Array
(
    [0] => stdClass Object
        (
            [id] => 13396
            [title] => Sierpień 2018
            [categories_id] => 3421
            [ulubionykiosk_id] => 0
            [categories_type_id] => 1170
            [alias] => sierpien-2018
            [introtext] => 
            [ordering] => 0
            [date_publish] => 2018-08-01 00:00:00
            [categoryTitle] => Magazyn
            [categoryAlias] => magazyn
            [parent_id] => 1
            [categoryParentId] => 1
            [categoryParentTitle] => ROOT
            [categoryAddressTitle] => 
            [categoryId] => 3421
            [date_start] => 0000-00-00 00:00:00
            [date_end] => 0000-00-00 00:00:00
            [disqus_likes] => 0
            [disqus_posts] => 0
            [content_id] => 12486
            [images] => Array
                (
                    [0] => stdClass Object
                        (
                            [content_id] => 13396
                            [id] => 22580
                            [width] => 651
                            [height] => 900
                            [alias] => lidowe
                            [src] => /images/2018/09/20/22580-okladka-ep8.png
                            [title] => 
                            [description] => 
                            [zrodlo] => 
                        )

                    [1] => stdClass Object
                        (
                            [content_id] => 13396
                            [id] => 22581
                            [width] => 651
                            [height] => 900
                            [alias] => lidowe
                            [src] => /images/2018/09/20/22581-spis-ep8.png
                            [title] => 
                            [description] => 
                            [zrodlo] => 
                        )

                )

            [linkRoute] => index.php?option=com_avtcontent&view=article&id=13396&alias=sierpien-2018&catid=3421&type=1170&Itemid=833
            [link] => /archiwum/13396-sierpien-2018
            [fields] => stdClass Object
                (
                    [item] => Array
                        (
                        )

                )

        )

)

Wskaźnik zanieczyszczenia powietrza

Wskaźnik zanieczyszczenia powietrza
W ostatnim czasie tematyka czystości powietrza nabrała dużego znaczenia. Przyczyną tego był smog, którego doświadczyli mieszkańcy wielu miast. Jednak zanieczyszczenie powietrza to nie tylko smog. Branża elektroniczna wymaga pod tym względem szczególnej uwagi. Hale produkcyjne, stanowiska montażowe, stosowane tam narzędzia oraz chemia powodują powstawanie dymu, oparów i pyłu, które mogą być szkodliwe dla zdrowia. Prezentowane urządzenie pozwoli skontrolować czystość powietrza tam, gdzie mieszkamy lub pracujemy.

Powietrze zanieczyszczają substancje gazowe, ciekłe oraz stałe. Naturalnym zjawiskiem jest istnienie w powietrzu substancji w gazowym stanie skupienia. Ciecze i ciała stałe mogą występować w powietrzu tylko w postaci malutkich cząstek – tzw. pyłu zawieszonego PM (particulate matter) zwanego także aerozolem atmosferycznym. W zależności od wielkości ziaren powszechnie stosuje się podział na:

PM2,5 – pył o wielkości cząstek 2,5 mikrometra lub mniejszej, są to głównie stosunkowo reaktywne związki organiczne i nieorganiczne.

PM10 – wszystkie cząstki o wielkości 10 mm lub mniejszej (czyli także PM2,5), są to głównie stosunkowo obojętne chemicznie związki, takie jak na przykład krzemionka.

TSP (total suspended particulates) – całkowity pył zawieszony, czyli wszystkie aerozole, o średnicy cząstek zarówno poniżej, jak i powyżej 10 mm.

Na rysunku 1 pokazano porównanie pyłów typu PM2,5 oraz PM10 ze średnicą ludzkiego włosa, natomiast na fotografii 2 zdjęcia cząsteczek zanieczyszczeń wykonane mikroskopem elektronowym.

Metody pomiarów

Najbardziej precyzyjną metodą pomiaru ilości pyłu zawieszonego jest metoda grawimetryczna, zwana również metodą manualną (referencyjną). W dużym uproszczeniu, metoda ta polega na obliczeniu różnicy ciężaru filtra po ekspozycji i przed ekspozycją. Ekspozycja polega na tym, że przez filtr przepływa określona ilość powietrza, a zawarty w nim pył zatrzymuje się na filtrze. W ten sposób jest możliwe obliczenie stężenia pyłów, które jest wyrażane w mikrogramach na metr sześcienny [mg/m3].

Metoda grawimetryczna jest bardzo dokładna, ale za to bardzo czasochłonna, natomiast aparatura pomiarowa kosztowna. Dla uzyskania pomiarów o mniejszej dokładności stosuje się inne rozwiązania. Jednym z nich są laserowe czujniki pyłu.

Głównym elementem laserowego czujnika pyłu jest kanał, którym przepływa powietrze. Strumień powietrza jest oświetlony laserem o określonych parametrach. Cząsteczki stałe znajdujące się w powietrzu powodują pochłonięcie lub odbicie części światła, więc jego natężenie maleje. Element światłoczuły wykrywa różnicę natężenia światła i na tej podstawie jest obliczana zawartość cząsteczek zanieczyszczających powietrze. Opisaną zasadę działania zilustrowano na rysunku 3.

Budowa urządzenia

W opisywanym urządzeniu, którego schemat zamieszczono na rysunku 4, zastosowano laserowy czujnik pyłu zawieszonego o symbolu PMSA003. Czujnik wymaga zasilania napięciem 5 V, ma niewielkie wymiary, zapewnia bardzo szybką reakcję i potrafi zmierzyć stężenie w trzech zakresach: PM1,0/PM2,5/PM10. Informacje przesyłane są interfejsem UART o poziomie 3,3 V, dlatego chcąc połączyć sensor z płytką Arduino UNO należy zastosować odpowiedni konwerter napięcia. Lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie płytki bazowej pracującej w standardzie 3,3 V. Tu doskonałym wyborem jest płytka AVT1620 z mikrokontrolerem LPC1114.

Aby wyniki pomiarów zaprezentować w estetyczny i czytelny sposób, zastosowano kolorowy wyświetlacz TFT o przekątnej 1,8 cala. Nieco trudności może sprawić przyłączenie czujnika, ponieważ ma on złącze goldpin o gęstym rastrze – 1,27 mm. W zestawie z czujnikiem otrzymujemy odpowiednie gniazdo .Przy odrobinie cierpliwości można do niego przylutować poczwórne gniazdo goldpin o standardowym rastrze 2,54 mm i wtedy można dołączyć standardowe przewody. Opis złącza pokazano na rysunku 5.

Program sterujący

Czujnik PMSA003 został wyposażony w interfejs UART. Komunikacja może odbywać się w dwóch trybach:

- Pasywnym (passive) – wtedy dane przesyłane będą tylko w odpowiedzi na komendę z układu nadrzędnego – hosta.
- Aktywnym (active) – dane przesyłane będą automatycznie co ok. 2 sekundy.

Po włączeniu zasilania domyślnie jest uruchamiany tryb aktywny. Dodatkowa właściwość tego trybu polega na tym, że w wypadku znacznej zmiany poziomu zanieczyszczenia powietrza następuje zwiększenie częstotliwości pomiarów - kolejne wyniki są przesyłane co około 0,5 sekundy.

Parametry komunikacji UART to: 9600, 8, none, 1. Dane przesyłane są w postaci ramek o długości 32 bajtów. Ich znaczenie opisuje tabela 1. Z ramki można odczytać gotowe wyniki pomiaru wartości PM1,0, PM2,5 oraz PM10 policzone dla różnych warunków.

Urządzenie wykonano do pomiaru zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach, dlatego wykorzystuje informacje z bajtów od 5 do 10 i obrazuje w postaci 3 słupków. Na słupkach zaznaczone są poziomy dopuszczalne stę?e?. Gdy wskazanie przekroczy dopuszczaln? warto??, wype?nienie s?upka zmienia kolor na?czerwony, jak pokazano na?żeń. Gdy wskazanie przekroczy dopuszczalną wartość, wypełnienie słupka zmienia kolor na czerwony, jak pokazano na fotografii 6.

Podsumowanie

Dzięki zastosowaniu wyspecjalizowanego czujnika możliwe stało się zmierzenie parametru, który należy do grupy parametrów trudnych do zmierzenia. Dlatego nasuwa się pytanie czy taka uproszczona metoda jest równie dokładna jak metoda referencyjna? Zasadniczą wadą laserowych czujników zanieczyszczeń powietrza jest to, że nie odróżniają cząsteczek zanieczyszczeń od cząsteczek wody zawartych w powietrzu, która nie jest zanieczyszczeniem powietrza. Dlatego wilgotność powietrza będzie wpływała na wyniki pomiarów, czasami w bardzo dużym stopniu. Jednak nie jest to wada która, dyskwalifikuje taką metodę pomiarową. W Internecie można znaleźć wiele gotowych urządzeń działających na podobnej zasadzie, więc i nasz „gadżet” nie jest bezużyteczny.

KS
ep@prolab.waw.pl


Artykuł ukazał się w
Sierpień 2018
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik grudzień 2019

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio grudzień 2019

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje grudzień 2019

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2019

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów