El prototipo combina un detector óptico de partículas (Shinyei PPD42NS) y sensores de óxidos metálicos para monòxido de carbono, dióxido de nitrógeno y ozono (MICS). Es una adaptación y un remix de otros monitores de calidad del aire ciudadanos y abiertos (AQ Egg, Smartcitizen, Dustduino and Airbeam). Su electrónica se basa en una placa Arduino Mega 2560.
Hemos diseñado y ensamblado la primer versión y estamos calibrando los sensores a partir de una medición en conjunto a equipos de referencia.
Se pueden consultar algunas consideraciones de diseño en el cuaderno de notas del prototipo
A continuación se puede encontrar una breve descripción del prototipo y toda la documentación se encuentra en Gitlab.
Sensores de gases
En Snuffle se puede encontrar una buena revisión y muchos recursos de diferentes sensores de gas y equipos de monitoreo para la calidad del aire.
Elegimos utilizar sensores de óxidos metálicos (MOx) debido a su muy bajo costo en comparaciòn con los sensores electroquìmicos. También porque podemos remixar a partir de equipos de monitoreo abierto previos que usan este tipo de sensores (AQ Egg, Smartzitizen, AirCasting, EveryAware).
Los MOx consisten en una capa de sensado, compuesta de un óxido metálico, generalmente SnO2, que es calentada mediante una estructura calefactora. Cuando los químicos son absorbidos en la superficie de sensado, su resistencia eléctrica cambia. El ozono y el dioxido de nitrógeno que son gases oxidantes causan un aumento de la resistencia. Por el contrario, los gases reductores como el monóxido de carbono (CO) o los compuestos orgánicos volátiles (VOC) genera una disminución de la resistencia.
Los MOx presentan una marcada dependencia con la temperatura y sensibilidad cruzada con otros gases traza. Estos sensores son también sensibles a las fluctuaciones de la humedad relativa y tiene problemas de deriva de la línea base con el paso del tiempo. El uso de estos sensores para mediciones cuantitativas requiere desarrollar un modelo que caracterice no solo la relaciòn entre la resistencia y la concentración del gas, sino también que incluya los impactos de esas otras variables que intervienen en la respuesta del sensor.
Todos los sensores utilizados son MICS y han sido comprados en SGX Sensortech Limited (ex e2v).
Lista de sensores
Todos los sensores son de montaje through hole pero al parecer ahora solo se producen de montaje tipo SMD. El MICS-OZ-47 utilizado en el primer prototipo ya no se encuentra disponible.
Todos los sensores son expuestos de manera similar a como se exponen en un muestreador pasivo, es decir, en un tubo vertical con los MICS suspendidos cerca del extremo abierto a la atmósfera.
Más detalles acerca de sensores MOx se pueden encontrar en:
- Fine, George F.; Cavanagh, Leon M.; Afonja, Ayo; Binions, Russell. 2010. "Metal Oxide Semi-Conductor Gas Sensors in Environmental Monitoring." Sensors 10, no. 6: 5469-5502.
- G. Eranna. 2011. "Metal Oxide Nanostructures as Gas Sensing Devices". CRC Press, Boca Raton, FL,316 pp.,ISBN 978-1-4398-6340-4.
Algunas otras referencias donde los MICS son utilizados y evaluados:
- Piedrahita, R., Xiang, Y., Masson, N., Ortega, J., Collier, A., Jiang, Y., Li, K., Dick, R. P., Lv, Q., Hannigan, M., and Shang, L. 2014. "The next generation of low-cost personal air quality sensors for quantitative exposure monitoring". Atmos. Meas. Tech., 7, 3325-3336, doi:10.5194/amt-7-3325-2014, 2014.
- Spinelle et al. 2015, "Field calibration of a cluster of low-cost available sensors for air quality monitoring. Part A: Ozone and nitrogen dioxide". Sensors and Actuators B: Chemical, 215, 249-257.
- Spinelle et al. 2017. "Field calibration of a cluster of low-cost commercially available sensors for air quality monitoring. Part B: NO, CO and CO2". Sensors and Actuators B: Chemical, 238, Pages 706-715, ISSN 0925-4005,
- Air Quality Sensor Performance Evaluation Center (AQ-SPEC) by California's SC-AQMD
Sensores de partículas
Estamos utilizando el sensor Shinyei PPD42NS que es el mismo sensor utilizado en el Dustduino. Existen otros sensores muy interesantes basados en láser y monitores open source como Mypart pero elegimos el Shinyei porque es el más fácil de conseguir y el más extensamente documentado. Se puede encontrar bastante información de este sensor en las Research Notes de Public Lab.
Algunos de los cuestiones conocidas de los Shinyei:
- Cómo se pasa de LPO (low pulse occupancy) a concentración [pcs/0.01cf]? Esto ha sido realizado ajustando una curva polinómica a la curva caracteristica de respuesta (Humo de cigarrillo vs LPO) tomada de las hoja de datos del sensor.
- A fin de poder leer ambas salidas del sensor simultaneamente (P1 y P2) se necesita implementar rutinas de interrupción.
- La conversión a concentración másica (ug/m3) se realiza haciendo algunas suposiciones acerca de la forma, el tamaño y la densidad del PM10 y PM2.5
- Hay limitaciones intrínsecas al uso de técnicas ópticas como proxis de mediciones gravimétricas. Cuando se observa una diferencia en los valores observados no es posible atribuirlo con certeza a un cambio en la masa total, la distribución de tamaño o a las características ópticas de los aerosoles medidos (Holstius et al., 2014)
- La ventana ubicada en el frente del sensor debe ser cerrada!
- La respuesta del sensor puede ser mejorada conectando un ventilador para forzar la entrada de aire y mediante el aumento del tiempo de integración de la lectura del sensor.
A fin de cerrar la ventana frontal e incrementar el flujo de aire a través del sensor hemos diseñado un shield y un tubo de aspiración que pueden ser colocados en el frente del Shinyei. Ambos pueden ser impresos en 3D.
Temperatura y humedad relativa
Estamos utilizando el muy conocido y documentado DHT22
Communications and data logging
Utilizamos un shield de Bluethoot para enviar los datos a la aplicación BlueTerm del teléfono y también guardamos los datos en una memoria SD.
Documentation
La documentación de este segundo prototipo y los datos para la calibración de los sensores se puede encontrar en el repositorio de Gitlab.