Jste zde

Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 6. Senzory PM částic

Antonín Vojáček, 22. Duben 2019 - 14:38

Jak se měří koncentrace PM částic, tedy polétavého prachu? Princip funkce i příklady senzorů i měřáků si ukážeme v 6. díle seriálu o kvalitě vzduchu.

V minulém 5. díle "Kvalita vzduchu v uzavřených místnostech - 5. Co jsou PM částice?" jsem se podívali, co to jsou a jak jsou z pohledu kvality vzduchu nebezpečná koncentrace polétavého prachu, tedy odborně řečeno PM částic. Dnes se podíváme, jak se měří a jak vypadají současné moderní senzory a měřící jednotky.

Jak pracují senzory PM částic?

Senzory na PM částice ve všech případech využívají principu pohlcení či rozptýlení paprsku světla na PM částicích pro měření (zjištění) počtu, velikosti a koncentraci částic. V zásadě se zde vychází z jednoduchého poznatku, že čím více je části prachu v měřeném vzorku vzduchu, tí méně světla přes ně projde. Množství pohlceného nebo odraženého světla na částicích je tak úměrné okamžité koncentraci částic ve daném vzorku vzduchu.

I když různí výrobci PM senzorů využívají v detailu různě odlišná řešení, obecně vždy však využívají následující základní komponenty:

zdroj světla - vytvářející paprsek namířený na vzduch s částicemi (obvykle dnes LED nebo Laser),
detektor světla - měřící množství rozptýleného, vychýleného či pohlceného světla na částicích,
elektronické obvody - zpracovávající výstup z detektoru a provádějící výpočet hodnoty koncentrace.

Kvalita a přesnost měření senzoru PM částic tak víceméně hlavně závisí na kvalitě a přesnosti provedení výše uvedených komponent. Velké průmyslové detektory používají jen širokopaprskové či vícepaprskové světelné zářiče a plošné detektory světla, které měří celkový útlum intenzity světla na hustotě množství částic napříč měřeným vzduchovým kanálem. Jde obvykle o velká provedení pro instalaci do komínů a kouřovodů. Pro potřeby malých přístrojů pro měření v místnostech či pro realizaci přesných referenčních se pak využívají již jednopaprskové miniaturní senzory o velikosti malého modulu či dokonce již i integrované součástky. Těmi se pak vzhledem k zaměření článku na měření kvality vzduchu v místnostech budeme věnovat i dále.

Popis funkce měřící jednotky / senzoru koncentrace PM částic.

Levnější PM senzory pro měření kvality vzduchu v místnostech používají jako zdroj světla LED diody, které však generují široký a nekoherentní paprsek s menší výkonovou hustotou. Průměr paprsku podstatně převyšuje velikost částice, jednotlivé částice také rozptylují pouze malé množství světla, což následně na detektor světla generuje je málo rozdílný signál (malý odstup signál/šum) a tedy i méně přesné měření. Navíc elektrický signál na detektoru je generován současně od všech částic ozářených LED paprskem, což neumožňuje opticky rozlišit velikost částic a tedy v případě požadavku na rozlišení kategorií PM₁₀a PM_2.5, tedy vyloučení příliš velkých částic měření, se musí používat superjemné mechanické filtry, které je však nutné měnit z důvodu jejich znečištění.

Ukázka principu funkce PM senzoru využívající levnější a starší LED technologii.

Moderní a dražší PM senzory (jako například nově v roce 2018 vyvinuté senzory Sensirion SPS30) se využívá k detekci laserová technologie, která umožňuje rozlišení a měření aerosolových částic kategorií od 0,3 m a třídit částice do kategorií PM_0.5, PM_1.0, PM_2.5, PM₄ a PM₁₀. Laserový paprsek je zaostřen na malou oblast a malý průměr jeho paprsku obsahuje při větším výkonu na menší ploše tedy vyšší výkonovou hustotu. Částice, které se nacházejí ve směru paprsku tak rozptylují větší množství světla a na detektoru světla je pak generován více rozdílný el. signál (velký odstup signál/šum). Navíc signál přichází od každé částice individuálně, protože úzký paprsek dokáže snadněji rozlišit i malé mezery mezi částicemi, a lze tak opticky rozlišovat / škatulkovat od sebe částice podle jejich velikosti a tak příliš velké částice mohou být vyloučeny z měření.

Ukázka principu funkce PM senzoru využívající laserovou technologii.

Senzory a zařízení pro měření PM koncentrace v místnostech

Pro měření či detekce překročení koncentrace PM částic se tedy využívají samostatné na to specializované senzory. Ty dnes již jsou sami osobě minimalizovány i do velikosti elektronických součástek o velikosti několika desítek milimetrů, jako například senzor Sensirion SPS30, který představuje zatím absolutní špičku v miniaturizace v tomto směru 41 x 41 x 13 mm. Tento moderní laserový senzor dokáže měřit koncentrace částice v kategoriích PM_0.5, PM_1.0, PM_2.5, PM₄ a PM₁₀s přesností ± 10 µg/m³ v rozsazích 0 až 100 µg/m³ a ± 10% rozsahu v rozsazích 100 až 1 000 µg/m³při teplotách -10 až 60°C. Při měřící / vzorkovací periodě 1 sekunda pak výrobce garantuje minimální životnost 8 let při používání 24 hodin / 365 dní. Protože jde o součástku je určena pro napájení 5 VDC a nabízí komunikaci I2C a UART. Mezi starší ale podobně kompaktní senzory pak například patří SHARP GP2Y1010AU, který používá starší LED optický systém.

PM senzory Sensirion SPS30 (vlevo) a Sharp GP2Y1010AU (vpravo).

Podobně velké, jako výše uvedené "součástky" jsou pak i kompletní kompaktní jednotky pro ventilace. Například lze uvést měřící jednotky Honeywell řady HPM již v podobě celkového vestavného laserového měřícího zařízení do ventilačního systému v podobě miniaturní "krabičky" i s vestavěným ventilátorem o velikosti opět je jen několik desítek mm, konkrétně 43x 36 x 23 mm. Slouží pro měření koncentrace v základních sledovaných kategoriích PM_2.5 a PM₁₀ s přesností ± 15 µg/m³ v rozsazích 0 až 100 µg/m³ a ± 15% rozsahu v rozsazích 100 až 1 000 µg/m³při teplotách -10 až 50°C a periodou měření 6 s. Podobnou malou vestavnou jednotkou velikosti 50x45x21 mm je Smart Prototyping Air Quality Sensor, který umí mimo kategorie PM_2.5 (velikosti částic 1,0-2,5 µm) a PM₁₀(velikosti částic 2,5-10 µm) měřit i menší částice kategorie PM_1.0(velikosti částic 0,3-1,0 µm) s rozlišením na 0,3 µm/m³ v rozsahu do 1 000 µg/m³.

PM měřící jednotka Honeywell řady SPM.

Nicméně takové senzory i kompaktní neslouží pro přímé uživatelské použití, ale dále je nutné je vestavět do jednoduchých uživatelských zařízení, buď přenosných nebo pro snadné upevnění v domácnostech (například na zeď). Ty obvykle provádějící měření současně více složek vzduchu najednou pro zjištění celkové kvality vzduchu v místnosti, tzv. IAQ (Indoor Air Quality) nebo instalují do ventilačních nebo klimatizačních jednotek.

Mezi zajímavá přenosná zařízení pro měření koncentrace PM částic, zaměřený hlavně pro kontrolní, monitorovací a testovací účely, patří univerzální Aeroqual Series 500 jednotka s PM měřícím nástavcem PM10/PM2.5. Ta umožňuje měření v základních kategoriích PM_2.5 a PM₁₀ s velmi vysokou přesností ± 2 µg/m3 v rozsazích 0 až 1 000 µg/m³ při teplotách 0 až 40°C s periodou měření 5 s.

Příruční přenosný přesný měřič koncentrace PM částic Aeroqual 500 s měřícím nástavcem P10/2.5.

Videoperezentace Honeywell SPM

Závěr 6. dílu

Spolu s měřením plynů CO, CO₂, oxidu dusíku a organických těkavých látek VOC, patří měření koncentrace PM částic také mezi poměrně běžně hlídané složky kvality vzduchu a najdete ho jako součást většiny dražších hlídačů IAQ.