Analisi dell'aria: sensori per il monitoraggio della sicurezza e della qualità dell'aria

Gli inquinanti atmosferici come particolato e gas nocivi sono notoriamente dannosi per la salute dell'uomo. D'altro canto, in ambito industriale concentrazioni elevate di gas quali metano o propano, o monossido di carbonio prodotto da processi di combustione incompleti, possono presentare rischi immediati per la sicurezza. Per risolvere questi problemi, è necessario che gruppi di soggetti appartenenti ad ambiti molto differenti, come proprietari di case, operatori di edifici commerciali o stabilimenti industriali, consigli comunali e agenzie ambientali, abbiano accesso ad attrezzature per il monitoraggio della qualità dell'aria e il rilevamento della presenza di vari gas.

Studi sull'inquinamento atmosferico

Secondo l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS), l'inquinamento atmosferico, soprattutto quello da particolato (o PM), è strettamente correlato ai livelli di incidenza delle malattie e di mortalità. I maggiori rischi per la salute derivano dalle polveri sottili, ovvero le particelle di diametro fino a 10 o 25 micron (denominate rispettivamente PM10 e PM25). Le particelle di queste dimensioni vengono emesse dagli autoveicoli e da altre attività domestiche e industriali, ma possono provenire anche da fonti naturali, come il terreno o la sabbia. Le persone che vivono nei Paesi sviluppati o in via di sviluppo sono spesso esposte ad elevati livelli di inquinamento da polveri sottili; un report del 2012 dell'Agenzia europea dell'ambiente ha rilevato che oltre l'80% delle persone che vivono nelle città dell'Unione europea è esposto a livelli di PM superiori a quelli previsti dalle linee guida dell'OMS sulla qualità dell'aria (2005).

Le autorità cittadine ricevono pressioni per migliorare la qualità dell'aria. Nell'ambito dei trasporti sono state implementate varie iniziative finalizzate a ridurre gli effetti delle emissioni dei veicoli nei centri delle città. Molte città hanno introdotto piani di tassazione della congestione del traffico (pedaggi), mentre sono stati avviati altri studi e progetti pilota, come la sperimentazione di veicoli a celle di combustibile alimentate a idrogeno nei comuni di Birmingham e Coventry nel Regno Unito, e la sperimentazione a Londra del sistema Wireless Electric Vehicle Charging (WEVC) per il rifornimento senza fili delle auto elettriche, con l'obiettivo di creare un'infrastruttura per l'uso diffuso dei veicoli ecologici. Dai dati precisi sulla qualità dell'aria sarà possibile ricavare preziose informazioni che consentiranno alle autorità locali di valutare i risultati di ciascuna iniziativa.

Monitoraggio della qualità dell'aria

Per quanto concerne la qualità dell'aria interna (IAQ), da diverso tempo sono disponibili purificatori d'aria per l'uso in ambienti domestici e uffici. Più recentemente sono stati immessi sul mercato alcuni sistemi di fascia alta con sensori intelligenti integrati per il monitoraggio della qualità dell'aria. Queste informazioni possono essere mostrate all'utente su uno schermo, nonché utilizzate per regolare il purificatore in modo tale da rimuovere in modo ottimale una serie di gas e di particelle quali polvere, peli e fumo di tabacco.

Un sensore di polvere, Sharp GP2Y1010, quantifica la presenza di particolato nell'ambiente circostante mediante un LED a infrarossi e un fototransistor. Un campione dell'aria da monitorare entra tramite una serie di fori nell'involucro del sensore, situato sopra il LED IR e il rilevatore, come illustrato nella Figura 1.


Quando il particolato attraversa il sensore, la risposta del fototransistor fornisce un'indicazione della concentrazione del particolato nel campione. Un vantaggio fondamentale di questo sensore è la capacità di generare un output proporzionale alla concentrazione del particolato in µg/m³. Ciò contribuisce a semplificare la progettazione di sistemi di monitoraggio della qualità dell'aria, poiché questa espressione della concentrazione di particolato è comunemente utilizzata nelle applicazioni di monitoraggio della qualità dell'aria.

Il livello di anidride carbonica (CO₂) emesso dagli occupanti di un edificio influisce in modo sostanziale sulla qualità dell'aria, in particolare nei grandi locali commerciali, come ad esempio edifici di uffici. Il rilevamento preciso e tempestivo della CO₂ fornisce uno strumento efficace per controllare un sistema di ventilazione o climatizzazione in modo tale da ottimizzare la qualità dell'aria e ridurre al minimo il consumo complessivo di energia nell'edificio. I sensori Telaire CO₂ di Amphenol Advanced Sensors, come i modelli T6613 e T6615, permettono ai sistemi HVAC di fornire la ventilazione controllata in base al fabbisogno (DCV). In un sistema DCV, i sensori rilevano livelli di CO₂ in crescita in presenza di un numero elevato di occupanti. Il sistema di ventilazione si attiva solo quando il livello raggiunge una soglia prestabilita e si spegne nuovamente quando il livello torna accettabile. Il sistema si attiva meno frequentemente quando nell'edificio sono presenti meno persone, evitando la ventilazione superflua. Ciò consente di ridurre il consumo di energia da parte del sistema di ventilazione, nonché i costi di riscaldamento.

I sensori Telaire rilevano la concentrazione di CO₂ servendosi della tecnologia non dispersiva a raggi infrarossi (NDIR), che sfrutta la capacità delle molecole di CO₂ di assorbire una specifica lunghezza d'onda della luce infrarossa. Ciascun sensore incorpora una sorgente di infrarossi, una guida d'onda brevettata, filtri per infrarossi appositamente progettati e un rilevatore a termopila microlavorato per misurare l'assorbimento della luce e consentire così il calcolo della concentrazione di CO₂. I sensori T6613 utilizzano l'algoritmo di autocalibrazione brevettato ABC Logic™ di GE, che mantiene la calibrazione del sensore nel tempo con riferimento a livelli bassi di occupazione. I sensori T6615 sono dispositivi a doppio canale che dispongono di canali separati per la misurazione e il riferimento, che consentono di mantenere automaticamente la calibrazione per lunghi periodi di tempo senza dover utilizzare l'algoritmo ABC Logic.

Il rilevamento di gas in ambito industriale

In ambienti industriali, come gli impianti di estrazione, produzione o lavorazione di sostanze chimiche, le perdite di gas esplosivi o infiammabili (come ad esempio il propano o il metano) o la presenza di altri gas potenzialmente rischiosi come il monossido di carbonio possono rappresentare una minaccia per la sicurezza ed è pertanto fondamentale rilevarli immediatamente.

Le direttive europee ATEX obbligano i datori di lavoro non soltanto ad adottare misure di prevenzione delle esplosioni nelle aree di lavoro in cui potrebbe essere presente un ambiente soggetto a esplosioni, ma altresì a fornire adeguate misure di protezione ai lavoratori. In particolare, la Direttiva 1999/92/EC (sui requisiti minimi per il miglioramento della sicurezza e della protezione della salute dei lavoratori potenzialmente a rischio in atmosfere esplosive) stabilisce che i lavoratori debbano ricevere avvisi ottici e/o acustici e abbandonare l'area prima che vengano raggiunte le condizioni di esplosione.

Le apparecchiature di rilevamento dei gas idonee che soddisfano i requisiti prestazionali dei rilevatori di gas infiammabili in conformità con gli standard BS EN 60079-29-1:2007 e IEC/EN60079-1 Essential Safety Requirements (ESR) possono essere certificati secondo le norme ATEX. Sono applicabili anche gli standard SIL (Safety Integrity Level) EN50402 e EN61508.

Parallax fornisce vari sensori per l'uso in dispositivi e sistemi progettati per il rilevamento di gas pericolosi, da utilizzare in applicazioni industriali e domestiche. Un esempio è il sensore di gas Parallax 605-00008, adatto per la rilevazione di GPL, isobutano, propano, metano, alcol o idrogeno; può essere utilizzato anche per il rilevamento di fumo. Il sensore comprende un tubo miniaturizzato in allumina (Al2O₃), uno strato di rilevamento in diossido di stagno (SnO₃), un elettrodo di misurazione e un riscaldatore. Il riscaldatore mantiene i componenti di rilevamento alla giusta temperatura di funzionamento. Quando viene connesso in un circuito come quello illustrato alla Figura 2, la resistenza del sensore varia in base alla concentrazione del gas rilevato.

Quando correttamente calibrato, il sensore 605-00008 consente di azionare un allarme se la concentrazione supera un livello preimpostato. Parallax raccomanda che il rilevatore venga calibrato per 1000 ppm di GPL nell'aria, oppure 1000 ppm di isobutano, con una resistenza di carico (R_L) compresa tra 5 e 47 kΩ. Per ottenere un'impostazione precisa, è necessario prendere in considerazione anche gli effetti della temperatura e dell'umidità. Le caratteristiche di sensibilità ai gas e la dipendenza temperatura/umidità sono riportate nei dettagli nella scheda tecnica del sensore.


Altre applicazioni, come i controller della combustione delle caldaie o i generatori di ossigeno utilizzati negli aerei, richiedono il rilevamento accurato del flusso di ossigeno per garantire il corretto funzionamento delle apparecchiature. Un sensore di ossigeno come il modello Honeywell KGZ10 offre una lunga durata in servizio in questi tipi di applicazioni.

Il sensore contiene due dischi di diossido di zirconio (ZrO₂) divisi da una piccola camera sigillata ermeticamente. Uno dei dischi funge da pompa di ossigeno reversibile, utilizzata per riempire e poi vuotare la camera. Il secondo disco misura il rapporto della differenza di pressione parziale e genera una tensione di rilevamento corrispondente. Un elemento riscaldante sul sensore produce i 700 °C necessari al ZrO₂ per raggiungere la sua temperatura di funzionamento. A differenza di altri sensori elettrochimici, questi sensori basati sulla zirconia non richiedono gas di riferimento e offrono pertanto maggiore precisione e durata.

Il sensore KGZ-10 è azionato da un circuito di misura elettronico che controlla il funzionamento del sensore e l'elaborazione del segnale. I progettisti possono incorporare questo circuito nei propri dispositivi oppure utilizzare una scheda di interfaccia Oxymac, Elecdit o DE800 di Honeywell. Queste schede di interfaccia implementano tutte le funzioni necessarie per utilizzare e leggere il sensore, compresi i circuiti di controllo per l'elemento riscaldante, e supportano la calibrazione e i collaudi funzionali. La sezione di elaborazione del segnale della scheda genera un'uscita lineare del contenuto di ossigeno misurato in formato di tensione o corrente. La scheda DE800 integra un alimentatore per il riscaldatore, mentre le schede Oxymac50 ed Elecdit richiedono un alimentatore esterno.

Conclusione

I sensori di gas e particolato rivestono molti ruoli importanti nella misurazione della qualità dell'aria finalizzata alla protezione della salute pubblica e individuale e sono fondamentali in sistemi di sicurezza industriali come gli avvisi di rischio e i controller di processo. I robusti sensori per la misurazione della qualità dell'aria sono utili anche per ridurre i costi operativi e l'impatto ambientale degli uffici e di altri edifici frequentati da un numero elevato di persone.