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利用傳感技術監(jiān)測并解決環(huán)境問題,打造可持續(xù)未來

e絡盟 ? 2024-10-18 16:39 ? 次閱讀

作者:e絡盟技術團隊

要想打造可持續(xù)未來,傳感器環(huán)境監(jiān)測中的作用至關重要。全球能耗上升、能源密集型制造工藝、家用電器產(chǎn)生的溫室氣體、畜牧生產(chǎn)和焚燒作物秸稈等粗放型耕作方式都是造成氣候危機的原因。所有這些因素都增加了環(huán)境中的二氧化碳 (CO2) 含量,影響了人們的生活質(zhì)量。各種傳感器功能各異,對收集環(huán)境多個方面的準確和可靠的數(shù)據(jù)發(fā)揮著關鍵作用。傳感器是評估空氣和水質(zhì)、土壤健康甚至氣候狀況不可或缺的工具。先進的傳感器能夠精確、高效地實時收集這些數(shù)據(jù)。本文詳細闡述為打造綠色環(huán)境,通過估算室內(nèi)環(huán)境、農(nóng)田和畜牧業(yè)中的溫室氣體來監(jiān)測環(huán)境時所需的傳感解決方案。

家用電器中溫室氣體檢測的必要性

溫室氣體可以用全球變暖潛能值 (GWP) 來定義。GWP衡量溫室氣體對大氣的潛在影響,以相對于參考氣體 CO2的系數(shù)表示。減少住宅環(huán)境中的溫室氣體排放對于減緩全球氣候變化至關重要。冰箱、暖通空調(diào)、通風和空調(diào)系統(tǒng)等室內(nèi)家用電器是溫室氣體的重要來源。商業(yè)制冷行業(yè)和暖通空調(diào)應該優(yōu)先努力減少溫室氣體的排放,為可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境做出貢獻。

二氧化碳 (CO2) 傳感器基于光聲光譜 (PAS) 原理工作,可以檢測甲烷、丙烷、R-32和 R454B氣體(可能還有其他氣體),所有這些氣體都是溫室效應的罪魁禍首。

光聲光譜 (PAS) 原理

在光聲光譜 (PAS) 中,來自紅外光源的脈沖形式的光通過一個調(diào)諧到目標測量氣體的吸收波長的光學濾波器。測量室中的氣體分子吸收每一個脈沖的濾波光,使它們振動并產(chǎn)生壓力波。這種現(xiàn)象被稱為“光聲效應”。針對低頻操作進行了優(yōu)化的聲學檢測器檢測產(chǎn)生的壓力變化,微控制器則將輸出轉換為氣體濃度讀數(shù)。吸收室可以隔離外界噪音,以提供精確的氣體傳感數(shù)據(jù)。

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圖 1:光聲光譜技術(資料來源)

如圖 1所示,許多行業(yè)和應用都使用光聲光譜技術,特別是在檢測制冷劑泄漏方面。其靈敏度高、選擇性強,能夠檢測到目標氣體的微小濃度,有助于區(qū)分各種制冷劑。這種特殊性有助于將制冷劑泄漏與環(huán)境中其他常見氣體區(qū)分開來。此外,PAS技術還具有實時監(jiān)測和檢測范圍廣的優(yōu)點。

英飛凌的 XENSIVTM PAS CO2

英飛凌的XENSIVTM CO2傳感器精度高、結構緊湊,具有 SMD功能,因此適用于室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測解決方案、暖通空調(diào)家用電器、智能家居物聯(lián)網(wǎng)設備、農(nóng)業(yè)/溫室和艙內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測裝置。

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圖 2: PAS CO2 V019(資料來源)

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圖 3: PAS CO2傳感器方框圖(資料來源)

如圖 3所示,該傳感器采用針對低頻工作進行優(yōu)化的 MEMS擴音器,使其能夠檢測腔內(nèi) CO2分子產(chǎn)生的壓力變化。XENSIVTM 的直接 ppm讀數(shù)、卷帶包裝、SMD功能和簡單的設計使其能夠快速輕松地集成到客戶的系統(tǒng)中,可用于小批量和大批量應用。

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圖 4:帶有 CO2傳感器的室內(nèi)暖通空調(diào)監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量的示例(資料來源)

圖 4顯示了帶有 CO2傳感器的室內(nèi)暖通空調(diào)設備。您可以通過暖通空調(diào)設備調(diào)節(jié)房間的通風。這種調(diào)節(jié)是通過微控制器產(chǎn)生 I/O信號,進而啟動室內(nèi)風扇降低室內(nèi) CO2含量來實現(xiàn)的。這樣,暖通空調(diào)系統(tǒng)可在監(jiān)測空間內(nèi)保持適宜的空氣質(zhì)量。

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圖 5:家庭環(huán)境中的CO2監(jiān)測示意圖,26英尺 x 21英尺空間,1人居住(資料來源)

圖 5顯示了空調(diào)系統(tǒng)關閉的情況下,在通風不良的空間中監(jiān)測 CO2的情況。白天在只有一個人居住和露臺門打開的情況下(曲線上的第一個凹點),CO2水平顯著下降。居住者始終與傳感器保持大約 1到 2英尺的距離,用筆記本電腦工作,呼吸規(guī)律。曲線的后半部分表示居住者離開封閉空間后,曲線從較高的 CO2水平下降到更健康(綠色)的室內(nèi)空氣質(zhì)量。

每分鐘進行一次讀數(shù),圖表會迅速更新,以反映 CO2濃度的變化。這種監(jiān)測在居住者較多的小環(huán)境中必不可少,可以清楚地表明需要改善氣流。

總揮發(fā)性有機化合物 (TVOC)檢測可以改善室內(nèi)基礎設施的空氣質(zhì)量

揮發(fā)性有機化合物 (VOC) 是室內(nèi)空氣質(zhì)量差的主要原因。這種檢測用來監(jiān)測學校、公共建筑和家庭等關鍵場所的污染物,如洗滌劑、香水、烹飪原料等。

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圖 6:家中 TVOC的來源(資料來源)

揮發(fā)性有機化合物的來源如圖 6所示。根據(jù)室內(nèi)裝飾和使用模式的不同,一個房間內(nèi)可能同時存在不同的有機化合物。與 VOC接觸有關的健康風險取決于這些化合物的濃度水平。因此,使用可靠和靈敏的儀器來檢測其濃度至關重要。

Renasas的 ZMOD4410氣體傳感器結構緊湊,易于安裝,生命周期較長,可以監(jiān)測不同位置的TVOC。

用于評估室內(nèi)環(huán)境中 TVOC濃度的室內(nèi)空氣質(zhì)量 (IAQ)傳感器

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圖 7: ZMOD4410(資料來源)

Renesas的 ZMOD4410氣體傳感器模塊通過檢測 TVOC來監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量 (IAQ)。它利用氣體比 TVOC更容易檢測的事實來估算 CO2水平。該傳感器模塊能夠可靠地估算出室內(nèi)環(huán)境中 TVOC與 CO2濃度的相關性。該模塊可以在各種條件下有效工作,包括潮濕和多塵的應用環(huán)境,如噴霧、冷凝或浸泡等。傳感元件是硅基微熱板,采用堅固且高靈敏度的金屬氧化物 (MOx)化學電阻器。

基于 MOX的 TVOC傳感器測量 TVOC濃度,并使用該數(shù)據(jù)估算人為產(chǎn)生的 CO2濃度 (eCO2)基數(shù)。公式 1顯示了比例常數(shù)。

eCO?=a*b+TVOC --------公式 1

其中,b為人為產(chǎn)生的 CO2與TVOC的比值,a為恒定偏移量。

為了提高估算 CO2濃度的準確性,設定了具體的界限,最小濃度為地球大氣中 CO2的濃度,約為 400 ppm。室內(nèi)濃度應該低于這個值。在家庭或室內(nèi)環(huán)境中,最高濃度不太可能超過 5000 ppm。

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圖 8:廚房中 TVOC測量和相應的 eCO2示例(資料來源)

圖 8顯示了一小時內(nèi)在廚房中進行的一系列測量。在數(shù)據(jù)采集開始時,隨著人們進出廚房, TVOC(縱坐標 y 軸,單位為 mg/m3)和 eCO2(縱坐標 y軸,單位為 ppm)水平都會因人體呼吸活動或 CO2的釋放而上升。然而,在烹飪過程中,廚房氣體中只有 TVOC水平上升,而 eCO2水平保持不變。

用于可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐的傳感器

由于對環(huán)境的不利影響,農(nóng)民面臨著放棄傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術的壓力,如焚燒作物秸稈和密集耕作。此外,養(yǎng)牛會通過牛的腸道發(fā)酵(消化過程)和糞便產(chǎn)生甲烷 (CH4),進一步加劇了環(huán)境問題。專為可持續(xù)農(nóng)業(yè)設計的傳感器可提供技術解決方案,提高生產(chǎn)力和成本效益,減少具有全球變暖潛能值的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品。例如,這些傳感器可通過密切監(jiān)測動物個體健康狀況,并相應地調(diào)整其營養(yǎng),以預防疾病和改善群體健康。它們還有助于檢查土壤狀況,以便有針對性地施用農(nóng)藥和化肥。

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圖 9: NTAG智能傳感器(資料來源)

恩智浦的 NTAG智能傳感器可以提供有關動物健康狀況、土壤條件和優(yōu)化生長條件等方面的信息。NHS3152是 NTAG智能傳感器系列的一員,其 IC專門針對治療依從性監(jiān)測和記錄進行了優(yōu)化。它具有嵌入式 NFC接口、內(nèi)部溫度傳感器,和直接電池連接。這些功能支持有效的系統(tǒng)解決方案,只需最少的外部元件和單層箔片即可監(jiān)測藥物使用情況。它既可以通過電池供電,也可以采用 NFC供電。它包含多項功能,包括斷電模式和可選擇的 8 MHz或更低的 CPU頻率,以實現(xiàn)超低功耗。

e絡盟與供應商合作,提供各種環(huán)境傳感器和相關配件,如氣體檢測傳感器、濕度傳感器、PH值傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、溫度傳感器和TVOC傳感器等。

結語

傳感技術在解決環(huán)境問題和打造可持續(xù)未來方面具有巨大潛力。CO2和TVOC等傳感器通過監(jiān)測家用電器排放的溫室氣體,有助于保持室內(nèi)空氣質(zhì)量。這些傳感器對于創(chuàng)造宜居環(huán)境至關重要。同樣,利用傳感器來確定耕作和牲畜管理所需肥料的數(shù)量,可以減少農(nóng)業(yè)產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。通過采用和推廣綠色科技,我們可以減少 CO2排放,改善整體環(huán)境質(zhì)量。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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