SCD4x - snímač CO2

SCD4x představuje první CO₂ senzor v miniaturním formátu, který zaujme prostorovou náročností pouhého jednoho centimetru krychlového. Tato převratná inovace je založena na principu technologie fotoakustických senzorů a kombinuje minimální velikost s maximálním výkonem. To otevírá četné nové možnosti integrace a aplikace. Díky svému jedinečnému poměru ceny a výkonu je SCD4x zvláště vhodný pro sériovou výrobu a aplikace citlivé na náklady.

Zvyšování povědomí o životním prostředí neovlivňuje pouze způsob, jakým lidé žijí, cestují a stravují se, ale také design budov. Moderní domy se snaží o velmi vysokou energetickou účinnost, aby šetřily přírodní zdroje, které se využívají především k vytápění. Jedním z důsledků je trend směrem k vzduchotěsným budovám, které mají lepší izolaci než starší budovy. Vzduchotěsné budovy mají za následek menší výměnu vzduchu stěnami, střechami, okny, trhlinami atd., což má negativní dopad na kvalitu vzduchu uvnitř. Snížená kvalita vnitřního vzduchu má zase negativní dopad na produktivitu a pohodu lidí. To nakonec vyžaduje aktivní ventilační systém, který pravidelně poskytuje čerstvý vzduch pro zdravé a produktivní vnitřní klima. Protože ventilační systémy vyžadují velké množství energie pro úpravu a poskytování čerstvého vzduchu,

Lidé jsou hlavním zdrojem zvýšené koncentrace CO₂ a další vnitřní kontaminace, takže potřeba čerstvého vzduchu závisí na počtu lidí přítomných v místnosti a jejich aktivitách (např. vaření, sport, rekreace). Pokud jsou lidé v uzavřených budovách, koncentrace CO₂ v této místnosti se zvýší a kvalita vnitřního vzduchu se sníží, proto se koncentrace CO₂ doporučuje jako indikátor kvality vzduchu a jako kontrolní parametr pro ventilační systémy: Na základě měření kvality vnitřního vzduchu lze umožnit poptávkovou výměnu vzduchu, která na jedné straně zajišťuje zdravé a komfortní prostředí a na druhé straně zaručuje vysokou energetickou účinnost.

Sensirion nyní přináší revoluci na trhu senzorů CO₂ s novým senzorem SCD4x, který je založen na jedinečné technologii PASens® společnosti Sensirion. Technologie PASens® využívá princip fotoakustického měření a nabízí extrémní miniaturizaci senzoru CO₂, aniž by došlo ke snížení výkonu senzoru. Důvodem je, že citlivost senzoru je nezávislá na velikosti optické dutiny, na rozdíl od dnes běžně používaného principu měření NDIR. To zákazníkům umožňuje dosáhnout nákladově efektivní, flexibilní a kompaktní integrace a umožňuje použití technologie senzorů CO₂ v aplikacích, kde dříve nebyl k dispozici dostatečný instalační prostor. Kromě toho se výrazně snížil počet integrovaných elektrických součástí, výsledkem je extrémně cenově výhodná struktura nákladů a tím výrazně nižší ceny. Miniaturizace senzoru a atraktivní nákladová struktura otevírají četné nové možnosti pro integraci SCD4x do nových produktů a aplikací s velkým objemem, jako jsou kompaktní ventilační systémy, vzduchové výměníky, vzduchové sondy, čističky vzduchu, termostaty, klimatizace jednotky a monitory kvality vzduchu.

Vliv zvýšených koncentrací CO ₂ ve vnitřním vzduchu

Oxid uhličitý je jedním z centrálních produktů lidského metabolismu, se kterým se s přijatou potravou přeměňují hydráty uhlí, tuky a bílkoviny za dodání kyslíku mimo jiné na CO₂, který je opět dodáván dýcháním. Zatímco venku se rychle ředí, koncentrace CO₂ se mohou v uzavřených místnostech rychle zvyšovat. Ve zvláště silně frekventovaných prostorách, jako jsou např. prostory pro semináře nebo učebny, se navíc ve zvláště malých interiérech, jako je například kabina automobilu, může koncentrace CO₂ během několika minut značně zvýšit až desetinásobně. Zatímco koncentrace CO₂ v atmosféře, relativně nezávisle na místě, je kolem 400 ppm (částic na milion), v interiéru lze při nedostatečném větrání dosáhnout až 5000 ppm. Hromadění CO₂ komplikuje metabolismus; již na _CO2koncentrace 1000 ppm může nastat ospalost a poruchy koncentrace.

Vzhledem ke specifickému účinku CO₂ na lidský metabolismus je selektivní měření této molekuly oprávněné. Pro CO₂ je zde vhodné selektivní buzení relativních kmitů jednotlivých atomů, kterého lze dosáhnout absorpcí infračerveného světla. Obrázek 1 ukazuje různé absorpční pásy typických plynů vyskytujících se v atmosféře.

Zde se ukazuje, že CO₂ s 4,26 μm má velmi výraznou as ostatními plyny do značné míry nepřekrývající se absorpční čáru, což je velmi vhodné pro selektivní měření. Na rozdíl od plynových senzorů na bázi NDIR, jako je SCD30 od Sensirion, fotoakustické senzory nedetekují množství prošlého světla, ale množství světla absorbovaného v plynu. To se děje nepřímo pomocí fotoakustického efektu: Tento efekt obecně popisuje zvýšení tlaku po absorpci světla v plynu.

Molekuly excitované IR-zářením přenášejí vibrační excitaci na jiné molekuly, což vede ke zvýšení translační energie, tj. k lokálnímu zvýšení teploty. V uzavřeném objemu vede nárůst translační energie ke zvýšení tlaku, který může být detekován tlakovým převodníkem. Obecná konstrukce nerezonančního fotoakustického senzoru plynu je znázorněna na obrázku 2.

Obrázek 2.

Technologie PASens®

Klíčovými součástmi fotoakustického senzoru jsou převážně uzavřený měřicí objem, který je osvětlen úzkopásmovým IR světlem, mikrofon pro detekci tlakových změn v měřicím objemu a otevření měřicí cely do okolí, které umožňuje výměnu plynu s okolí. Úzkopásmové IR světlo je obvykle generováno širokopásmovým zářičem, který vyzařované světlo vyzařuje přes optický pásmový filtr.

S fotoakustickým senzorem, jako je SCD4x, je generován signál, který určuje koncentraci CO₂ následovně:

• Zdroj IR světla je zapnutý a vysílá úzkopásmové IR světlo do měřeného objemu. To vede k vibračním excitacím molekul plynu, které mají být měřeny, zde CO₂.
• Po krátké době (typicky několik milisekund) oscilace ustoupí, což vede ke zvýšení teploty, což následně vede ke zvýšení tlaku.
• V porovnání s časy buzení a deexcitace molekul plynu se tlak uvnitř měřicí komory rychle vyrovná, takže nárůst tlaku lze zaznamenat mikrofonem připojeným k měřicí komoře. 
• Po několika 10 ms se světelný zdroj vypne, čímž se teplota a tím i tlak sníží termizací měřicí cely s okolím a systém se vrátí do výchozího stavu.

Pro zvýšení odstupu signálu od šumu generovaného signálu se výše uvedený cyklus měření několikrát opakuje. Pro tento účel je světelný zdroj modulován, generované periodické změny tlaku pak lze považovat za zvukové vlny. Na rozdíl od SCD30, pro který byla žárovka první volbou, byl pro SCD4x zvolen zářič na bázi MEMS vyvinutý společností Sensirion. To lze rychle modulovat a má lepší dlouhodobou stabilitu díky aktivnímu řízení. Pro miniaturizaci a ochranu snímače před vlivy prostředí jsou všechny součásti SCD4x instalovány uvnitř měřicí cely, viz obrázek 3.

Obrázek 3.

Závěr

Sensirion je opět v čele inovací v oblasti environmentálního snímání s cílem vytvořit zdravější a produktivnější prostředí. Příběh úspěchu v technologii senzorů CO₂ s SCD30 pokračuje prolomením bariéry velikosti pro tyto senzory pomocí SCD40 - SCD4x je první miniaturizovaný senzor CO₂, jehož velikost a cena umožňuje integraci do různých zařízení v domácnostech, aniž by došlo ke snížení výkonu ve srovnání s tradičním NDIR. senzory. Grafika ukazuje příkladné aplikace/zařízení, která mohou být vybavena inovativním řešením senzoru CO₂ společnosti Sensirion.

Tato nová technologie pro environmentální měření podtrhuje expertní postavení společnosti Sensirion v oblasti technologie environmentálních senzorů. Vysoký stupeň inovace brzy dostupného senzoru CO ₂ SCD4x podtrhují také různé nominace. Senzor již získal ocenění „Best of Sensors“ na SensorsExpo 2019, byl finalistou v kategorii „Nejinovativnější produkt“ na veletrhu AHR 2020 a finalistou v soutěži AMA Innovation Award 2020.

Existuje celá řada již připravených PCB s implementovaným čidlem, kde stačí k připraveným pinům připojit mikrokontrolér. Pokud, je k dispozici samotné čidlo, tak v domácích podmínkách je trochu komplikované připájet vývody, protože se měď z čidla velmi často utrhne a čidlo je zničené. Nicméně pro dosažení co nejmenších rozměrů je nutné být velice opatrný při pájení výstupů z čidla. 

Při implementaci čidla se musí zapojit podle následujícího schématu:

VDD a VDDH se používají k napájení snímače a musí být vždy udržovány na stejném napětí, to znamená, že by měly být oba připojeny ke stejnému napájení. Je třeba dbát na to, abyste zvolili nízkošumový napájecí zdroj (nejlépe nízkoodpadový regulátor, LDO, s výstupním zvlněním menším než 30 mV p-p), který je adekvátní dimenzované na relativně velké špičkové proudy. Je třeba se vyhnout konfiguracím napájecího zdroje s velkými přechodnými poklesy napětí, aby byla zajištěna správná funkce snímače. SCL se používá k synchronizaci I2C komunikace mezi masterem (mikrokontrolérem) a slave (senzorem). SDA pin se používá pro přenos dat do a ze senzoru. Pro bezpečnou komunikaci musí být splněny specifikace časování definované v příručce I2C13. Linky SCL i SDA by měly být připojeny k externím pull-up odporům (např. Rp = 10 kΩ, viz obrázek). Aby se předešlo konfliktu signálu, musí mikrokontrolér řídit pouze nízké SDA a SCL. Při dimenzování velikostí rezistorů prosím vezměte v úvahu kapacitu sběrnice a komunikační frekvenci (viz příklad v sekci 7.1 příručky NXPs I2C pro více podrobností13). Je třeba poznamenat, že pull-up rezistory mohou být součástí I/O obvodů mikrokontrolérů.

Senzor poskytuje hodnoty v jednotkách PPM (parts per milion) Jednotka koncentrace s významem počet částic v milionu, tedy jde o jiný zápis jednotky μmol/mol. Podobně jako procenta (per cento) znamená počet ve stovce a promile (per mīlle) znamená počet v tisíci, ppm je počet v miliónu, tedy 1ppm = 1 desetitisícina procenta. Příklad: koncentrace 400 ppm CO₂ odpovídá 0,4 ‰ nebo 0,04 % a znamená, že v jednom milionu molekul vzduchu je 400 molekul CO₂.

Přepočet mezi různými jednotkami koncentrací CO₂: 1000 ppm = 1800 mg/m3 = 0,1 %.

Programování

Progamování využívá knihovnu SparkFun_SCD4x_Arduino_Library. Samotný senzor se připojí pomocí čtyř vodičů: VCC, GND, SDA, SCL.

#include <Wire.h>

#include "SparkFun_SCD4x_Arduino_Library.h"
SCD4x SCD41;

void setup() 
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("SCD41 and MeteoMini example code");
  Wire.begin();

  //             begin, autoCalibrate
  //               |      |
  if (SCD41.begin(false, true) == false)
  {
    Serial.println("SCD41 was not set correctly. Check the connection.");
    while (1)
      ;
  }

  if (SCD41.startLowPowerPeriodicMeasurement() == true)  {
    Serial.println("Low power mode enabled.");
  }
}

void loop() 
{
  if (SCD41.readMeasurement()) // wait for a new data (approx 30s)
  {
    Serial.println();

    Serial.print("CO2(ppm):");
    Serial.print(SCD41.getCO2());

    Serial.print("\tTemperature(C):");
    Serial.print(SCD41.getTemperature(), 1);

    Serial.print("\tHumidity(%RH):");
    Serial.print(SCD41.getHumidity(), 1);

    Serial.println();
  }

  delay(1000);
}

Zdroje:

https://www.laskakit.cz/user/related_files/sensirion_co2_sensors_scd4x_datasheet.pdf
https://www.laskakit.cz/user/related_files/sensirion_co2_sensors_scd4x_design-in_guide.pdf 

Literatura:

Breaking the size barrier in CO₂ sensing. Sensirion [online]. USA: RNT, 2023 [cit. 2022-08-19]. Dostupné z: https://sensirion.com/products/product-insights/specialist-articles/breaking-the-size-barrier-in-co2-sensing/

https://automatizace.hw.cz/kvalita-vzduchu-v-uzavrenych-mistnostech-7-co2.html