Nuovi sensori MOX compatti per il monitoraggio dell’aria interna

Una nuova generazione di sensori compatti, a montaggio superficiale e a basso consumo per i COV (Com-posti Organici Volatili) offre la possibilità di monitorare la qualità dell’aria interna (IAQ) in locale e in maniera distribuita mediante dispositivi piccoli e accessibili

Pubblicato il 19 maggio 2017

Le storie abbastanza “inquietanti” apparse di recente sui media hanno destato l’attenzione dell’opinione pubblica sulla qualità dell’aria. Lo scandalo Volkswagen sui test per le emissioni ha scatenato un’indignazione senza precedenti in merito all’effetto delle emissioni di scarico dei veicoli, che sono potenzialmente nocive per la salute degli abitanti delle città.

Fig. 1 – Funzionamento di un sensore di gas su chip MOX

La consapevolezza della qualità dell’aria che respiriamo, sia all’aperto sia al chiuso, è in costante crescita. L’uomo inala in media circa 15 kg d’aria al giorno, per l’80% in ambienti chiusi. E mentre la qualità dell’aria esterna è monitorata regolarmente dalle autorità, la responsabilità per la qualità dell’aria interna (Indoor Air Quality o IAQ) spetta a chi occupa un edificio o lo gestisce, anche se a volte non se ne occupa nessuno. Così è nata una nuova generazione di sensori compatti, a montaggio superficiale e a basso consumo per i COV (Composti Organici Volatili), che offre la possibilità di monitorare la IAQ in locale e in maniera distribuita mediante dispositivi piccoli e accessibili, consentendo così una gestione più reattiva delle apparecchiature per il filtraggio e il ricambio dell’aria negli edifici.

Questo articolo illustra il funzionamento di questi nuovi sensori COV e le differenze tra questi e i sensori assoluti per il rilevamento dei singoli gas. Inoltre, mostra come sia possibile fornire dati che consentano una risposta più efficiente ed efficace alle variazioni della qualità dell’aria interna da parte delle apparecchiature dedicate.

Fig. 2 – Confronto tra le misurazioni di un sensore COV e un sensore di CO2 operanti simultaneamente in una sala riunioni utilizzata da più persone per diverse ore

Gli attuali sistemi di monitoraggio della IAQ

Oggi, gli operatori professionali degli edifici commerciali fanno affidamento perlopiù su uno o due tipi di dati di qualità dell’aria per controllare il funzionamento dei sistemi di ventilazione e filtraggio. Più comunemente, usano le misurazioni assolute di un singolo gas, in genere l’anidride carbonica (CO2). Possono anche utilizzare le valutazioni soggettive degli occupanti sulla qualità dell’aria.

Dato che gli esseri umani espirano la CO2, è normale che la concentrazione di CO2 in una stanza occupata aumenti in funzione del tempo e delle persone occupano una stanza; maggiore sarà quindi la concentrazione di CO2 in assenza di adeguata ventilazione.

Un’eccessiva concentrazione di CO2 nell’aria interna è associata a sensazioni di sonnolenza, perdita di concentrazione, compromissione della capacità decisionale e percezione di “aria viziata”. I sistemi per la gestione degli edifici commerciali dotati di sensori di CO2 attualmente disponibili regolano il funzionamento delle apparecchiature di filtraggio e/o ventilazione, basandosi sui livelli misurati di CO2. L’obiettivo è mantenere l’aria interna fresca e confortevole, riducendo al minimo lo scambio termico, dato che la perdita di aria condizionata calda o fredda comporta uno spreco di denaro e di energia.

La concentrazione di CO2 è una misura indiretta ragionevolmente affidabile sulla densità di occupazione umana di un dato spazio. Dal momento che le persone sono responsabili della produzione sia dei COV, sia della CO2, ossia di quelle che scientificamente (e con molto tatto) sono definite “bio-emissioni”, i gestori degli edifici in genere danno per scontato che le apparecchiature per il trattamento dell’aria configurate per regolare la concentrazione di CO2 siano altrettanto in grado di affrontare le concentrazioni dei vari tipi di COV presenti nell’aria interna.

Vi sono considerazioni di ordine pratico alla base di questa conclusione. L’imballaggio, il prezzo e il consumo energetico dei componenti di un sensore CO2 per molti anni sono stati sufficientemente bassi da poter garantire la loro incorporazione nelle schede circuiti delle attrezzature mainstream per l’automazione degli edifici.

Le componenti per la misurazione delle concentrazioni di COV offrivano fino a poco tempo fa una scelta molto più limitata. Esistono vari metodi per la misurazione e l’analisi dei COV presenti nell’aria: foto-ionizzazione, ionizzazione di fiamma, tubi colorimetrici e l’assorbimento della lunghezza d’onda sono sistemi caratterizzati da una portabilità ragionevole. In laboratorio, la gascromatografia accoppiata alla spettrometria di massa (nota come GC-MS) è il metodo più popolare.

Purtroppo questi metodi non possono essere adottati in apparecchiature compatte, localizzate e a basso consumo per la misurazione della qualità dell’aria, in quanto sono di dimensioni eccessive o consumano troppa energia.

Questa è la ragione per cui l’introduzione di una nuova generazione di sensori COV a ossidi metallici semiconduttori (Metal Oxide o MOX), ora disponibili anche su chip a montaggio superficiale e con un consumo sulla scala dei milliwatt, rappresenta un’incredibile opportunità per il monitoraggio della IAQ. Questi dispositivi a basso costo, compatti e contenuti nei consumi per il rilevamento dei COV, possono essere integrati con facilità negli oggetti di uso quotidiano, come sistemi di illuminazione, termostati, ventilatori e telecomandi per ventilatori, con la possibilità di incorporarli anche nei telefoni cellulari. La possibilità di offrire un rilevamento locale e distribuito dei COV è concreta e già implementabile.

Questo basterebbe per dimostrare agli utenti di apparecchiature per il ricambio dell’aria di riconsiderare il loro affidarsi esclusivamente alla CO2. Nella realtà, le concentrazioni di COV non aumentano o diminuiscono esattamente al passo delle concentrazioni di CO2, per due motivi fondamentali:

  • primo, non tutti i COV hanno origine da una fonte umana (Tab. 1);
  • secondo, il tasso di produzione di CO2 da parte degli esseri umani in genere è continuo e abbastanza costante se non si conduce attività fisica. Tuttavia, la produzione umana dei COV è oscillatoria, per esempio aumenta in seguito al pasto.

Tabella 1 – Tipi di COV riscontrabili in genere negli spazi chiusi e relative fonti

Come testimoniato da un rapporto compilato dal Building and Fire Research Laboratory del National Institute of Standards and Technology degli Stati Uniti, “molte fonti di contaminanti non sono relative all’occupazione dei locali; per esempio, le emissioni dei materiali da costruzione e i contaminanti che entrano in un edificio dall’esterno. Le concentrazioni di anidride carbonica non forniscono alcuna informazione sulla concentrazione dei contaminanti emessi dalle fonti non riconducibili all’occupazione degli spazi” (A K Persily, 1996).

Così, per esempio, un sensore di CO2 registrerebbe un basso livello di anidride nell’aria in una stanza occupata da una sola persona, ma rinnovata di recente con mobili, coperture e fissaggi incollati alle pareti della stanza e al pavimento. In una circostanza del genere, le apparecchiature per il trattamento dell’aria presenti nella stanza in genere sono configurate per fornire una ventilazione minima, facendo sì che l’unico occupante respiri grandi quantità di COV sospesi nell’aria.

Una concentrazione elevata di COV nell’aria di una stanza ha un ovvio impatto sul comfort degli occupanti. Mentre la CO2 è inodore, una porzione significativa dei COV ha un odore pronunciato e il più delle volte questo non è piacevole.

Fig. 3 – Confronto tra valori calcolati e scalati di eCO2 da un sensore di gas MOX di ams con i valori effet-tivi misurati da un sensore assoluto di CO2 su un periodo di sette giorni

Ad ogni modo, il disagio non è l’unico effetto dei COV nell’aria. Il sito internet dell’Agenzia statunitense per la protezione dell’ambiente (Environmental Protection Agency o EPA) elenca gli effetti sulla salute a breve e lungo termine che, a quanto pare, “potrebbero” essere riconducibili all’esposizione ai composti organici volatili nell’aria interna. L’EPA sostiene che questi effetti possono includere (Fonte: https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq):

  • irritazione a occhi, naso e gola:
  • mal di testa, perdita di coordinazione e nausea;
  • danni a fegato, reni e sistema nervoso centrale;
  • alcune sostanze organiche possono essere causa di cancro negli animali; alcuni sono noti o sotto inchiesta perché causano tumori negli esseri umani.

Esempi come quello sopra riportato, di conseguenza, stanno spingendo le case costruttrici (OEM) a valutare l’uso di sensori MOX per COV a montaggio superficiale nelle apparecchiature di monitoraggio della IAQ.

Il principio di funzionamento di un sensore di gas MOX è illustrato nella figura 1.

I dispositivi MOX per i COV sono in grado di rilevare un ampio spettro di COV e di fornire i relativi dati in uscita in risposta alle variazioni nella concentrazione dei COV. Quando sono dotati di un processore interno, i sensori possono anche calcolare i valori incrementali equivalenti per una serie di COV. Questi dispositivi, visto il fatto che operano come dispositivi di uscita incrementali, non richiedono alcuna calibrazione.

Queste misurazioni sono effettuabili anche separatamente, con una classe di sensori di gas assoluti: sono la soluzione ideale e imprescindibile per le applicazioni di sicurezza, in cui un’eccessiva concentrazione di un dato gas potrebbe rappresentare un rischio immediato per la vita o per la salute. Questi dispositivi di uscita assoluti sono in genere:

  • relativamente costosi;
  • in grado di rilevare solo uno specifico gas;
  • da calibrare regolarmente per garantire la precisione dei dati in uscita.

Questi fattori risultano decisamente ostici nelle applicazioni di monitoraggio della IAQ. Il sensore per COV risulta complementare a questi componenti importanti, ma che hanno i loro limiti: un rilevatore del genere può misurare un ampio spettro di COV, permettendo quindi di rilevare le variazioni della qualità dell’aria interna, che potrebbero essere causate da uno o più composti in questione inalabili dalle persone all’interno di un edificio.

Nel monitoraggio della IAQ, i sensori ad ampio spettro come il CCS811 di ams (in un package LGA da 2,7 x 4 x 1,1 mm) o lo iAQ-CORE (un modulo sensore integrato con un ingombro di 15 x 18 mm) non riportano valori assoluti specifici in parti per milione per un determinato gas, che comporta rischi per la sicurezza, bensì forniscono un’indicazione della variazione incrementale della concentrazione di una vasta gamma di COV nell’ambiente, compresi, a titolo meramente indicativo, tutti quelli elencati in figura 1.

In un’applicazione per il monitoraggio della IAQ, il sensore MOX per i COV potrebbe essere utilizzato insieme a un sensore assoluto per la CO2, che potrebbe fornire dei valori basali noti per la concentrazione di CO2 in qualsiasi momento. Il sensore per COV corrobora le misurazioni assolute di CO2, acquisendo ulteriori informazioni sugli eventi relativi ai COV che possono essere, o non essere, correlati direttamente all’occupazione umana (che di norma è la causa primaria delle concentrazioni aumentate di CO2), come mostrato in figura 2.

In figura 2, il sensore di CO2 ha totalmente ignorato i periodi nei quali il sensore di COV ha indicato il degrado della qualità dell’aria, che poteva essere dovuta, per esempio, all’uso di detergenti chimici durante una pausa della riunione, oppure alle emissioni da apparecchiature come una fotocopiatrice o una stampante. Una ventilazione più incisiva stimolata dall’uscita del sensore COV, ma non indicata dal sensore di CO2, in questo caso avrebbe migliorato la qualità dell’aria per gli occupanti della sala durante questi eventi di aumentata esposizione ai COV.

Conversione dei dati di misura per gli impianti di ricambio dell’aria

Un sensore di COV come il CCS811 o lo iAQ-Core, di conseguenza, possiede un’eccellente capacità di rilevare i cambiamenti nel tempo della concentrazione dei COV nell’aria. Ma come si può utilizzare questa informazione per gestire il funzionamento delle apparecchiature di filtraggio o ricambio dell’aria?

Oggi i sistemi di gestione dell’aria sono in genere configurati per rispondere alla concentrazione assoluta di CO2 misurata. Per questo motivo, lo iAQ-Core e il CCS811 includono un processore che esegue algoritmi proprietari volti al calcolo di un valore relativo di eCO2 (CO2 equivalente), così come un valore relativo di TCOV (Totale Composti Organici Volatili). Questo consente ai progettisti di far sì che un sistema di gestione della qualità dell’aria possa convertire l’input del sensore in un’istruzione appropriata per il sistema; per esempio, aumentare la velocità del ventilatore o aprire di più le prese d’aria, o ancora, nel caso di una riduzione nella concentrazione dei COV, ridurre il consumo di energia rallentando il filtraggio e / o il ricambio d’aria.

I test hanno dimostrato ripetutamente che i valori relativi calcolati per la eCO2, quando confrontati con valori basali stabiliti con cura e legati in prima istanza alle emissioni umane di COV, corrispondono in stretta misura alla variazione reale della concentrazione di CO2 misurata da un sensore assoluto di CO2 (Fig. 3).

Nuove opportunità per integrare il monitoraggio della IAQ

Ora che i sensori COV su chip sono stati sviluppati al punto da consentirne l’utilizzo distribuito nelle aree gestite da sistemi per il controllo dell’aria, grazie al contenimento dei costi, delle dimensioni e dei consumi, la loro integrazione nei sistemi di gestione della qualità dell’aria è solo una questione di tempo. Possiamo affermare con sicurezza che questo contribuirà a rendere più sani e più confortevoli gli ambienti dove lavoriamo, viviamo e giochiamo.

Possiamo anche osservare l’importanza dell’integrazione dei sensori di COV compatti e a montaggio superficiale nei prodotti finali, che non avevano mai contemplato una funzione di monitoraggio della qualità dell’aria. Per esempio, un sensore di COV ad ampio spettro posto in una cappa per cucina potrà regolare automaticamente il flusso d’aria in funzione della variazione nella concentrazione dei COV, grazie al rilevamento dei composti maleodoranti nell’aria prodotta da cibi cotti e crudi, fumo, detergenti e via dicendo. In questo modo, il cuoco non dovrà più azionare manualmente il sistema di ventilazione.

I sensori di COV possono rivelarsi estremamente utili anche nella quasi totalità degli spazi chiusi, compresi i trasporti pubblici, i veicoli privati ​​e gli edifici pubblici come ospedali, uffici e negozi. E, viste le dimensioni ridotte che ne consentono l’installazione su una scheda stampata insieme ad altri componenti elettronici, la loro integrazione nella quasi totalità dei dispositivi è già realizzabile, rendendo possibile la connessione di questi ultimi ai sistemi per il ricambio dell’aria.

Norwood Brown, Staff Field application engineer, ams – USA



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