Publicado : 05/04/2021 Sensores de calidad del aire - Parámetros, niveles y características - Categorías : Productos , Teoría Productos relacionados Sensor de Polvo PPD42NS PM2.5 Sensor de CO2 NDIR MH-Z19C HVAC 5000ppm Sensor de CO2 NDIR MH-Z14A Detección de dióxido de Carbono Nova PM Sensor SDS011 - Sensor de calidad del aire - alta precisión láser PM2.5 Módulo test polvo Air Monitoring HAT para Raspberry Pi - HAT Monitoreo de aire Sensor todo-en-uno de calidad del aire ZPHS01B: CO2, PM2.5, CH2O, O3... En este artículo te explicamos la importancia de tener un control de los diferentes niveles de contaminantes del aire, tanto en exteriores como en interiores, así como los tipos de sensores existentes. Descubre cómo está relacionada la calidad del aire con el coronavirus y qué sensores usar en interiores para actuar según los niveles estandarizados de clasificación. En esta clasificación, también hablaremos de las unidades habituales de medida de los contaminantes y los diferentes grados de concentración que afectan a nuestra salud. ÍNDICE 1. Introducción 2. Contaminantes del aire 3. Sensores de calidad del aire 1. Introducción A partir de 2017, la Agencia Europea del Medio Ambiente puso en marcha un nuevo índice de calidad del aire, para que se pudiera comprobar por cualquier ciudadano la calidad del aire real en cualquier ciudad o región de Europa. Con un mapa de colores actualizado, los usuarios pueden tener una valoración general de cada estación de medición, donde se coge como referencia la peor valoración. Estas estaciones captan los cinco principales contaminantes clave, los cuales son perjudiciales para nuestra salud y para el medio ambiente: • Partículas en suspensión (PM2,5 y PM10 del inglés Particulate Matter) • Ozono troposférico (O3) • Dióxido de azufre (SO2) • Dióxido de nitrógeno (NO2) En este artículo veremos más en detalle estos contaminantes y profundizaremos en los sensores que los captan. Un sensor de calidad del aire debe cumplir unas prestaciones, con unos rangos de medición y precisión de los que hablaremos a continuación. Por supuesto, no es lo mismo hablar de sensores para el exterior como para el aire interior, para medir la calidad del aire residencial. 2. Contaminantes del aire Los últimos informes publicados por la misma Agencia Europea del Medio Ambiente revelan, en base a las mediciones realizadas sobre estos cinco contaminantes, que las personas que viven en las ciudades europeas siguen expuestas a niveles de contaminación atmosférica que la Organización Mundial de la Salud considera nocivos. Las partículas finas (PM2,5) son el contaminante más perjudicial. Se calcula que, solo en el año 2014, fueron responsables de la muerte prematura de unos 400 000 europeos. Parámetros de nivel de calidad del aire interior Para medir la calidad de una estancia interior, se suelen controlar y tener en cuenta los siguientes niveles: • Niveles de SO2 o dióxido de azufre: es un gas incoloro, irritante, con un olor penetrante. La principal fuente de emisión de dióxido de azufre es la combustión de productos petrolíferos y la quema de carbón en centrales eléctricas y calefacciones centrales. • Niveles de material particulado (PM): se denomina material particulado a la mezcla de partículas líquidas y sólidas, de sustancias orgánicas e inorgánicas, que se encuentran en suspensión en el aire. Su composición es muy variada: desde sulfatos, nitrato, amoniaco, etc. y producen reacciones químicas en el aire. Habitualmente se miden los parámetros de material particulado PM2,5 (menor a 2,5 micrómetros) y PM10 (menor a 10 micrómetros). • Niveles de CO2 o dióxido de carbono: es un gas incoloro e inodoro que forma parte de la naturaleza y no es realmente un tóxico, pero produce el desplazamiento del oxígeno y en concentraciones altas de más de 30.000 ppm, puede producir asfixia. Es un indicador fundamental para determinar la necesidad de renovación de aire. • Niveles de NO2 o dióxido de nitrógeno: es un compuesto químico gaseoso, tóxico e irritante. Se produce en los incendios forestales o erupciones volcánicas, aunque también de forma natural por la descomposición de nitratos orgánicos. La exposición continuada al NO2 se relaciona con diversas enfermedades de las vías respiratorias. • Niveles de Formaldehido (HCHO): pertenece a los conocidos como compuestos orgánicos volátiles (COV), de los cuales hablamos a continuación. Se trata de forma específica por su amplio uso por parte de la industria, es posiblemente el compuesto químico orgánico con mayor producción mundial. Es altamente inflamable y muy volátil. Compuestos contaminantes en el aire (VOC/TVOC) Los COV son sustancias volátiles que se evaporan ligeramente desde temperaturas bajas, es decir se "volatilizan" en estado gaseoso, con lo cual contaminan el aire. Por esta razón se denominan compuestos orgánicos volátiles (volatile organic compounds) y son medidos como suma TVOC (total volatile organic compounds). Los COV son liberados por la quema de combustibles, como gasolina, madera, carbón o gas natural. También son liberados por disolventes, pinturas y otros productos empleados y almacenados en la casa y el lugar de trabajo. Algunos ejemplos de compuestos orgánicos volátiles son: • Naturales: isopreno, pineno y limoneno • Artificiales: benceno, tolueno, nitrobenceno Otros ejemplos son el formaldehído, clorobenceno, disolventes como tolueno, xileno, acetona, y tetracloroetileno (o percloroetileno), el principal disolvente usado en la industria de lavado en seco. Unidades Estos parámetros se miden en “Partes por millón” (ppm), que es la unidad usada frecuentemente para medir el volumen que ocupan pequeñas cantidades de elementos (también denominados traza), dentro de una mezcla. Normalmente se refiere a los porcentajes en peso en el caso de los sólidos, y en volúmenes en el caso de gases. Para medir la calidad del aire se utiliza una ppm hablando de volumen. De esta forma, 4 ppm de CO2 equivalen a 4 unidades de volumen de CO2 por cada millón de unidades de volumen de aire, es decir 4 litros de CO2 en un millón de litros de aire. Cuando la proporción del gas respescto al aire es menor aún, se utilizan las “Partes por billón” (ppb). Al tratarse de billón, usando el ejemplo anterior, 4 ppb de CO2 equivalen a 4 litros de CO2 por cada mil millones de litros de aire. Por otra parte, en la legislación española y europea, el microgramo/metro cúbico (µg/m3) es la unidad empleada para cuantificar la calidad del aire. Con esta unidad se miden también muchos de los valores de referencia de gases nocivos presentes en el ambiente, como pueden ser los valores límite o los umbrales de información. El microgramo es la millonésima parte de un gramo, por tanto, dependiendo del gas contaminante y su habitual presencia el factor de la escala puede bajar. Por ejemplo, el monóxido de carbono (CO), es el único cuyos niveles de concentración se miden normalmente en miligramos/m3. Sin embargo, para otros contaminantes con porcentajes muy bajos de presencia en el aire como las Dioxinas o los Hidrocarburos Policíclicos Aromáticos, se utilizan submúltiplos todavía más pequeños que el gramo: • El nanogramo/metro cúbico (ng/m3): 1 nanogramo corresponde a 10 E-9 gramos. • El picogramo/metro cúbico (pg/m3): 1 picogramo corresponde a 10 E-12 gramos. Índice de Calidad del Aire (ICA) La contaminación del aire total, donde se tiene en cuenta los márgenes de cada gas y partículas nocivas, se mide en diversos modos según la zona del mundo donde nos encontremos, pero en occidente el estándar es el llamado ICA. El valor del índice de la calidad del aire ICA se mide en una escala que va desde 0 y >500 y que establece seis categorías de peligrosidad, de modo que cuanto mayor sea el índice, peor será la calidad del aire. El rango del ICA está dividido, a nivel cualitativo, en seis tramos: • VERDE: Buena (ICA de 0 a 50) • AMARILLO: Moderada (ICA de 51 a 100) • NARANJA: Dañina a la salud para grupos sensibles: (ICA de 101 a 150) • ROJO: Dañina a la salud (ICA 151 a 200) • MORADO: Muy dañina a la salud (ICA 201 a 300) • MARRÓN: Peligrosa (ICA superior a 300) En la siguiente tabla puedes observar cómo se relacionan los niveles la escala del ICA, con los colores y con los niveles de los parámetros de los contaminantes. Puedes ver un mapa con los datos de todas las estaciones del mundo haciendo clic aquí. Relación actual con la pandemia de la Covid-19 La calidad del aire que respiramos también influye sobre la Covid-19, ya que hay diversos puntos que se están estudiando y evaluando para determinar el impacto de estas variables: • La exposición a largo plazo a material particulado menor de 2,5 micras afecta al sistema respiratorio y cardiovascular, lo que exacerba la gravedad del COVID-19 e incrementa el riesgo de muerte en pacientes que lo sufren. • La alta propagación del COVID-19 en algunas áreas puede estar vinculada a la existencia de niveles altos de material particulado en el aire. Éste podría considerarse, si no portador o factor de refuerzo de núcleos de gotas virales, sí al menos un indicador de la gravedad de la infección por SARS-CoV-2 en términos de difusión y afectación a la salud observados en el norte de Italia. • La exposición crónica a contaminantes como el dióxido de nitrógeno y el material particulado se relacionan con un aumento de la mortalidad por COVID-19. Como interés actual, dado que los coronavirus se propagan por el aire, los niveles más altos de CO2 en una habitación probablemente significan que hay una mayor probabilidad de transmisión si una persona infectada está adentro. Según un estudio de investigadores de Taiwán, se recomienda tratar de mantener los niveles de CO2 por debajo de 600 ppm. Mientras que los niveles apropiados de TVOC deberán ser menores a 250ppb como se muestra en la siguiente imagen. Por otro lado, el International Well Building Institute cita los siguientes parámetros para asegurar unas condiciones o estándares de calidad del aire interior: • Materia particular: 10 micrómetros o menos de diámetro: 50 ug / m³; 2,5 micrómetros o menos de diámetro: 15 ug / m³. • Monóxido de carbono: Menos de 9 ppm. • Compuestos orgánicos volátiles: Menos de 500 ug / m³. • Formaldehidos: Menos de 27 ppb. • Dióxido de carbono: Aproximadamente 700 ppm por encima de los niveles del aire exterior (generalmente alrededor de 1.000 a 1.200 ppm). • Temperatura: de 20°C a 23°C (invierno); de 25°C a 27°C. • Humedad: Por debajo del 60%, idealmente entre 30% y 50%. 3. Sensores de calidad del aire Como hemos dicho en la introducción, podemos hablar se sensores de la calidad del aire en exterior y en el interior. Tradicionalmente los contaminantes del exterior se medían con estaciones de medición fijas. Normalmente eran y siguen siendo muchas casetas situadas en los puntos de la ciudad donde se quiere calcular su concentración. Sin embargo, gracias a las nuevas tecnologías en IoT (la Internet de las Cosas), se han desarrollado una gran cantidad de sensores que miden la concentración de contaminantes en el aire. Aunque estos sensores no ofrecen resultados tan fiables como las estaciones de medición fijas aportan información suficientemente válida para que las administraciones hagan uso de los datos obtenidos en consecuencia. Tipos de sensores de calidad del aire interior A diferencia del aire exterior, el aire interior puede atraparse y acumular contaminantes. Es por ello, que como pasamos la gran mayoría de tiempo sobre espacios cerrados, la calidad del aire interior nos afecta más a nuestra salud, y debemos tener un control sobre él. Añadir sensores de calidad del aire y monitorearlo en edificios inteligentes, oficinas, y todo tipo de centros, nos ayuda a conocer si tenemos que tomar medidas como una ventilación más frecuente. Hay multitud de espacios donde es realmente necesario tener un control del estado del aire por la afluencia de gente y requerimientos, como son hospitales, centros de salud, centros educativos y guarderías, edificios de administración o museos, por ejemplo. Nos rodean muchos gases y partículas contaminantes que son nocivas para nuestra salud en proporciones elevadas, es por ello por lo que cada vez debemos tener en cuenta nuestra salud con respecto al aire que respiramos. En cuanto a los tipos de estos sensores, podemos ver que hay una multitud en el mercado. Dejando de lado los excesivamente económicos, los cuales son útiles para entornos educativos y pruebas, pero no recomendables para un monitoreo real, nos centraremos en los sensores profesionales de bajo coste. El rango de estos no supera los 200€, como los de calidad industrial y profesional, pero son igualmente eficaces para el control de la calidad del aire interior en espacios como los anteriormente mencionados. Sensores Una mayor calidad en un sensor quiere decir que es más preciso a la hora de verificar con una alta exactitud dentro de un rango la proporción de un gas (ppm/ppb) o PM en el aire y por otro lado, que tengan una resolución alta. La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. Para empezar, las formas de detectar un gas o las PM no son iguales, por lo que a continuación te explicamos los tipos de sensores. Sensores electroquímicos (EC) El tipo más popular de dispositivo de calidad del aire para determinar la concentración de ppm de CO2 o compuestos orgánicos volátiles (VOC, por sus siglas en inglés) en el medio ambiente está basado en un elemento electroquímico semiconductor que genera un voltaje de salida proporcional a la concentración del gas o producto químico que se mide. Sin embargo, la precisión de la medición se ve afectada por la temperatura y humedad. Los sensores de temperatura y humedad, que podrían ofrecer los datos para un algoritmo de compensación continua para mejorar la exactitud del resultado de un sensor de calidad del aire, no se incorporan habitualmente con este tipo de sensor de calidad del aire. Estos sensores generalmente consisten en una celda electroquímica con un electrolito sólido (= soluciones o fusión que conduce una corriente eléctrica). Esta celda se calienta hasta la ignición de la temperatura de trabajo adicional. Los electrodos producen reacciones químicas similares a las de la pila de combustible donde se consume oxígeno y los electrodos forman el artículo de fuerza electromotriz. Midiendo la fuerza electromotriz utilizando una electrónica especial, se determina la concentración de CO2 en el aire. La principal ventaja de estos sensores es la alta sensibilidad y la excelente selectividad al dióxido de carbono. Sensores que funcionan según el principio electroquímico desde aproximadamente 400 ppm. Estos sensores suelen tener una función de autocalibración incorporada que proporciona una recalibración automática del sensor al aire fresco. Esto elimina el envejecimiento del sensor y asegura una estabilidad a largo plazo de los parámetros. Sensores ópticos La concentración de PM en el aire puede medirse por varios métodos, como el método gravimétrico basado en filtros, el método de atenuación β, el método óptico, etc. Sin embargo, la técnica óptica sigue siendo el método de elección para la detección de bajo costo debido a su bajo costo y requisitos de energía y a los rápidos tiempos de respuesta. En esta técnica, una fuente de luz ilumina las partículas, y luego la luz dispersa de las partículas se mide con un fotómetro. Para partículas con diámetros de más de ~0,3 µm, la cantidad de luz dispersada es aproximadamente proporcional a su concentración de masa/número. concentración. Las partículas menores de ~0,3 µm no dispersan suficiente luz y no pueden ser detectadas por este método. Las partículas pueden diferenciarse en función de su tamaño utilizando un algoritmo sobre la señal obtenida de la luz dispersa o bien colocando un impactador/filtro en la entrada. Ejemplo: Sensor de Polvo PPD42NS PM2.5 - Referencia S0123 • Tensión de alimentación: 5VDC • Corriente de trabajo: 90mA • Sensibilidad: 0.5V/ (0.1 mg/m3) • Detección de partículas valor mínimo: 1 micras • Precio: 11.89€ Sensores infrarrojos no-dispersivos (NDIR) Los sensores NDIR son sensores espectroscópicos empleados para detectar el CO en un ambiente gaseoso por su absorción característica. Los componentes clave son una fuente infrarroja, un tubo de luz, un filtro de interferencia (longitud de onda) y un detector de infrarrojos. El gas se bombea (o difunde) a la cámara de la muestra, y la concentración de gas se mide electroópticamente por la absorción de una determinada longitud de onda en el infrarrojo (IR). La luz infrarroja se dirige cruzando la cámara de la muestra hacia el detector. El detector tiene un filtro óptico frente a él, que elimina toda la luz, salvo la longitud de onda que pueden absorben las moléculas del gas seleccionado. Lo ideal sería que las moléculas de otro tipo de gas no absorbieran la luz de esa longitud de onda, y no afectasen a la cantidad de luz que llega al detector. Los sensores NDIR utilizan a menudo para medir el monóxido de carbono. El mejor de ellos tiene sensibilidades de 20-50 ppm. Ejemplos: Sensor de CO2 NDIR MH-Z19C HVAC 5000ppm - Referencia S0044 • Voltaje de trabajo de alta precisión 5.0±0.1V DC. • El rango de medición es entre 0 y 5000 ppm. • Señal de salida: Puerto serie (UART) (TTL nivel 3.3V) / PWM • Precio: 29.49€ Sensor de CO2 NDIR MH-Z14A Detección de dióxido de Carbono - Referencia S0149 • Voltaje de funcionamiento: 4,5 V ~ 5,5 V CC • Rango de detección: 0 ~ 5% VOL opcional: o 0 ~ 2000 ppm ± (50 ppm + 3% del valor de lectura) o 0 ~ 5000 ppm o 0 ~ 10000 ppm ± 10% del valor de lectura • Señal de salida: UART, señal de voltaje analógico, onda PWM • Precio: 29.95€ Nova PM Sensor SDS011 - Sensor de calidad del aire - alta precisión láser PM2.5 Módulo test polvo - Referencia S0142 • Voltaje de funcionamiento: 5V DC • Rango de detección: 0,0-999,9 ug / m3 • Resolución: alta resolución de 0.3ug/m3. • Señal de salida: mediante salida UART (o salida IO se puede personalizar) con el controlador con puerto USB • Precio: 27.90€ Air Monitoring HAT para Raspberry Pi - HAT Monitoreo de aire – Referencia RA127 • Voltaje de funcionamiento: 5V DC • Rango de detección: 0.3 a 1.0; 1.0 a 2.5; 2.5 a 10 micron (µm) • Señal de salida: UART (Serial y Pantalla OLED 0.91”) • Precio: 56.90€€ Sensor todo-en-uno de calidad del aire ZPHS01B: CO2, PM2.5, CH2O, O3 - Referencia S0151 • Voltaje de funcionamiento: 5V DC • Gases y PM objetivo: CO2, PM2.5, CH2O, O3, CO, TVOC y NO2. Incluye sensor de temperatura y humedad • Rangos de detección: o PM2.5: 0 ~ 1000 μg / m3 o CO2: 0 ~ 5000 ppm o CH2O: 0 ~ 6.250 mg / m3 o TVOC: 0 ~ 3 grados o O3: 0 ~ 10 ppm o CO: 0 ~ 500 ppm o NO2: 0,1 ~ 10 ppm • Señal de salida: Interfaz UART (compatible con TTL 3Vdc y 3.3Vdc) • Precio: 129.49€ Conclusión Como hemos visto, por no llega a 30€ podemos tener un buen sensor de calidad de aire, el cual programar para captar los niveles de calidad de aire interior, y mantener nuestras estancias en espacios saludables. Por lo que, si tienes una empresa, centro, oficina o estancia donde concurre mucha gente, igual te es interesante instalar alguno de estos instrumentos que te ayuden a conocer los niveles de contaminantes. La salud lo agradecerá, al tener constancia de los niveles adecuados que se deben mantener, y tomar medidas en consecuencia. Fuentes: https://empresas.blogthinkbig.com/sensores-iot-para-medir-calidad-aire/ https://www.solerpalau.com/es-es/blog/indice-calidad-aire/ https://www.solerpalau.com/es-es/blog/sensor-co2/ https://www.abc.es/motor/reportajes/abci-conoce-como-mide-calidad-aire-ciudades-201712032122_noticia.html https://www.siberzone.es/blog-sistemas-ventilacion/unidades-de-medicion-calidad-del-aire-ppm-o-parte-por-millon/#:~:text=Una%20ppm%20se%20utiliza%20para,mill%C3%B3n%20de%20litros%20de%20aire. https://www.insst.es/documents/94886/162520/Cap%C3%ADtulo+44.+Calidad+del+aire+interior https://www.careforair.eu/en/what-principled-do-the-air-quality-sensors-work-on/