IoT

Качество воздуха в помещениях под контролем датчиков газа

С ростом распространения умных устройств и расширением интернета вещей доступность новых газоанализаторов создает совершенно новую область их использования в потребительском секторе, заинтересованном во внедрении металлооксидных датчиков и их приложений. Одним из наиболее ожидаемых применений является контроль качества воздуха внутри помещений. В статье описаны варианты применения газовых датчиков для определения качества воздуха и примеры их внедрения в повседневную жизнь
763
В избранное

Последние достижения в области проектирования датчиков газа расширяют возможности применения этих умных устройств, которые анализируют примеси и запахи и информируют пользователей о качестве воздуха, чтобы обеспечить непосредственный контроль над ним.

Датчики газа на основе оксида металла, также известные, как хеморезисторы, уже более 30 лет используются в различных устройствах, применяемых по большей части в промышленности и системах безопасности. Преимущественно они встречаются в узкоспециализированных управляющих системах, где применяемое дорогостоящее оборудование должно обслуживаться специально обученным персоналом.

Однако новое поколение МЭМС-датчиков расширяет привычный рынок, предлагая изделия меньших размеров, по более низкой цене и с уже встроенными преобразователями, обеспечивающими простоту использования и установки. Новый класс датчиков позволит обеспечить «электронным нюхом» разнообразные приборы, не требующие особых знаний и навыков для использования (в том числе - и такие портативные устройства как смартфоны).

С ростом распространения умных устройств и расширением интернета вещей доступность новых газоанализаторов создает совершенно новую область их использования в потребительском секторе, заинтересованном во внедрении металлооксидных датчиков и их приложений. Одним из наиболее ожидаемых применений является контроль качества воздуха внутри помещений. В статье описаны варианты применения газовых датчиков для определения качества воздуха и примеры их внедрения в повседневную жизнь.

Почему следует заботиться о качестве воздуха?

Современное человечество более 90% времени проводит внутри помещений. Нынешние принципы строительства, при которых большое внимание уделяется обеспечению комфорта, направлены на обеспечение энергоэффективности зданий. Но, к сожалению, устройства для сохранения тепла, предотвращения появления сырости и прочие удобства негативно сказываются на качестве воздуха внутри помещений, зачастую снижая его свежесть, а иногда, вследствие недостаточной его циркуляции, оказывая пагубное воздействие на здоровье человека. Также к появлению примесей в воздухе внутри помещений приводит хозяйственная деятельность человека, испарения веществ из мебели, красок и других покрытий, даже использование ароматических свечей, парфюма и прочее.

Источники низкого качества воздуха в помещениях в различных местах

Рис. 1. Источники низкого качества воздуха в помещениях в различных местах

На рис. 1 изображены различные источники ухудшения качества воздуха. Свежесть окружающего воздуха определяется содержанием мельчайших частиц (PM2.5), углекислого (СО2) и угарного (СО) газов, а также широкого спектра других летучих соединений даже в незначительных концентрациях, измеряемых в ppm, ppb. Человек, не осознавая этого, контактирует с потенциально опасными газами ежедневно.

Присутствие угарного газа, не имеющего цвета и запаха, обычно строго контролируется, в отличие от других примесей. Поэтому статья посвящена углекислому газу и летучим органическим соединениям (VOC), с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Кроме того, в зависимости от деятельности и местонахождения, человек может сталкиваться с другими примесями, например, летучими соединениями серы.

Несмотря на общедоступность информации о загрязнении атмосферного воздуха в том или ином регионе, отображаемую на официальных сайтах подразделений по природопользованию и экологии, узнать, насколько свеж воздух в помещении, где человек проводит большую часть времени, значительно труднее.

Существуют как элементарные способы освежить воздух в помещении: включить вентилятор или открыть окно, так и более сложные, задействующие систему отопления, вентиляцию и кондиционирование или воздухоочистительную систему.

Металлооксидные датчики газа: что это такое и как работает

Газовые датчики на базе оксида металла, используемые для обнаружения различных веществ в воздухе, содержат нагревательный элемент, который обычно представляет собой небольшой керамический чип. В современных вариантах в основе лежит миниатюрная кремниевая площадка, необходимая для достижения точной температуры, лежащей в пределах 100…400ºС с минимальными энергозатратами (снижение теплоотдачи). Также в конструкцию входит особый чувствительный элемент на базе оксида металла, как правило - оксида олова. Помимо этого, используется ряд других базовых материалов и широкий спектр добавок, позволяющих регулировать свойства изделия.

Несколько примеров внешнего вида и внутреннего устройства чувствительных элементов - на рис. 2. Производители продолжают совершенствовать конструкцию датчика и технологии его производства, чтобы улучшить показатели по обнаружению в воздухе примесей и определению их концентрации.

Типовая структура металлооксидного датчика (слева) и примеры аналогового и цифрового устройств (справа)

Рис. 2. Типовая структура металлооксидного датчика (слева) и примеры аналогового и цифрового устройств (справа)

Сигнал датчика (сопротивление) зависит от применяемых материалов (оксида металла), рабочей температуры и концентрации газов в воздухе. Оксидный материал нагревается до определенной температуры (или последовательно до различных ее величин), и затем измеряется его итоговое сопротивление. Данная величина может варьироваться от нескольких сотен Ом до нескольких ГОм в зависимости от материала чувствительного элемента, конструкции электродов и окружающей среды. Изменение сопротивления оксидного материала свидетельствует о наличии какой-либо примеси в воздухе.

Для достижения конкретного результата или набора характеристик производители обычно рекомендуют определенную рабочую температуру (или управление нагревом, например, с помощью входного напряжения). Для упрощения внедрения датчиков газа некоторые компании разрабатывают новые методы управления, позволяющие осуществлять динамический контроль работы датчиков с помощью программного обеспечения. При этом пользователю нет необходимости учитывать рабочую температуру, обеспечивать ее контроль или изменение в зависимости от окружающей среды.

На рис. 3 изображены графики зависимости чувствительности датчика от рабочей температуры при распознавании различных ЛОС: этанола, ацетона и толуола. В реальном мире качество воздуха – значительно более сложный вопрос, и тестирование датчика позволяет определить влияние различных ЛОС на его работоспособность.

Воздействие температуры на чувствительность датчика к газам

Рис. 3. Воздействие температуры на чувствительность датчика к газам: настройка датчика для разных сред изменением рабочей температуры или способа управления нагревателем

Сопротивление чувствительного элемента (оксида металла) зависит от концентрации газа вблизи датчика. Математическое описание зависимости сопротивления от концентрации газа представляет собой степенную функцию (формула 1):

RMOx = A?c-α,   (1)

где:

  • RMOx – сопротивление оксида металла;
  • А – постоянная величина, зависящая от используемого оксида;
  • с – концентрация газа;
  • α – показатель степени в зависимости от используемого оксида.

Изменение сопротивления в зависимости от концентрации газа варьируется от незначительных долей процентов до существенных изменений его величины. Это зависит от количества присутствующей примеси, используемого оксида и установленной рабочей температуры. Предпочтительными являются значительные изменения сопротивления, поскольку они увеличивают соотношение сигнал-шум: большой отклик на определяемый газ (сигнал) сравнивается с собственным шумом сенсора и его реакцией на изменение окружающей среды (влажности, давления, температуры). Как известно, чем выше значение отношения «сигнал-шум», тем выше точность измерений.

Поскольку традиционные аналоговые датчики газа требуют калибровки, некоторые производители оснащают устройства необходимыми для калибровки выходами и библиотеками для упрощения интеграции их продукции.

 Определение качества воздуха

Датчики могут быть установлены в различных местах. В каждом из помещений будут свои источники загрязнения воздуха и способы его очистки. Примеры наиболее распространенных вариантов применения датчиков с целью улучшения качества воздуха показаны на рис. 4. Вентиляторы различного назначения, системы фильтрации, отопления, циркуляции воздуха и кондиционирования получат ряд преимуществ после внедрения датчиков газа.

Помещения, в которых целесообразна установка датчиков газа

Рис. 4. Помещения, в которых целесообразна установка датчиков газа

Пример для спальни

Основным источником воздействия на воздух в спальне является мебель, новые покрытия: ковры, краска, а также жизнедеятельность человека. Ведь когда человек дышит, в воздухе увеличивается количество углекислого газа и ЛОС. В спальне датчик определения концентрации ЛОС с опцией вычисления связанной концентрации углекислого газа был бы весьма полезен, ведь это вещество влияет на качестве сна и когнитивные функции человека.

Объективные исследования показывают, что при уменьшении содержания углекислого газа в воздухе качество сна повышается, аналогичные результаты выявлены при тестировании навыков логического мышления. Получая информацию с датчика, пользователь сможет открыть окно или дверь в большее по площади помещение. В свою очередь система вентиляции и кондиционирования, обладая информацией с этих датчиков, может обеспечить контроль не только температуры, но и качества воздуха в помещении, где спит человек.

Пример для кухни

Приготовление пищи и уборка – источники повышения уровня ЛОС, который порой может достигать очень высоких значений. Информация о загрязнении воздуха на кухне весьма интересна для потребителя, поскольку применение датчиков, настроенных на улавливание запахов, позволит управлять включением/ выключением вытяжки или увеличением скорости работы ее вентиляторов. Автоматический контроль работы вытяжной системы на кухнях значительно упростит жизнь поварам.

Пример для офиса

Во многом ухудшение качества воздуха в офисе сравнимо с его загрязнением в спальне: качество воздуха снижается из-за большого скопления людей. Однако использование даже таких обычных для офиса вещей как маркеры, очищающие салфетки, не говоря о средствах для чистки одежды, парфюма и употребления еды на рабочем месте может вызвать существенные колебания концентрации ЛОС и углекислого газа в течение дня.

Энергоэффективность современных зданий снижает затраты на электроэнергию, но при этом одновременно ухудшает качество воздуха в помещении за счет ограничения воздухообмена с улицей, и тем самым приводит к уменьшению комфорта и производительности сотрудников. Поэтому применение датчика, определяющего концентрацию углекислого газа и ЛОС, будет столь же эффективным, как и в случае со спальней. Датчик может быть помещен в централизованную систему вентиляции для оптимизации энергоэффективности офиса и одновременного повышения продуктивности сотрудников.

Идея автоматической вентиляционной системы обсуждается уже многие годы, но традиционные датчики дорогостоящи как для приобретения и внедрения, так и для обслуживания. В заключение стоит отметить, что каждый из сотрудников в перспективе сможет создать комфортные условия посредством индивидуальных устройств контроля качества и очистки воздуха.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IRLR2705PBF
IRLR2705PBF
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 273068 ИНФО PDF NRND
Доступно: 2803 шт. от: 23.8 руб.
MOSFET, N, D-PAK; Transistor Type:MOSFET; Transistor Polarity:N; Voltage, Vds Typ:55V; Current, Id Cont:28A; Resistance, Rds On:0.04ohm; Voltage, Vgs Rds on Measurement:10V; Voltage, Vgs th Typ:2V; Case Style:DPAK; Termination Type:SMD
IRLR2705PBF 23,80 от 150 шт. 20,40 от 375 шт. 18,40 от 750 шт. 17,00 от 2100 шт. 16,20
2803 шт.
(на складе)
Производитель: Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR
MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2098765 ИНФО PDF
Доступно: 21 шт. от: 2450 руб.
Углекислый газ (оксид углерода IV) - важная составляющая нашей жизни. Как и любой другой химический элемент или химическое соединение, углекислый газ участвует в большом количестве процессов, происходящих в природе.…
MH-Z14A NDIR CO2 SENSOR 2450,00
21 шт.
(на складе)
ME2-CO Electrochemical Carbon Monoxide Sensor with UL certificateW
ME2-CO Electrochemical Carbon Monoxide Sensor with UL certificateW
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2175883 ИНФО PDF
Поиск
предложений
ME2-CO - электрохимический датчик газа Электрохимический сенсор определяет концентрацию токсичного газа, измеряя ток по электрохимическому принципу, который использует процесс электрохимического окисления определенного газа на рабочем электроде внутри электролитической ячейки.…
ME2-CO Electrochemical Carbon Monoxide Sensor with UL certificateW
-
Поиск
предложений
MC105 Catalytic Flammable Gas Sensor
MC105 Catalytic Flammable Gas Sensor
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2175893 ИНФО PDF
Доступно: 30 шт. от: 161 руб.
MC105 Catalytic Flammable Gas Sensor • Range:0-100%LEL • Operating voltage: 2.5±0.1V • Application: Combustible gas leaking alarm for domestic or industrial area MC105 adopts catalytic combustion principle, and its two arms of electric bridge consists of a test element and a compensate element.…
MC105 Catalytic Flammable Gas Sensor 161,00 от 5 шт. 154,00 от 10 шт. 147,00
30 шт.
(на складе)
MP503 Air-Quality Gas Sensor
MP503 Air-Quality Gas Sensor
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2175899 ИНФО PDF
Доступно: 14 шт. от: 152 руб.
MP503 Air-Quality Gas Sensor • Detection Gas: Alcohol, Smoke, VOC ects air quality elements • Detection Range:10~1000ppm(Alcohol) • Application: air cleaner, fresh-air system, IAQ system
MP503 Air-Quality Gas Sensor 152,00 от 5 шт. 145,00 от 10 шт. 138,00
14 шт.
(на складе)
MQ-2
MQ-2
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2175904 ИНФО PDF
Доступно: 66 шт. от: 99 руб.
MQ-2 Датчик для обнаружения горючего газа Датчик газа MQ-2 позволяет обнаруживать наличие в окружающем воздухе углеводородных газов (пропан, метан, н-бутан), дыма (взвешенные частицы, являющиеся результатом горения), водорода.…
MQ-2 99,00 от 5 шт. 94,50 от 10 шт. 90,00
66 шт.
(на складе)
MQ-7B Carbon Monoxide Sensor
MQ-7B Carbon Monoxide Sensor
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2175909 ИНФО PDF
Доступно: 19 шт. от: 201 руб.
MQ-7B Датчик угарного газа Неисправная вентиляция в гараже, забитая печная труба, тлеющие дрова угрожают вам и вашим близким - угарный газ бесцветен, не обладает запахом и крайне токсичен.…
MQ-7B Carbon Monoxide Sensor 201,00 от 5 шт. 192,00 от 10 шт. 183,00
19 шт.
(на складе)
MG811 Solid Electrolyte CO2 Gas Sensor
MG811 Solid Electrolyte CO2 Gas Sensor
Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co., Ltd
Арт.: 2175953 ИНФО PDF
Доступно: 14 шт. от: 1270 руб.
MG811 Solid Electrolyte CO2 Gas Sensor Chemical Sensor MG-811 adopts solid electrolyte battery principle to detect carbon dioxide. When the sensor is placed in the CO2 environment, the electrode reaction occurs between the battery positive and negative electrode, and electromotive force is generated between the sensor sensitive electrode and reference electrode.…
MG811 Solid Electrolyte CO2 Gas Sensor 1270,00
14 шт.
(на складе)
Производитель: ams AG
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IAQ-CORE C
IAQ-CORE C
ams AG
Арт.: 2266046 ИНФО PDF
Доступно: 18 шт. от: 3620 руб.
МЭМС-датчики способны распознавать и оценивать содержание в воздухе не только CO2, но и ЛОВ. Датчик работает в непрерывном режиме с периодом измерений 1 с. Потребление при этом оказывается на уровне 66 мВт.
IAQ-CORE C 3620,00 от 3 шт. 3260,00 от 5 шт. 3020,00 от 12 шт. 2870,00 от 24 шт. 2850,00
3 шт.
(на складе)
15 шт.
(под заказ)
CCS811
ams AG
Арт.: 2294304 ИНФО
Доступно: 1 шт.
Выбрать
условия
поставки
Ultra-low power digital gas sensor for monitoring indoor air quality
CCS811 от 1 шт. от 1528,56
1 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
CCS811B-JOPR5K
ams AG
Арт.: 2590990 ИНФО PDF
Доступно: 57 шт.
Выбрать
условия
поставки
Малопотребляющий газовый датчик в компактном 10-выводном LGA-корпусе 2,7x4,0x1,1 мм, позволяет измерять концентрацию ЛОВ в диапазоне 0…1187 ppb и концентрацию CO2 в диапазоне 400…8192 ppm.
CCS811B-JOPR5K 1736,28
57 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Honeywell Sensing & Control
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
HPMA115S0-XXX
HPMA115S0-XXX
Honeywell Sensing & Control
Арт.: 2460946 ИНФО PDF
Доступно: 30 шт. от: 2630 руб.
PARTICLE SENSOR, PM2.5, 15%, 5V
HPMA115S0-XXX 2630,00 от 2 шт. 2260,00 от 3 шт. 2030,00 от 9 шт. 1880,00 от 18 шт. 1790,00
1 шт.
(на складе)
29 шт.
(под заказ)
Производитель: SPEC Sensors, LLC
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
110-109
110-109
SPEC Sensors, LLC
Арт.: 2738063 ИНФО PDF
Доступно: 125 шт.
Выбрать
условия
поставки
Датчик угарного газа CO 110-102 для поверхностного монтажа.
110-109 2669,14
125 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
110-304
110-304
SPEC Sensors, LLC
Арт.: 2738067 ИНФО PDF
Доступно: 31 шт.
Выбрать
условия
поставки
Электрохимические датчики сероводорода H2S с диапазоном измерения 0…50 ppm. Основной областью применения для этих сенсоров являются промышленные установки в химической промышленности.
110-304 2669,14
31 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
110-508
110-508
SPEC Sensors, LLC
Арт.: 2738071 ИНФО PDF
Доступно: 90 шт.
Выбрать
условия
поставки
Электрохимические датчики диоксида азота с диапазоном измерения 0…5 ppm. Облсти применения: для систем безопасности и контроля воздуха в химической и металлургической отраслях.
110-508 2669,14
90 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()