스마트 공기 청정도 센서를 사용하여 환경을 모니터링하는 방법

스마트 공기 청정도 센서를 이용한 환경 모니터링이 스마트 홈, 건물, 도시, 기존 차량 및 전기 차량(EV), 배터리 에너지 저장 시스템(BESS) 등 다양한 분야로 확산되고 있습니다. 스마트 홈, 건물 및 도시에서 공기 청정도 센서를 활용하면 열악한 공기 질과 관련된 공기 중 미립자와 가스를 모니터링하고 조기 화재 경고를 위해 연기를 감지함으로써 건강과 안전을 보장할 수 있습니다. 차량 승객석에서 이 센서는 건강 문제를 야기할 수 있는 휘발성 유기 화합물(VOCs)과 높은 수준의 CO₂를 식별할 수 있습니다. EV 및 BESS에서는 이 센서를 사용하여 셀의 1차 분출 단계 후 배터리 적재실의 압력 증가와 높은 수준의 수소를 감지함으로써 배터리 관리 시스템(BMS)이 반응하고 전체 배터리 시스템의 2차 분출 이벤트 또는 열폭주를 방지할 수 있습니다.

이러한 응용 분야에 사용되는 센서는 콤팩트하고 전력 소비가 적으며, 보안 부팅 및 보안 펌웨어 업데이트를 지원할 수 있어야 합니다. 또한 광범위한 대기 오염도 모니터링을 포괄하기 위해 여러 센서를 포함해야 합니다. 이러한 기능을 콤팩트한 저전력 장치에 통합하는 것은 까다롭고, 재시작을 반복해야 해서 비용이 증가하고 출시 시간이 지연될 수 있습니다.

출시 시간을 단축하고 비용을 관리하기 위해 설계자는 공장에서 보정되고, 보안 부팅 및 펌웨어 업데이트를 지원하고, 클라우드로 데이터 전송, CAN 또는 기타 버스를 통한 로컬 연결을 비롯한 연결 옵션을 제공하는 센서 모듈로 전환할 수 있습니다.

이 기사에서는 광학 미립자 카운터, 화면 인쇄 전기 화학, 다중 파라미터 센서 기술을 비교합니다. 그런 다음 Sensirion, Metis Engineering 및 Spec Sensors의 공기 청정도 센서 및 개발 플랫폼과 Infineon Technologies의 컴패니언 장치에 대해 살펴보고 개발 공정을 단축할 수 있는 방법을 제안합니다.

미립자 물질(PM) 센서는 각각 지름이 2.5미크론 및 10미크론인 입자에 해당하는 PM2.5 및 PM10과 같은 특정 입자 크기와 특정 응용 분야에 필요한 기타 입자 크기를 계산합니다. 광학 입자 카운터(OPC)는 레이저와 광검출기를 포함하는 측정 셀을 통해 측정할 공기를 이동시키는 특정 PM 기술입니다(그림 1). 공기 내 입자가 레이저의 빛을 산란시키고, 검출기에서 산란광을 측정합니다. 측정값은 질량 농도(μg/m³)로 변환되고 세제곱 센티미터(cm³)당 입자 수를 계산합니다. OPC를 사용하여 입자 수를 계산하는 것은 간단하지만 해당 정보를 질량 농도 수치로 변환하는 것은 더 복잡합니다. 변환에 사용되는 소프트웨어에서는 모양, 굴절률과 같은 입자의 광학 파라미터를 고려해야 합니다. 따라서 OPC는 직접 중량 기반 중량 측정 기술과 같은 다른 PM 감지 방법에 비해 정확성이 크게 떨어질 수 있습니다.

그림 1: OPC는 레이저 및 광 다이오드를 사용하여 공기 중 미립자를 계산합니다. (이미지 출처: Sensirion)

OPC라고 다 같은 것은 아닙니다. 정확성이 뛰어난 고가의 실험실급 OPC는 특정 셀에 있는 모든 입자를 계산할 수 있습니다. 저가의 상업용 OPC는 에어로졸 입자의 약 5%만 샘플링한 후 소프트웨어 기반 예측 기술을 사용하여 전체 '측정치'를 산출할 수 있습니다. 특히, PM10와 같은 큰 입자의 밀도는 일반적으로 매우 낮아서, 저가형 OPC로는 직접 측정할 수 없습니다.

입자 크기가 증가할수록 주어진 입자 질량 내 입자 수가 크게 감소합니다. PM1.0 입자 에어로졸에 비해 PM8 입자 에어로졸의 주어진 질량 대비 입주 수가 약 500배 더 적습니다. 작은 입자와 동일한 정확도로 더 큰 입자를 측정하기 위해 저가형 OPC는 몇 시간 분량의 데이터를 통합하여 예측해야 합니다. 다행히 실제 환경에서 에어로졸에는 작은 입자와 큰 입자가 매우 일정하게 분포되어 있습니다. 적절하게 설계된 알고리즘을 사용하면 PM0.5, PM1.0 및 PM2.5 입자의 측정치를 활용하여 PM4.0 및 PM10 같은 더 큰 입자의 수를 정확히 예측할 수 있습니다.

전류법 가스 센서

입자 수를 측정하는 대신 전류법 센서는 가스 농도를 측정합니다. 전류법 센서는 측정 중인 가스의 체적분수에 비례하여 전류를 선형으로 생성하는 전기 화학 장치입니다. 기본 전류법 센서는 전극 두 개와 전해질 하나로 구성됩니다. 측정할 금속의 반응을 최적화하는 촉매 금속으로 구성된 감지 전극에서 가스 농도를 측정합니다. 가스는 모세관 확산 장벽을 통해 센서에 진입한 후 감지 전극에 반응합니다. 카운터 전극은 단극 전지 역할을 하고 회로를 완성합니다(그림 2). 외부 회로는 전류 흐름을 측정하고 가스 농도를 결정합니다. 일부 설계에서는 안정성 및 신호 대 잡음비를 개선하고 기본 전류법 센서의 응답 시간을 단축하기 위해 세 번째 '기준' 전극을 포함합니다.

그림 2: 전류법 센서에서는 전해질로 분리된 두 전극을 사용하여 가스의 농도를 측정합니다. (이미지 출처: Spec Sensor)

배터리 팩용 다중 파라미터 센서

공기 질 모니터링은 EV 및 BESS 설치에서 배터리 팩을 보호하도록 설계된 센서의 시작에 불과합니다. 이러한 센서는 메탄(CH₄), 에틸렌(C₂H₄), 수소(H₂), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂)와 같은 휘발성 유기 화합물(VOC)와 압력, 공기압, 습도, 이슬점 및 절대 수분 함량을 모니터링합니다. 1차 배터리 분출 단계 중에, 니켈 망간 및 코발트 음극을 가진 일반 리튬 이온 배터리의 기체 생성물은 알려진 화학 조성을 가집니다(그림 3). 수소 농도가 중요합니다. 수소 농도가 폭발 하한인 4%에 근접하면 폭발 또는 화재의 가능성이 있습니다. 전지의 열폭주를 방지하려면 조치를 취해야 합니다. 압력 센서는 분출로 인한 배터리 팩 내부의 작은 압력 증가를 감지할 수 있습니다. 다른 센서 측정과 압력 증가를 교차 확인하여 잘못된 경보를 방지할 수 있습니다.

그림 3: 특정 혼합 가스는 1차 배터리 분출 단계의 특성입니다(이미지 출처: Metis Engineering).

또한 이 다중 파라미터 센서는 지나치게 차가운 작동 조건도 모니터링합니다. EV 및 BESS의 큰 배터리 팩에는 충전 또는 방전 중에 팩이 과열되는 것을 방지하기 위한 능동 냉각이 포함되어 있습니다. 지나치게 냉각될 경우 내부 온도가 이슬점 이하로 떨어져서 셀이 단락되고 열폭주가 발생할 수 있으며, 이슬점 센서는 배터리 단자에 결로가 발생하기 이전에 BMS에 경고합니다.

레이저 AQ 센서

냉난방공조(HVAC) 시스템, 공기 청정기 및 유사 응용 제품의 설계자는 Sensirion의 SPS30 PM 센서를 사용하여 실내와 실외의 공기 질을 모니터링할 수 있습니다. SPS 센서는 PM1.0, PM2.5, PM4 및 PM10의 질량 농도와 PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4 및 PM10 입자 수를 측정합니다. 이 센서의 질량 농도 정확성은 ±10%이고, 질량 농도 범위는 0μg/m3 ~ 1000μg/m³이고, 작동 수명은 10년 이상입니다. SPS30에는 단거리 연결을 위한 I²C 인터페이스와 20cm 이상의 긴 케이블을 위한 UART7이 포함되어 있습니다.

일관된 측정을 보장하기 위해 사전 설정된 간격에 따라 자동 팬 세척 모드를 작동할 수 있습니다. 팬 세척 모드에서는 팬을 10초 동안 최대 속도로 가속하여 축적된 먼지를 제거합니다. PM 측정 기능은 팬 세척 중에 오프라인 상태로 전환됩니다. 기본 세척 간격은 매주이지만, 응용 분야의 요구 사항에 따라 다른 간격을 설정할 수 있습니다.

개발 키트 및 보안 부팅

SEK-SPS30 공기 청정도 모니터 센서 평가 기판을 통해 SPS30을 PC에 연결하여 이 PM 센서의 기능을 살펴볼 수 있습니다. 또한 DigiKey는 Sensirion의 공기 청정도 센서를 Infineon의 PSoC 6 MCU에 결합하여 차세대 지능형 공기 청정도 모니터링 시스템을 개발할 수 있는 플랫폼을 제공합니다. 개인정보 보호가 중요한 스마트 빌딩 시스템의 경우 PSoC 6은 보안 부팅 및 보안 펌웨어 업데이트를 지원합니다(그림 4).

그림 4: Sensirion 및 Infineon의 이 개발 키트는 보안 부팅 및 보안 펌웨어 업데이트를 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

배터리 팩 센서

EV 및 BESS 배터리 팩 설계자는 배터리 안전 모니터링을 위해 Metis Engineering의 CANBSSGEN1을 사용할 수 있습니다. 이 센서는 셀 분출로 인한 초기 결함을 감지하도록 설계되었습니다. 이 CAN 버스 기반 센서는 교체 가능한 공기 필터를 포함하여 EV에서 특히 유용합니다(그림 5). 가속도계(선택 사항)는 최대 24G의 충격 및 충격 기간을 모니터링할 수 있으므로, 안전 레벨 이상의 충격으로 배터리 팩이 폭발할 경우 시스템에서 알 수 있습니다. 이 센서는 다음을 측정할 수 있습니다.

• 0.2바 ~ 5.5바 절대 압력
• -30°C ~ +120°C 공기 온도
• VOC, 등가 CO₂(eCO₂) 및 H₂(ppb)
• 절대 습도(mg/m³)
• 이슬점 온도

그림 5: 이 배터리 안전 모니터 센서에는 교체 가능한 공기 필터가 포함되어 있습니다(가운데 흰색 원). (이미지 출처: Metis Engineering)

CAN 센서 개발 키트

DEVKGEN1V1 개발 키트를 사용하면 Metis CAN 센서를 사용할 때 시스템 통합 시간을 단축할 수 있습니다. 이 센서에는 CAN 버스가 장착된 거의 모든 차량에 통합될 수 있는 DBC CAN 데이터베이스와 구성 가능한 CAN 버스 속도 및 주소가 포함되어 있습니다. 개발자는 기본 개발 키트를 확장하여 CAN 네트워크에 더 많은 센서를 추가할 수 있습니다.

실내 공기 청정도 센서

실내 및 차량 인캐빈 공기 질 모니터링 시스템 설계자는 SPEC Sensors의 110-801을 사용할 수 있습니다. 110-801은 알코올, 암모니아, 일산화탄소, 각종 악취 가스, 황산을 비롯한 나쁜 공기 질과 관련 있는 광범위한 가스를 감지할 수 있는 화면 인쇄 전류법 가스 센서입니다. 이 센서의 응답은 측정 중인 가스의 체적분수에 선형적으로 비례하며, 시스템 통합을 간소화합니다(그림 6). 이 20mm x 20mm x 3mm 센서의 기타 기능:

• ppm 감도
• 10μW 미만의 센서 출력
• -10°C ~ +40°C 작동 온도 범위(0°C ~ +40°C 연속 작동)
• 광범위한 오염 물질이 존재하는 환경에서 강력하고 안정적인 작동

그림 6: 이 화면 인쇄 전류법 가스 센서는 다양한 가스를 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: Spec Sensors)

전류법 가스 센서 통합

일정 전위기 회로는 전류법 가스 센서에서 작동 전극의 전위를 제어하고 전극 전류를 출력 전압으로 변환합니다(그림 7). 연산 증폭기 U1의 핀 2 전압은 기준 전극 전압을 설정하고, 작동 전극의 전위는 연산 증폭기 U2의 핀 6에 의해 설정됩니다. 또한 연산 증폭기 U2는 센서에서 출력되는 전류를 전압 신호로 변환합니다. 동시에 연산 증폭기 U1은 작동 전극 전류와 동일한 전류를 카운터 전극에 공급합니다.

그림 7: 전류법 센서를 사용하여 가스 감지를 구현하는 데 사용되는 간소화된 일정 전위기 회로 (이미지 출처: Spec Sensors)

요약

위에서 살펴본 바와 같이 설계자는 환경 모니터링 시스템을 설계할 때 광범위한 공기 청정도 센서 기술을 선택할 수 있습니다. OPC를 사용하여 실내 및 실외에서 잠재적으로 위험한 미립자 수준을 모니터링할 수 있습니다. CAN 기반 다중 센서 시스템은 EV 및 BESS 배터리 팩의 1차 분출을 모니터링하고 열폭주와 가능한 화재 또는 폭발을 방지할 수 있습니다. 저전력 화면 인쇄 전류법 가스 센서를 사용하여 공기 질 저하의 원인이 되는 광범위한 가스를 감지할 수 있습니다.