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In einer Zeit zunehmender Smogprobleme wird die Überwachung des Zustands der Atmosphäre für die Gesundheit immer wichtiger. Erfahren Sie mehr über Luftqualitätssensoren.
Einsatz von Luftqualitätssensoren
Elektronische Luftqualitätssensoren werden heute in einer Reihe von Bereichen eingesetzt, die scheinbar nichts miteinander zu tun haben – von der Industrie, der Meteorologie und der Forschung bis hin zur Überwachung des Mikroklimas in Wohnungen und an Arbeitsplätzen. Es gibt hauptsächlich drei Arten solcher Sensoren: optische, elektrochemische und Halbleitersensoren. Jeder hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften, bietet unterschiedliche Messmöglichkeiten, Genauigkeit, einfache Integration und natürlich den Preis. In diesem Artikel werden wir alle drei derzeit erhältlichen Arten von Luftqualitätssensoren betrachten, die sowohl in eigenen Amateurprojekten als auch in kommerziellen Endgeräten erfolgreich eingesetzt werden können.
Optische Sensoren
Optische Sensoren, die auch als Lasersensoren bezeichnet werden (obwohl nicht alle diese Geräte ausschließlich auf Laserlichtquellen basieren), funktionieren nach dem Prinzip der Messung der Intensität des in der Messkammer gestreuten Lichts, was die Erkennung von Luftpartikeln (PM2,5, PM10, Staub, Zigarettenrauch oder Pollen) ermöglicht.
Ein hervorragendes Beispiel ist das sehr beliebte Modul GP2Y1010AU0F von Sharp, das Teilchen einer Größe von 0,8 μm (!) erkennen kann. Der Vorteil dieser Sensoren liegt in ihrer hohen Empfindlichkeit, die es ermöglicht, auch kleine Partikelkonzentrationen zu erkennen. Leider ist mit denselben Konstruktionsmerkmalen, die der verwendeten Messmethode zugrunde liegen, auch der größte Nachteil dieser Bauteile verbunden, nämlich die Neigung zur Ansammlung von Schmutz, was die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund müssen optische Staubsensoren regelmäßig gewartet werden.
Elektrochemische Sensoren
Elektrochemische Sensoren nutzen spezifische Redoxreaktionen, um bestimmte Gase wie Kohlenmonoxid (CO), Schwefeldioxid (SO2) oder verschiedene Arten von Stickoxiden (kurz NOx) zu erkennen.
Ein Beispiel dafür ist der (im Botland-Shop erhältliche) kompakte, flache Formaldehyd-Sensor (HCHO), der auf dem ZE08-Sensor basiert und von den DFRobot-Ingenieuren mit den wichtigsten peripheren Schaltkreisen “gekapselt” wurde, so dass das Modul nahtlos mit der Arduino-Plattform zusammenarbeiten kann.
Elektrochemische Sensoren sind meist hochselektiv und empfindlich und können aufgrund ihrer geringen Größe auch in tragbaren Geräten eingesetzt werden. Aufgrund ihres Aufbaus, der auf einer dünnen Schicht einer chemisch aktiven Substanz (Reaktant) beruht, sind Sensoren dieser Gruppe in der Regel recht empfindlich gegenüber Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen und haben eine begrenzte Lebensdauer, so dass sie regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Außerdem reagieren viele Sensoren auch – mehr oder weniger stark – auf andere chemische Verbindungen, was bei der Auswahl eines Bauteils für anspruchsvollere Anwendungen berücksichtigt werden sollte.
Halbleitersensoren
Halbleitersensoren, wie das Modell MQ-135, reagieren auf das Vorhandensein bestimmter Gase, indem sie den am Ausgang gemessenen Widerstand ändern. Der MQ-135-Sensor ist in der Lage, eine Reihe von Gasen, einschließlich Ammoniak, Benzol und Alkohol, von 10 bis 300…1000 ppm (je nach Substanz) zu erkennen.
Elemente dieser Art sind relativ preiswert und haben eine relativ lange Lebensdauer, was sie für viele Anwendungen interessant macht, bei denen die Selektivität weniger wichtig ist als die Empfindlichkeit und die Breite des Messbereichs. Aus diesem Grund finden sich diese Sensoren vor allem in Geräten, deren Zweck nicht nur darin besteht, die genauen Konzentrationen von Gasen zu messen, sondern vielmehr deren Gesamtgehalt in der Luft zu bestimmen.
Kompakte optische Staubsensormodule - Aufbau und Anwendung
Es ist erwähnenswert, dass die meisten handelsüblichen optischen (Laser-) Schwebstoffsensormodule einen recht ähnlichen Aufbau haben. Deshalb werden wir in unserem Artikel ein ausgewähltes Beispiel betrachten – das Modul PMS5003 von Plantower, erhältlich bei Botland in verschiedenen Versionen, die sich in ihrem Funktionsumfang unterscheiden.
Hauptbestandteil des Moduls ist ein Laserdetektor, der einen Lichtstrahl in Richtung der Messkammer aussendet und einen Teil des von den Staubpartikeln reflektierten Lichts in Richtung der Fotoelektrode empfängt. Die Intensität des reflektierten Lichts ist proportional zur Anzahl und Größe der Partikel in der Probe, so dass ihre Konzentration (annähernd) quantifiziert werden kann. Wichtig ist, dass das Modul mit einem kleinen integrierten Ventilator ausgestattet ist, der einen stabilen, genau kontrollierten Testluftstrom durch die Messkammer erzeugt.
Das Modul PMS5003 kann in seiner Grundversion Partikel verschiedener Größen erkennen, von PM1.0 (0,3 µm bis 1,0 µm), über PM2.5 (1,0 µm bis 2,5 µm), bis PM10 (2,5 µm bis 10 µm) und liefert Informationen über ihre Konzentration in Mikrogramm pro Kubikmeter (µg/m3). Das Produkt ist auch in der Lage, zwischen den Partikelgrößen zu unterscheiden, die zu den drei bereits erwähnten Unterbereichen (PM1.0 bis PM10) gehören.
Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt über eine einfache UART-Schnittstelle, so dass die Daten problemlos von jedem Mikrocontroller oder Computer gelesen werden können. Alle notwendigen Berechnungen und Selbstregulierungsfunktionen werden von dem im Controller des Moduls eingebetteten Prozessor durchgeführt, so dass das Ganze auch von Mikroprozessoren mit geringer Rechenleistung – wie den Chips der Atmega-Serie, auf denen die meisten Arduino-Boards basieren – erfolgreich bewältigt werden kann. Darüber hinaus werden die Daten in fertiger digitaler Form geliefert, so dass eine zusätzliche Kalibrierung oder Skalierung der Ergebnisse nicht erforderlich ist.
Der große Vorteil des PMS5003-Moduls ist seine kompakte Größe (50mm x 38mm x 21mm) und seine relativ schnelle Reaktionszeit auf eine Konzentrationsspitze (die vom Hersteller angegebene Reaktionszeit auf Änderungen der Umgebungsbedingungen beträgt weniger als 10 Sekunden), wodurch sich der Sensor für eine Vielzahl von Anwendungen eignet – von Wetterüberwachungsstationen bis hin zu Wohnungslüftungsgeräten, Luftreinigern usw. Die von DFRobot entwickelten Kits, die neben dem Modul selbst auch eine kleine Platine mit allen notwendigen Komponenten für den einfachen Anschluss des Sensors an ein beliebiges Arduino-Board enthalten, werden die Durchführung von Experimenten und den Bau von Prototypsystemen auf der Grundlage des PMS5003-Chips sicherlich erleichtern. Um die Entwicklung der Software für den Betrieb des Moduls zu beschleunigen, hat der Hersteller – wie immer in solchen Fällen – für eine perfekt vorbereitete Dokumentation gesorgt, die sowohl ein Tutorial zu Hardware-Aspekten als auch Beispielprogramme zur Implementierung des im Sensor verwendeten UART-Kommunikationsprotokolls enthält.
