Caso de uso de sensores ambientales: monitoreo de la calidad del aire en interiores

Monitoreo de la calidad del aire en interiores

Ronan Cooney para Mouser Electronics

La tecnología de sensores ha seguido avanzando durante la última década, haciendo posible diversas aplicaciones novedosas y casos de uso. Por ejemplo, han surgido la detección ambiental y el monitoreo de la calidad del aire, con un énfasis en la calidad del aire en interiores. Especialmente a raíz de la pandemia de COVID-19, se ha incrementado la preocupación y conciencia entre las personas respecto a la calidad del aire en espacios interiores.

Diversos factores se deben considerar cuando se monitorea la calidad del aire en interiores, incluyendo los niveles de dióxido de carbono (CO2), el material particulado (MP) y los compuestos orgánicos volátiles (COV). A pesar de los avances en detección, con tantas variables diferentes que deben rastrearse, el monitoreo de la calidad del aire en interiores es una tarea complicada. Esto es cierto particularmente desde la perspectiva del diseño de sistemas de hardware, en el que los diseñadores deben sortear los equilibrios entre desempeño, precisión y consumo de energía.

En este blog, discutiremos los diversos sensores utilizados en los sistemas de monitoreo de la calidad del aire en interiores, los desafíos que presenta el diseño de sistemas y algunas soluciones a estos problemas.

Sensores utilizados para monitorear la calidad del aire en interiores

Cuando se monitorea la calidad de aire en interiores se deben considerar tres principales contaminantes: CO2, MP y COV. En general, medir cada uno de estos contaminantes de forma individual requiere del uso de sensores específicos.
En el caso de la detección de CO2, tipos comunes de sensores incluyen sensores de infrarrojos no dispersivos (NDIR), sensores electroquímicos y sensores de semiconductor de óxido metálico (MOS). Por ejemplo, el T6793 de Amphenol Advanced Sensors es un NDIR de CO2 que está diseñado para ofrecer una precisión sumamente alta en aplicaciones de monitoreo de calidad del aire en interiores. Algunas especificaciones destacables de esta sensor incluyen una tasa de precisión de ±45 ppm +3 % de lectura en el rango de medición de 440 ppm a 2,000 ppm.

El MP, por otro lado, es uno de los tipos de contaminantes del aire más complicados ya que toma una gran cantidad de formas y proviene de una gran diversidad de fuentes. Generalmente, el MP está clasificado en una de tres categorías: partículas gruesas (PM10), partículas finas (PM2.5) y partículas ultrafinas (PM0.1, partículas con un diámetro ≤0.1µm). Como resultado de esta variedad, los sensores de MP usan diversas técnicas de detección, incluyendo conteo óptico de partículas y dispersión de volumen.

De forma similar, los COV incluyen diversos contaminantes y por lo tanto necesitan de múltiples formas de detección. Las tres formas más populares de sensores de COV incluyen detectores de fotoionización, detectores de ionización de llama y sensores de semiconductor de óxido metálico MOS. Estos sensores generalmente están calibrados usando gas isobuteno pero pueden presentar una amplia gama de reacciones y lecturas de salida dependiendo del COV que se esté midiendo en ese momento.

Más allá de estos tres principales contaminantes, otros factores como la temperatura y humedad son valiosos para monitorear puesto que son impulsores clave de toxinas.

Desafíos y compromisos en la detección ambiental

Dada la variedad de opciones de detección disponibles, determinar qué sensores usar para la aplicación correcta y el entorno correcto es uno de los aspectos más difíciles del diseño de un monitor de calidad del aire en interiores. Generalmente, la elección del sensor de un diseñador está determinada por dos consideraciones principales: potencia y desempeño.

La mayoría de los sistemas de monitoreo de la calidad del aire en interiores utilizan un sensor especializado para monitorear la calidad del aire además de un sistema de radio para transmitir los datos del sensor de forma inalámbrica a un centro en línea central donde se analizan. Para que estos sistemas ofrezcan la mayor flexibilidad y valor, suelen funcionar con baterías. Debido a la importancia de la vida útil de la batería, el principal equilibrio en el diseño en los sistemas de monitoreo de calidad del aire en interiores está entre el consumo de energía y el rendimiento.

En términos generales, un sensor ambiental tendrá un mejor desempeño a costa de un mayor consumo de energía. Por ejemplo, el uso de una frecuencia de muestreo más alta ayudará a que el sensor obtenga datos detallados pero incrementará de forma importante el consumo de energía de un dispositivo. Esto genera un agotamiento más rápido de la batería, lo que conlleva tiempos de inactividad y mantenimiento no deseados del dispositivo.

Por otro lado, mantener el consumo de energía al mínimo a menudo se hace a expensas del rendimiento de detección y la confiabilidad de la comunicación por radio. Si un sistema de monitoreo de calidad del aire en interiores tiene una potencia insuficiente, la precisión del sensor se verá afectada notablemente.

Por lo tanto, el diseño ideal de un sistema de monitoreo de calidad del aire en interiores debe encontrar el equilibrio entre desempeño y consumo de energía de forma tal que el sistema tenga una vida útil de la batería aceptable y al mismo tiempo ofrecer datos precisos, valiosos y útiles. Frecuentemente, esto puede lograrse eligiendo cuidadosamente componentes de bajo consumo de energía, usando de forma inteligente modos de reposo en el dispositivo y eligiendo los procotocolos de comunicación inalámbrica correctos para la transmisión de datos con base en la aplicación y la ubicación de la implementación.

Conclusión

Si deseamos vivir en un entorno donde el aire que respiramos sea saludable y libre de contaminantes, entonces debemos tener la capacidad de monitorear de forma precisa la calidad del aire en interiores. Para obtener información realmente valiosa sobre nuestra calidad del aire, necesitamos datos precisos de alta calidad. Mediante el uso de sensores, como los descritos en este artículo, y un diseño adecuado que equilibre el compromiso entre el rendimiento y el consumo de energía, podemos construir un futuro con entornos más saludables para la vida y el trabajo de las personas que los ocupan.