Il sistema di monitoraggio (vedi fig. che segue) è composto dai seguenti tre moduli:
Un modulo sensori chimici;
Un modulo per la misura delle polveri;
Un modulo di controllo (Main Electronic Unit –MEU).
Ogni modulo è stato sviluppato seguendo le specifiche di progettazione e apportando eventuali modifiche rivolte ad ulteriori ottimizzazioni. Il primo modulo fabbricato è stato quello che comprende i tre sensori elettrochimici più il sensore PID per i composti organici volatili (VOC). Come da progetto sono stati scelti sensori della Alphasense. I sensori elettrochimici necessitano di un’elettronica di prossimità per convertire il segnale di corrente (della cella elettrochimica) in un segnale di tensione misurabile dal canale ADC (16 bit) della MEU.
Il sensore PID al contrario ha come uscita un segnale di tensione con livelli compatibili con il canale del convertitore. Inoltre, allo scopo di garantire flussi di campionamento corretti e stabili nel tempo, indipendentemente dalla variabilità delle condizioni climatiche ambientali, è stata progettata una camera di flusso per i tre sensori chimici e per il sensore di VOC (figura che segue).
Il prototipo è stato ricavato scavando dal pieno un blocco di materiale inerte in fluoro-polimero, il risultato è mostrato nella figura che segue. L’ inlet sarà collegato ad una mini pompa DC operante con flussi minori di 1 L/min.
Il sensore di CO2 invece lavora direttamente in aria senza il bisogno di camera di flusso poiché essendo ad assorbimento di massa (sensore di tipo NDIR) ha una sua propria camera con un inlet in membrana semipermeabile altamente idrofobica.
Questo permette contestualmente:
Alla CO2 di permeare con flussi controllati;
Alle molecole di acqua di essere bloccate o di permeare con concentrazioni molto ridotte o tempi molto lunghi.
Ciò risulta importante dato che la molecola di acqua ha picchi di assorbimento nell’infrarosso e può essere considerato uno dei maggiori interferenti per questo tipo di sensori.
Mediante sensori di tipo NDIR si possono ad oggi eseguire misure su un ampio spettro di lunghezze d’onda comprese tra 3,8 e 10,5 μm (ad esclusione di 5,0 ~ 5,5 μm). Pertanto, la maggior parte dei gas può essere misurata con una sensibilità sufficiente, poiché le intensità di linea della maggior parte dei gas in questo intervallo di lunghezze d’onda sono sempre migliori di quelle nel NIR.
Sensore del PMx
Per la misurazione del particolare sospeso (PMx) abbiamo utilizzato un sensore commerciale SDS011, che offre buone performance ad un costo molto contenuto.
Il sensore restituisce due classi di PM: il PM2.5 e il PM10 calcolati dal processore integrato nel dispositivo stesso.
Il bus di interfaccia è di tipo seriale RX/TX (o USB mediante convertitore).
Il consumo non è trascurabile, al confronto con gli altri sensori integrati nel prototipo, poiché il dispositivo dispone di una piccola ventola e di un laser. Il sensore satura per valori di PMx maggiori 1 mg/m3.
Le due immagini che seguono, illustrano il prototipo Grinbox: un contenitore appositamente fabbricato (mediante stampa 3D) che alloggia su tre livelli i moduli e la loro cablatura.
Con riferimento la foto sopra a destra, Il sistema di monitoraggio possiede:
INLET Aria: Ingresso per l’aria
INLET PMx: Ingresso del particolato sospeso
OUTLET Aria: uscita dell’aria
Un led a luce verde: che si accende al momento che lo strumento inizia la fase di misura;
Un led a luce rossa: che si accende al superamento della soglia (fissata a 1000 ppm) di concentrazione di CO2.
Questo secondo led funziona da allarme dato che la CO2 non riesce ad essere abbattuta dal sistema di abbattimento. Questo allarme è facilmente trasformabile in un comando “domotica” per esempio per l’attivazione di un ricambio di aria (forzato o non). Come già evidenziato in fase di progettazione al superamento di una certa concentrazione di VOC o PMx il sistema attiverà un comando “domotica” radio di accensione del sistema di abbattimento.
USM Mass Storage: l’unità di massa per il salvataggio dei dati della misura (dati comunque sempre acessibili se il sitema è connesso alla rete WIFI)
Il software di controllo e gestione del sistema di monitoraggio è scritto in Python ed è eseguito dalla MEU: gestisce l’acquisizione dei dati dai sensori (la gestione del tempo di acquisizione e la lettura dei sensori); implementa regole di automazione ("domotica") basate su soglie di concentrazione; attiva il sistema di abbatimento e dell’allarme CO2.
