к любому микропроцессору. Кстати, наличие датчика температуры позволяет легко компенсировать температурный дрейф датчика влажности. В семействе SHT3x есть версии с полиамидной мембраной для защиты от загрязнения в процессе всего периода эксплуатации, а также версии с удаляемой защитной пленкой, кратковременно используемой при изготовлении конечных устройств.


Летучие органические соединения

Загрязнение воздуха летучими органическими соединениями – одна из самых острых проблем общества победившей индустриализации. Так, даже в жилых домах воздух может быть загрязнен из-за современных моющих средств, мебели, строительных материалов и т. д. А уж в производственных помещениях риск для здоровья гораздо выше. Летучие органические соединения, выделяющиеся во время технологических процессов, образуют с воздухом газо- и паровоздушные смеси, а твердые частицы – аэрозоли. Повышенная концентрация таких веществ может вызвать и мгновенное острое состояние (раздражение глаз, головную боль, головокружение, кашель и т. д.), и иметь отложенный эффект, то есть сказаться на здоровье много лет спустя, вызывать профессиональные заболевания или даже отразиться на здоровье последующих поколений.

К сожалению, избавиться от вредных веществ полностью невозможно. Но можно и совершенно необходимо контролировать их количество. К настоящему времени выпущено (и продолжает выпускаться) огромное число различных нормативных документов, устанавливающих предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе. Например, гигиенические нормативы ГН 2.1.6.695‑98 выделяют свыше 600 веществ, способных причинить вред здоровью человека, и указывают их предельно допустимую концентрацию в воздухе. Газовые датчики компании Sensirion помогут выявить такие загрязнения воздуха.

Многопиксельные газовые датчики семейства SGP (рис. 4) выпускаются в виде микросхем в корпусе DFN (от англ. Dual Flat No Leads – «два ряда планарных контактов без выступающих ножек») с цифровым интерфейсом I2C. Работа датчиков основана на запатентованной компанией Sensirion технологии MOXSens®, придающей изделиям весьма высокую стойкость к силоксановым загрязнениям (кремнийорганические соединения и их производные, присутствующие в современных товарах – косметике, бытовой химии, отделочных материалах и т. д.). Этим объясняется длительный срок службы и точность датчиков SGP. Один пиксель такого датчика составляет металлооксидный измерительный элемент, нанесенный на нагреваемую «горячую» пленку. При нагревании адсорбированный в измерительном элементе ион кислорода взаимодействует с контролируемым газом (по большей части с водородом с образованием молекулы воды), причем освобождаются электроны. Электрическая проводимость металлооксидного слоя меняется, поэтому его сопротивление напрямую зависит от химического состава контролируемой газовой среды.

Ris_4.jpg

Рис. 4. Датчик семейства SGP: слева – внешний вид, справа – принцип действия

В датчике SGP используются четыре идентичных измерительных элемента (пикселя), нагреваемая пленка с контролем температуры, предварительная обработка результата измерений и встроенная калибровка, что позволяет получить готовый сигнал качества воздуха в помещении по загрязнению газообразными органическими веществами и водородом. Датчики семейства SGP находят применение в очистителях воздуха, кухонных вытяжках, автоматических системах вентиляции, термостатах, системах мониторинга качества воздуха и т. д.
Кстати, в группу датчиков VOC компания Sensirion поместила комбинированный модуль (плату) SVM40, совмещающую датчик температуры/влажности SHTC1 и мультигазовый датчик SGP40. Навесная плата (модуль) SVM40 выдает общий сигнал концентрации VOC (tVOC) и эквивалентный сигнал концентрации CO2 (CO2 eq). Диапазон измерения относительной влажности – от 0 до 100 % с типовой точностью ±5 %, при диапазоне измерения температуры –20…85 °C – с точностью ±1 °C.


Твердые взвешенные частицы

Упомянутые выше гигиенические правила ГН 2.1.6.695-98 в качестве одного из пунктов указывают взвешенные вещества – недифференцированную по составу пыль (аэрозоль), содержащуюся в воздухе. Мгновенный показатель ПДК взвешенных веществ не должен превышать 0,5 мг/м3, среднесуточный – 0,15 мг/м3.

Частицы твердого вещества, или РМ (от англ. particulate matter – «взвешенные частицы»), диаметром в среднем 2,5 мкм (PM2.5) считаются одним из самых опасных загрязнений воздуха. Из-за своего малого размера они легко проникают в легкие, а потом и в кровеносную систему, вызывая различные заболевания, в том числе приступы астмы и сердечно-сосудистые заболевания. Датчик твердых частиц SPS30 (рис. 5) компании Sensirion способен обнаруживать в атмосфере частицы размером от 1 до 10 мкм, что является новым стандартом в области мониторинга загрязнения воздуха. Измерения датчиком SPS30 основаны на принципе лазерного рассеивания, который благодаря защите от загрязнений гарантирует высокую точность измерений на протяжении десяти лет.

Ris_5_small.jpg

Рис. 5. Датчик SPS30: слева – внешний вид; справа – принцип действия (увеличить изображение)

Фокусированный лазерный луч направляется через поток загрязненного воздуха и в области фокусировки рассеивается на твердых частицах. Отраженное (рассеиваемое в перпендикулярном направлении) излучение регистрируется фотодиодом, сигнал которого позволяет количественно оценить загрязнение воздуха. Датчик SPS30 обеспечивает обнаружение частиц: по массе – для диаметров PM1.0, PM2.5, PM4 и PM10, по количеству – для диаметров PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 и PM10. Нижняя граница обнаружения – частицы диаметром 0,3 мкм. Общий диапазон измерений – от 1 до 1000 мкг/м3, при этом точность составляет ±10 мкг/м3 в диапазоне от 0 до 100 мкг/м3 и ±10 % в диапазоне от 100 до 1000 мкг/м3. Минимальный интервал измерений – 1 с (непрерывный режим).

Датчик SPS30 стал первым массовым серийным средством измерения взвешенных частиц в воздухе, сертифицированным британским агентством по защите окружающей среды MCERTS, а также по европейскому стандарту измерения качества воздуха DIN EN 15267.


Углекислый газ в малых и больших концентрациях

Современные здания и сооружения обеспечивают хорошую изолированность внутренних помещений от окружающей среды, но это вызывает быстрое снижение качества воздуха в закрытых помещениях из-за накопления углекислого газа – продукта дыхания людей. Для комфортной и здоровой среды необходима хорошая вентиляция, которая может стать эффективной только при точном и достоверном измерении концентрации CO2 в воздухе. Измерения малых концентраций углекислого газа и больших концентраций, опасных для жизни человека, несколько различаются (рис. 6).

Ris_6_small.jpg

Рис. 6. Сравнение STC31 с датчиками Sensirion SCD30 и SCD40 по ширине рабочего диапазона измерения CO2

Для точного измерения малой концентрации CO2 в воздухе (до 1 %) рекомендованы датчики SCD30 и SCD40. Для быстрой и надежной регистрации высоких уровней концентрации CO2 служит датчик STC31.

Измерительный модуль SCD30 (рис. 7а) компании Sensirion для регистрации малых концентраций CO2 в воздухе использует NDIR-технологию спектроскопического инфракрасного обнаружения с автоматической компенсацией отклонения (патентованная технология PASens®). NDIR-технология основана на эффекте поглощения волн определенной длины в инфракрасном спектре. Такой датчик оснащен инфракрасным источником излучения, измерительной камерой, оптическим фильтром, пропускающим только волны определенной длины, и детектором. Попадая в измерительную камеру датчика, газ выявляется электрооптическим путем. NDIR-датчики наиболее часто применяют для обнаружения CO2, поскольку они показывают наибольшую надежность и точность при работе именно с углекислым газом. Тем не менее разработчики компании Sensirion, чтобы еще больше снизить погрешность прибора, встроили в измерительный модуль SCD30 датчик температуры/влажности SHT31 для компенсации отклонения результатов измерения.

Ris_7.jpg

Рис. 7. Измерительный модуль SCD30 (а); чиповый датчик STC31 (б); миниатюрный датчик SCD40 (в)

Для измерения смертельно опасных для человека концентраций CO2 в воздухе предлагается датчик STC31 в виде микросхемы (рис. 7б), построенный с применением патентованной технологии CMOSens®. Сигнал выдается датчиком на основе измерения теплопроводности воздуха, с использованием фирменной бинарной модели газа, что обеспечивает превосходную повторяемость и долговременную стабильность. В вычислениях концентрации CO2 на основе теплопроводности в качестве референсных значений используются величины температуры, влажности и давления воздуха (рис. 8).

Наблюдающаяся тенденция к уменьшению размеров оборудования поддерживается и разработчиками Sensirion. Компания анонсировала скорый запуск в серийное производство миниатюрного датчика SCD40 для измерения CO2 и RH/T размером чуть больше одного кубического сантиметра (рис. 7в). Напряжение питания датчика – от 2,4 В до 5,5 В, при этом у него полностью откалиброванный цифровой интерфейс I2C и точность ±(30 ppm + 3 % MV). Датчик SCD40 в пять раз меньше, чем модель SCD30, его габаритные размеры составляют всего 10,1 × 10,1 × 6,5 мм. В основу датчика положен фотоакустический эффект, а его оптический резонатор значительно уменьшен в размерах без ущерба для производительности прибора (рис. 9). SCD40 оснащен качественными сенсорами влажности и температуры, для которых предназначены два дополнительных выхода датчика. Миниатюрный датчик CO2 Sensirion SCD40 идеально подходит для применения в таких областях, как IoT, автомобилестроение, системы вентиляции и кондиционирования, бытовая техника и потребительские товары.

Ris_8.jpg

Рис. 8. Датчик STC31: принцип действия


Ris_9.jpg

Рис. 9. Датчик Sensirion SCD40: принцип действия

На территории России продукцию компании Sensirion представляет группа компаний «Симметрон», официальный дистрибьютор швейцарского производителя.

Опубликовано в журнале ИСУП № 5(89)_2020

ГК «Симметрон», г. Москва,
тел.: +7 (495) 961‑2020,
e‑mail: sensirion@symmetron.ru,
сайт: symmetron.ru


Реклама. ООО «НПО РИЗУР»   ИНН 6234114269  LjN8KASZz

Реклама. ООО «НПО РИЗУР»   ИНН 6234114269  LjN8KASZz