Khi chúng ta hiểu rõ hơn về những nguy hiểm của chất lượng không khí trong nhà kém, các kỹ sư đang tìm kiếm các công nghệ cảm biến để phát hiện và giám sát.
Các thiết bị khoa học có thể cảm nhận được các hiện tượng vật lý – cảm biến – không phải là điều mới. Ví dụ, chúng ta đang tiến gần đến kỷ niệm 400 năm của nhiệt kế ống thủy tinh. Tuy nhiên, trên một dòng thời gian kéo dài hàng thế kỷ, sự ra đời của các cảm biến dựa trên chất bán dẫn là khá mới và các kỹ sư vẫn chưa khai thác hết những gì có thể làm được với chúng.
Các cảm biến bán dẫn nhanh chóng thâm nhập vào thế giới của chúng ta, một phần vì chúng có thể dễ dàng tích hợp với bộ vi điều khiển và được quản lý bằng phần mềm. Bộ dò quang phổ thường đo lượng ánh sáng ban ngày để kích hoạt đèn; cảm biến chuyển động kích hoạt cửa; cảm biến âm thanh xác định các âm thanh giọng nói cụ thể để khởi động một truy vấn trên internet.
Gói công nghệ cảm biến
Xu hướng hiện tại là kết hợp nhiều loại cảm biến bán dẫn để tạo ra các hệ thống có khả năng phát hiện, đánh giá và phản ứng với nhiều điều kiện đồng thời. Các phương tiện mới sử dụng nhiều kết hợp của cảm biến thị giác và đo khoảng cách để giữ cho bản thân trên đường và tránh va chạm. Máy bay không người lái dựa vào một bộ cảm biến định hướng, định vị, áp suất không khí và đo khoảng cách để điều hướng an toàn.
Các nguyên tắc khoa học được sử dụng trong nhiệt kế ống thủy tinh đầu tiên được tạo ra gần 400 năm trước đã được biết đến từ hai thiên niên kỷ. Con người luôn quan tâm đến điều kiện môi trường của họ.
Trong thời hiện đại, các nhà sản xuất bán dẫn đã tạo ra, hoàn thiện và học cách sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau có thể đo lường các đặc điểm như nhiệt độ và độ ẩm, không chỉ phát hiện và đo lường sự hiện diện của khí và các hạt bụi mà còn xác định các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi cụ thể (VOC).
Những cảm biến này cũng đang được kết hợp theo những cách mới. Khi chúng ta tích lũy dữ liệu cho thấy chất lượng không khí có thể có hậu quả nghiêm trọng hơn so với những gì chúng ta hiểu trước đây, khả năng giám sát môi trường mà chúng ta tạo ra cho chính mình, đáng chú ý nhất là các tòa nhà văn phòng, nhà máy và các khu học xá lớn.
Chất lượng không khí trong nhà
Chất lượng không khí trong nhà (IAQ) kém có thể dao động từ thiếu không khí trong lành đến sự hiện diện của các hợp chất và hóa chất có hại cho sức khỏe con người. Nó có thể là một vấn đề ở bất cứ đâu, từ nhà ở cá nhân đến văn phòng công ty, nhưng các vấn đề tiềm ẩn nghiêm trọng hơn ở các nhà máy, phòng thí nghiệm và các cơ sở công nghiệp khác sử dụng các chất nguy hiểm.
Các vấn đề và giải pháp về chất lượng không khí trong nhà đã được ghi nhận đầy đủ và mặc dù một số cơ quan chính phủ Hoa Kỳ có thẩm quyền đối với chất lượng không khí ngoài trời nhưng không có cơ quan nào có quyền hạn pháp lý đối với IAQ.
Rủi ro cao tạo ra nghĩa vụ đối với các nhà khai thác cơ sở công nghiệp phải tiến hành giám sát môi trường nghiêm ngặt được tích hợp với hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC).
Tuy nhiên, riêng hệ thống HVAC có thể không đủ để đảm bảo IAQ lành mạnh cho các doanh nghiệp xử lý vật liệu nguy hiểm. Trong những trường hợp này, việc sử dụng hệ thống lọc bổ sung và làm sạch không khí pha khí (FAC) được khuyến nghị rất mạnh mẽ.
Giám sát hiệu quả bắt đầu với các cảm biến chất lượng cao. Một ví dụ phổ biến là cảm biến carbon dioxide (CO2). CO2 là một hợp chất tự nhiên, nhưng mức độ tăng cao có thể cho thấy thông gió kém và khi CO2 tích tụ bên trong tòa nhà, nó có thể trở nên có hại cho sức khỏe con người và gây ra một loạt các vấn đề bao gồm bệnh hô hấp, bệnh tim và suy giảm nhận thức.
Ngoài ra, các cảm biến khác có thể phát hiện các chất như Nitrogen Dioxide (NO2) và Ozone (O3). Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và lưu lượng cũng rất quan trọng trong việc giúp tạo ra môi trường an toàn hơn thông qua giám sát IAQ.
Sự cấp thiết đối với IAQ
Như đã nói trước đó, không có cơ quan chính phủ Hoa Kỳ nào có quyền hạn pháp lý đối với IAQ. Điều đó nói rằng, Cơ quan An toàn và Sức khỏe Lao động (OSHA), Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA), Viện An toàn và Sức khỏe Lao động Quốc gia (NIOSH) và Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh (CDC) đều có nhiệm vụ cung cấp hướng dẫn và tư vấn về IAQ.
EPA lưu ý rằng các khiếu nại về IAQ nói chung đang gia tăng. CDC báo cáo “tăng các vấn đề sức khỏe như ho, kích ứng mắt, đau đầu và phản ứng dị ứng, và trong một số trường hợp hiếm hoi, các tình trạng đe dọa tính mạng. Bệnh Legionnaires và ngộ độc carbon monoxide và một vài ví dụ theo hướng đó.
Hiệp hội Kỹ sư Sưởi ấm, Thông gió và Điều hòa Không khí Hoa Kỳ (ASHRAE) là nguồn các thực tiễn và tiêu chuẩn tốt nhất về IAQ, bao gồm Tiêu chuẩn ANSI/ASHRAE 62.1-2022, bao gồm thiết kế và bảo dưỡng hệ thống thông gió, cùng với các tiêu chuẩn tối thiểu về chất lượng không khí trong nhà.
ASHRAE khuyến nghị sử dụng FAC đặc biệt trong các cơ sở công nghiệp vì hiệu quả hơn trong việc loại bỏ chất gây ô nhiễm so với kiểm soát nguồn hoặc thông gió.
“Các công nghệ FAC hạt nâng cao được phát triển tốt, với lịch sử hơn nửa thế kỷ ứng dụng trong điều khiển quy trình công nghiệp, phòng sạch, chăm sóc sức khỏe và dược phẩm, và các tòa nhà sử dụng đặc biệt như bảo tàng và phòng thí nghiệm,” ASHRAE tuyên bố trong Hướng dẫn IAQ của mình.
Giám sát là chìa khóa
Trong kỷ nguyên của IIoT và Factory 4.0, mọi thứ bên trong một cơ sở đều là một thành phần của một toàn thể được kết nối mạng và tất nhiên điều đó bao gồm cả hệ thống HVAC và FAC. Giống như hầu hết mọi thứ khác bên trong một nhà máy tự động, các hệ thống này không chỉ giám sát các điều kiện bên ngoài mà còn phải được tự giám sát. Tất cả đều dựa vào cảm biến.
Các nhà sản xuất bán dẫn tiếp tục cải tiến các cảm biến cho các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), vật chất hạt, khí, độ ẩm tương đối và nhiệt độ. Hơn nữa, các cảm biến như vậy có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng cực thấp và có tuổi thọ dài.
Có các cảm biến có thể giám sát không chỉ CO2 mà còn các hợp chất như NO2, một loại khí thải từ động cơ đốt trong và O3, được tạo ra từ một số phản ứng hóa học.
Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
Một số liệu phổ biến cho IAQ là tổng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (TVOC). Theo EPA, TVOC là thành phần của nhiên liệu dầu mỏ, chất lỏng thủy lực, chất pha loãng sơn, chất tẩy khô và các sản phẩm khác. TVOC có thể được xác định bằng cách sử dụng bộ dò quang điện ion hóa (PID), dựa trên cảm biến quang điện ion hóa.
PID sử dụng đèn cực tím (UV) được thiết kế đặc biệt để phá vỡ VOC trong không khí thành các ion dương và âm để tạo ra dòng điện, đó là tín hiệu đầu ra của bộ dò. Nồng độ của thành phần càng cao, càng sản sinh ra nhiều ion và dòng điện càng mạnh. PID chỉ phản ứng với các thành phần có năng lượng ion hóa tương tự hoặc thấp hơn năng lượng của photon do đèn PID tạo ra.
Cảm biến áp suất có thể được sử dụng để phát hiện xem một môi trường trong nhà có được đóng kín hoặc niêm phong đúng cách hay không, nhưng chúng cũng có thể được sử dụng để giám sát thiết bị giám sát, ví dụ, để xác định khi nào cần thay thế bộ lọc không khí thông minh. Chúng cũng được tích hợp vào áp kế, một loại cảm biến áp suất khác, để giám sát điều kiện thời tiết.
Kết hợp các cụm cảm biến
HVAC và FAC rất phức tạp, đặc biệt là trong môi trường công nghiệp, và có nhiều thông số hoạt động bổ sung cần được xem xét có thể tận dụng tất cả các công nghệ cảm biến tiên tiến. Tốc độ quạt, mức tiêu thụ điện năng và lưu lượng khí thải chỉ là một vài ví dụ.
Mặc dù cảm biến được sử dụng để phát hiện trực tiếp các thuộc tính của IAQ hoặc để giám sát hiệu suất của các hệ thống được sử dụng để đảm bảo IAQ, nhưng có nhiều cách khác để sử dụng chúng. Ví dụ, ASHRAE khuyến nghị xem xét sử dụng cảm biến chiếm dụng phòng. Trong nhiều trường hợp, sẽ không cần phải phát sinh chi phí vận hành để bảo vệ các phòng trống với hệ thống HVAC và FAC hoạt động hết công suất – hoặc hoàn toàn không hoạt động.
Kết nối là chìa khóa
Mạng là nội tại đối với các ứng dụng IIoT và Factory 4.0. Tất cả các giải pháp cảm biến hiện đại đều được xây dựng để sử dụng kết hợp với bất kỳ số lượng giao thức truyền thông nào, có dây hoặc không dây, bao gồm Zigbee, IEEE 802.15.4, WirelessHART, Ethernet, Bluetooth, Wi-Fi, LTE và 5G, v.v.
Mouser cung cấp quyền truy cập vào nhiều loại cảm biến từ hầu hết các nhà sản xuất cảm biến hàng đầu, bao gồm Renesas, STMicroelectronics, Maxim Semiconductor, Amphenol, v.v.
Bài viết Công nghiệp là một hình thức nội dung cho phép các đối tác trong ngành chia sẻ tin tức, thông điệp và công nghệ hữu ích với độc giả của All About Circuits theo cách mà nội dung biên tập không phù hợp. Tất cả các Bài viết Công nghiệp đều tuân theo các hướng dẫn biên tập nghiêm ngặt với mục đích cung cấp cho độc giả tin tức hữu ích, chuyên môn kỹ thuật hoặc câu chuyện. Quan điểm và ý kiến được bày tỏ trong Bài viết Công nghiệp là của đối tác và không nhất thiết là của All About Circuits hoặc các nhà văn của nó.
Tham khảo thêm các thông tin thú vị với Insight, lựa chọn sản phẩm đo lường với TECOTEC và đừng quên tìm đến chúng tôi khi bạn cần các giải pháp cho doanh nghiệp của mình!
