Sensores de gás adicionais para o Project Aura AQ: aplicações práticas

Quais sensores você pode conectar?

Este artigo aborda sete sensores DFRobot Gravity: monóxido de carbono, amônia, sulfeto de hidrogênio, dióxido de enxofre, dióxido de nitrogênio, ozônio e oxigênio. Cada módulo é destinado ao seu gás específico. São chamados de sensores eletroquímicos: o gás provoca uma reação no elemento sensível, e a eletrônica a transforma em uma leitura na tela. Família de sensores de gás da DFRobot

Você pode equipar o Project Aura AQ com um sensor de CO ou com um sensor para um dos outros seis gases. Por exemplo, pode escolher amônia para uma criação de animais.

Vou manter o suporte a essa linha: módulos fáceis de encontrar e conexões simples são importantes quando você monta o próprio dispositivo. O Project Aura AQ consegue receber e exibir os dados deles. Ao escolher um sensor, ainda é necessário verificar se ele tem exatidão suficiente para sua tarefa e se é adequado ao local de instalação.

Este artigo se aplica especificamente aos modelos SEN04xx listados aqui. A DFRobot também oferece outras famílias com especificações diferentes, incluindo sensores de formaldeído. As conclusões sobre uma linha não devem ser estendidas a todo o catálogo.

Você encontrará a unidade ppm, que significa “partes por milhão”. Por exemplo, 10 ppm corresponde a aproximadamente 10 moléculas do gás medido para cada milhão de moléculas da mistura gasosa. Para o mesmo gás, um número maior significa uma quantidade maior no ar. Mas o mesmo número para gases diferentes não significa o mesmo efeito sobre uma pessoa.

CO em casa: lareiras, estufas e aquecedores a combustão

Você está passando uma noite com a família perto da lareira. A sala está quentinha, e você quer saber o que acontece com o ar enquanto o fogo queima. Um sensor adicional de CO permite acompanhar as leituras de monóxido de carbono: elas ficam mais ou menos estáveis ou começam a subir enquanto a lareira está acesa? O aquecimento doméstico é uma das muitas aplicações de um sensor de CO.

A mesma pergunta é importante em uma casa com estufa a lenha, caldeira a gás ou aquecedor a gás ou querosene. A queima incompleta do combustível produz CO, e problemas na tiragem ou na chaminé podem permitir que gases da combustão entrem no ambiente. O monóxido de carbono não tem cor nem cheiro, por isso você não consegue perceber sua presença. EPA sobre fontes de CO em casa

A utilidade de um sensor de CO no Project Aura AQ é permitir que você veja valores numéricos e como eles mudam ao longo do tempo. Você pode notar uma elevação enquanto o aquecimento está ligado, observar se ela continua e verificar quando começou. O sensor também pode mostrar leituras altas de CO, ajudando a perceber um acúmulo perigoso do gás. O SEN0466 tem uma faixa de medição de 0 a 1000 ppm. Especificações da DFRobot

Na minha casa, ele mostra mudanças até quando ligo o fogão a gás: as leituras sobem de 0 para cerca de 10 ppm. Essa é uma observação pessoal em casa e ilustra por que considero útil uma medição adicional de CO. O dispositivo permite relacionar as leituras ao que está acontecendo no ambiente.

É necessário um alarme de CO certificado para emitir um aviso sonoro alto, inclusive à noite, quando a família está dormindo. A resposta dele depende da concentração do gás e do tempo de exposição: ele não precisa disparar a cada pequena mudança. O manual da FireAngel apresenta um exemplo dessas regras. O Project Aura AQ acrescenta leituras e um histórico a essa proteção, mas não substitui um alarme independente: a DFRobot não permite usar o módulo para proteger a vida das pessoas. Restrição do fabricante

Não ignore leituras altas de CO, mesmo que o alarme não tenha disparado. Se suspeitar de acúmulo de monóxido de carbono, saia para um local ao ar livre e entre em contato com os serviços de emergência; se estiver passando mal, procure atendimento médico urgente. Orientações do NHS

Aplicações práticas dos outros gases

Medir esses gases pode ser útil fora de um apartamento comum. Os exemplos a seguir explicam por que alguém poderia precisar dessas medições. Ao escolher um sensor, verifique quanto gás você espera encontrar no ar, quais mudanças precisa perceber e em que condições ele vai funcionar. Avaliar a segurança no trabalho e proteger pessoas exige instrumentos projetados para essas finalidades.

NH₃: granjas, estábulos e indústria

Uma granja é um dos muitos locais onde medir amônia, NH₃, é útil. Ela se forma quando as fezes das aves se decompõem na cama que cobre o piso. Universidade do Kentucky sobre a origem da amônia

A cama úmida produz mais amônia, enquanto a ventilação ajuda a removê-la do ar. Por isso, é útil para o responsável observar como as leituras mudam depois da limpeza, da secagem da cama ou de um ajuste na ventilação. UGA sobre cama de aviário e amônia

A Universidade da Geórgia descreve uma situação possível: com a ventilação funcionando durante o dia, as concentrações são de 10–15 ppm, mas podem subir para 40–60 ppm quando o fluxo de ar é reduzido à noite. Uma inspeção durante o dia pode não revelar o que aconteceu de madrugada. Esse é um exemplo de condições em uma granja, não o resultado de um teste do Project Aura AQ. UGA sobre variações entre o dia e a noite

O histórico de leituras ajuda a revelar essas elevações noturnas e a verificar se elas se repetem depois de mudanças na granja. Por exemplo, após secar a cama, você pode comparar várias noites com condições de operação semelhantes: as elevações ficaram menores e por quanto tempo as leituras permanecem altas? Assim, o responsável consegue ver se algo mudou nas horas em que ninguém faz uma inspeção.

A amônia também é medida em outros ambientes:

• Estábulos. A amônia é liberada quando a urina na cama se decompõe. Retirar a cama molhada reduz a fonte do gás, enquanto a ventilação ajuda a levá-lo para fora da construção. Universidade Purdue sobre amônia em estábulos, Penn State sobre ventilação de estábulos
• Sistemas de refrigeração industrial. Alguns laticínios, fábricas de sorvete e armazéns frigoríficos usam amônia como refrigerante, ou seja, uma substância utilizada para produzir resfriamento. O NH₃ é medido no ar ao redor dos equipamentos. OSHA sobre refrigeração com amônia
• Processamento de resíduos orgânicos. A compostagem de materiais ricos em nitrogênio, como grama cortada, pode liberar amônia. É possível comparar as leituras de diferentes lotes de material. Universidade Cornell sobre amônia na compostagem
• Armazenamento e transferência de amônia para fertilizantes. O NH₃ é medido no ar ao redor de tanques e tubulações durante transferências e manutenção. EPA sobre locais de armazenamento de amônia para fertilizantes

O SEN0469 pode ser considerado para monitoramento adicional após verificar as concentrações esperadas, suas leituras e as condições de instalação. Em uma criação, também é necessário planejar a proteção contra poeira e umidade. Um sensor mede o ar no ponto em que está instalado; áreas diferentes de um aviário ou estábulo grande podem precisar de monitoramento separado.

Em instalações industriais, os alarmes de proteção e os sistemas automáticos de segurança cumprem sua função independentemente das leituras adicionais do Project Aura AQ.

CO e NO₂: motores, empilhadeiras e extração de gases de escape

Monitorar gases de escape é uma das muitas aplicações das medições de CO e NO₂. Em uma oficina de veículos ou um armazém, motores de carros e empilhadeiras a combustão podem funcionar em ambientes fechados. As medições adicionais ajudam a mostrar quando as leituras sobem e por quanto tempo ficam elevadas depois que o equipamento para.

O HSE lista o CO e os óxidos de nitrogênio entre os componentes dos gases de escape; a mistura depende do motor e de como ele está funcionando. O CDC também documenta acúmulos de CO durante a operação de empilhadeiras a gás em ambientes fechados. O NO₂, ou dióxido de nitrogênio, fornece uma medição separada, mas nem mesmo junto com o CO descreve toda a mistura dos gases de escape. HSE sobre gases de escape, CDC sobre empilhadeiras

Suponha que as leituras subam repetidamente enquanto uma empilhadeira funciona e demorem bastante para voltar ao nível anterior depois que ela para. Comparar o histórico com os horários de operação pode ajudar você a decidir verificar a extração naquela área. Após a manutenção, é útil comparar turnos semelhantes: as elevações ficaram menores e as leituras caem mais rápido? Considere por quanto tempo o equipamento funcionou, se as portas estavam abertas e como a ventilação estava operando.

A adequação da ventilação e a segurança no trabalho devem ser avaliadas com equipamentos projetados para essas finalidades.

H₂S: biogás, criações de animais e processos industriais

A estação de tratamento na ilustração é um dos muitos locais onde medir sulfeto de hidrogênio, H₂S, é útil. Essas medições também são necessárias em outros lugares:

• Usinas de biogás. Dejetos de animais e resíduos alimentares são usados para produzir gás destinado à geração de energia, e esse gás pode conter H₂S. Aqui, o monitoramento se refere ao H₂S no ar ao redor dos equipamentos, fora das tubulações. EPA sobre sistemas de biogás
• Criações de animais. O sulfeto de hidrogênio se forma quando dejetos líquidos se decompõem sem oxigênio. Uma quantidade muito maior pode ser liberada durante a agitação e o bombeamento. Universidade de Minnesota
• Produção de celulose e papel. O H₂S pode surgir nos processos de produção. OSHA sobre H₂S na indústria
• Instalações geotérmicas e fontes termais. O sulfeto de hidrogênio pode ser liberado naturalmente. As medições ajudam a acompanhar seu acúmulo dentro de construções que utilizam água termal. WorkSafe sobre fontes naturais de H₂S

Nesses projetos, é útil comparar o histórico com o funcionamento dos equipamentos e da ventilação: quando as elevações começam, quanto duram e voltam a ocorrer depois da manutenção? Isso ajuda a observar mudanças ao longo de todo o turno, inclusive nas horas em que ninguém faz uma inspeção.

O SEN0467 pode ser considerado para monitoramento adicional do ar. Verifique as concentrações esperadas, a sensibilidade necessária e as condições de instalação, incluindo poeira e umidade. Monitorar um cheiro fraco pode exigir um instrumento mais sensível. Analisar o próprio biogás dentro de uma tubulação ou trabalhar em atmosferas potencialmente explosivas exige equipamentos especializados.

O₃: piscinas, lavanderias e produção de alimentos

Uma piscina com tratamento de água por ozônio é uma das muitas aplicações do ozônio, O₃. O gás é utilizado para desinfetar e remover odores. Medir o ozônio no ar ao redor dos equipamentos pode ser útil em diferentes ambientes:

• Produção de bebidas e lavagem de recipientes. A água ozonizada é usada para tratar garrafas, recipientes e tubulações. O O₃ é medido no ar ao lado da linha de lavagem. Xylem sobre produção de alimentos
• Lavanderias industriais. Alguns sistemas adicionam ozônio à água para lavar e desinfetar a roupa. As leituras são comparadas durante a lavagem e o enxágue. Sistemas de ozônio em lavanderias
• Piscinas com tratamento de água por ozônio. O ar pode ser monitorado na casa de máquinas que abriga o gerador e os equipamentos de fornecimento de ozônio. Aplicações da Ozonetech
• Remoção de odores do ar extraído. Em cozinhas profissionais, por exemplo, o ozônio é introduzido no duto de exaustão para tratar odores e contaminação por gordura. O ozônio é medido no ar do ambiente ao redor dos equipamentos. Ozonetech sobre o tratamento do ar extraído de cozinhas

Nesses projetos, você pode comparar o histórico com o modo de operação do gerador de ozônio e com a ventilação. Se as elevações se repetem na mesma etapa, há motivo para verificar os equipamentos envolvidos e a extração do gás. Depois da manutenção, é possível observar se o mesmo padrão retorna nas mesmas condições de operação.

Em todos esses exemplos, o sensor monitora o ozônio no ar. Medir ozônio dissolvido e avaliar o tratamento da água exige outros instrumentos. Instrumentos de medição da Xylem

O SEN0472 pode ser considerado para monitoramento adicional se for adequado às concentrações esperadas, à sensibilidade necessária e às condições de operação. Ele não deve determinar quando as pessoas podem voltar a entrar em uma sala após o tratamento com um gerador de ozônio. Os sistemas de monitoramento e proteção do processo operam independentemente do Project Aura AQ.

SO₂: vinícolas, frutas desidratadas e indústria

Uma vinícola é um dos muitos locais onde medir dióxido de enxofre, SO₂, é útil. Os produtores o utilizam para proteger o vinho de alterações indesejadas causadas pelo contato com o oxigênio e de microrganismos que podem estragá-lo. Parte do SO₂ dissolvido pode passar do vinho para o ar. Universidade Estadual de Iowa sobre SO₂ no vinho

Em uma linha de engarrafamento, por exemplo, um operador pode querer saber se as leituras sobem durante o funcionamento e por quanto tempo permanecem elevadas. O histórico pode ser comparado com os horários de engarrafamento e a operação da extração. Se as elevações se repetem na mesma etapa, isso ajuda a identificar uma área a verificar. Após a manutenção, é útil comparar ciclos de operação semelhantes e observar se o padrão mudou. Guia da SafeWork NSW para vinícolas, página 19

Essas medições também são úteis em outros ambientes:

• Produção de frutas desidratadas, como damascos secos. Os damascos podem ser tratados com SO₂ antes da secagem para retardar o escurecimento e preservar a cor. O gás pode passar para o ar ao redor durante esse processo. EPA sobre produção de frutas desidratadas
• Produção de celulose e papel. Alguns processos tratam a madeira com soluções à base de SO₂ para separar as fibras. EPA sobre processamento de madeira
• Caldeiras industriais que queimam carvão ou óleo combustível pesado. A queima de combustível que contém enxofre produz SO₂. O ar ao redor da caldeira pode ser monitorado durante a partida e as mudanças de carga. EPA sobre fontes de SO₂

O SEN0470 pode ser considerado para monitoramento adicional do ar após verificar as concentrações esperadas e as condições de instalação. Comparar suas leituras com um instrumento mais exato é especialmente importante na escolha: um estudo publicado encontrou limitações nesse módulo. Os detalhes estão na seção de referência ao final.

O SO₂ no vinho ou nas frutas desidratadas é medido por meio de uma análise separada do produto. Medições diretamente dentro de um duto de gases de combustão também exigem equipamentos projetados para essa finalidade.

O₂: armazenamento da colheita e trabalho com gases industriais

O armazenamento de frutas é uma das muitas aplicações das medições de oxigênio, O₂. Mesmo depois da colheita, maçãs e peras continuam respirando: consomem oxigênio e liberam dióxido de carbono. Para conservar a produção por mais tempo, câmaras especialmente vedadas mantêm a temperatura necessária e uma composição diferente do ar. A proporção de oxigênio é reduzida para desacelerar a respiração e o amadurecimento das frutas. Isso é chamado de armazenamento em atmosfera controlada. Universidade do Maine sobre armazenamento de maçãs e peras

Nesse caso, medir O₂ responde a uma pergunta simples: o que está acontecendo com o ar dentro da câmara? Por exemplo, você pode observar a queda do oxigênio durante a preparação para o armazenamento e sua elevação quando entra ar comum. O histórico ajuda a relacionar essas mudanças ao funcionamento dos equipamentos.

Outros exemplos em que medir oxigênio é útil:

• Armazenamento hermético de grãos e leguminosas. Níveis baixos de oxigênio em um depósito vedado ajudam a controlar insetos-praga. A proporção de oxigênio é medida no gás que vem de dentro do depósito. Um sensor ao lado de um recipiente fechado mede o ar da sala, não o gás dentro do recipiente. Pesquisa da Universidade Purdue
• Congelamento de alimentos com nitrogênio líquido. O nitrogênio é usado para resfriamento rápido. Ao evaporar, ele se torna um gás e, se acumular no ambiente, reduz a proporção de oxigênio no ar. Air Products sobre congelamento com nitrogênio líquido
• Áreas de soldagem que usam argônio. O argônio protege a solda do contato com o ar. Se esse gás se acumula em um espaço fechado, desloca o ar e o nível de oxigênio cai. HSE sobre gases de soldagem

O SEN0465 pode ser considerado para monitoramento adicional de mudanças perceptíveis na proporção de oxigênio, após verificar suas leituras e as condições de instalação.

Os analisadores de gás e os controles próprios da câmara mantêm as condições precisas necessárias para as frutas: o nível adequado depende da variedade, e reduzir demais o oxigênio pode danificar a produção. Universidade de Maryland sobre controle da atmosfera de armazenamento

Ao monitorar a atmosfera de uma câmara, planeje como levar o gás até o sensor e protegê-lo da condensação. São necessários instrumentos separados, projetados para essa finalidade, para avisar sobre uma falta perigosa de oxigênio e verificar o ar antes da entrada de pessoas. O Project Aura AQ acrescenta leituras e um histórico ao lado desses instrumentos.

Faixa, resolução e exatidão: qual é a diferença?

Esses módulos medem pequenas quantidades de gás em ppm, e o oxigênio como uma porcentagem do volume da mistura gasosa. Ao escolher um deles, é útil entender quais concentrações ele foi projetado para medir e qual é a exatidão de suas leituras.

Quatro especificações descrevem aspectos diferentes:

• Faixa de medição: as menores e maiores concentrações de gás que o sensor foi projetado para medir. Por exemplo, de 0 a 1000 ppm.
• Resolução: o menor incremento que ele consegue exibir. Por exemplo, 1 ppm ou 0,1 ppm.
• Exatidão: quanto uma leitura pode diferir da quantidade de gás realmente presente no ar.
• Repetibilidade: se você obtém leituras semelhantes ao repetir a medição nas mesmas condições.

Para essa linha, a DFRobot orienta calcular dois valores: 10% da leitura e 5% do limite superior da faixa. O desvio permitido é o maior dos dois, para mais ou para menos. O fabricante chama o limite superior da faixa de “fundo de escala”. Especificações da DFRobot

Por exemplo, um sensor de CO mostra 10 ppm. Dez por cento dessa leitura é 1 ppm, enquanto cinco por cento do limite superior de 1000 ppm é 50 ppm. A fórmula resulta em um desvio permitido de ±50 ppm.

Isso não significa que o módulo de CO só comece a detectar gás a partir de 50 ppm, nem que erre exatamente 50 ppm em todas as medições. A tolerância também não significa que as leituras oscilem aleatoriamente por todo esse intervalo. Um sensor específico pode mostrar repetidamente mudanças menores.

A tabela apresenta as especificações dos sete módulos. A última coluna mostra os 5% do fundo de escala calculados. Essa é uma parte do cálculo do erro, não a menor quantidade de gás que o sensor consegue detectar.

Para o sensor de oxigênio, uma leitura de 20,9% resulta em uma tolerância calculada de ±2,09 pontos percentuais. Um ponto percentual é a diferença entre dois valores percentuais: por exemplo, entre 20% e 21% há um ponto percentual.

Um incremento de 1 ppm na tela não demonstra, por si só, uma exatidão de ±1 ppm. Se você precisa distinguir 2 ppm de 5 ppm com confiança, compare o sensor com um instrumento mais exato ou com uma mistura de concentração de gás conhecida.

A repetibilidade também importa para o histórico. Ao comparar eventos do mesmo tipo, considere temperatura, umidade, outros gases e deriva, ou seja, a mudança das leituras ao longo do tempo mesmo quando as condições permanecem iguais.

Por que o ozônio ao ar livre exige outra abordagem

Quando o ozônio aparece na lista de recursos do Project Aura AQ, é natural esperar que também seja possível monitorar o ar externo. Eu deveria ter explicado desde o início para quais níveis de ozônio o sensor compatível foi projetado e quando outro instrumento é necessário. Antes, não deixei isso claro o suficiente.

Considere um exemplo hipotético: o ar externo contém 0,03 ppm de ozônio, ou 30 ppb. A unidade ppb significa partes por bilhão. O SEN0472 tem um incremento de exibição declarado de 0,1 ppm, e um dos componentes de sua tolerância é 0,5 ppm. Essas especificações não permitem prometer medições exatas de concentrações tão pequenas ou de suas variações. Especificações da DFRobot

Monitorar ozônio ao ar livre é uma tarefa válida por si só. Os níveis podem subir em dias ensolarados, pois a luz solar promove reações que envolvem óxidos de nitrogênio e compostos orgânicos voláteis na atmosfera. O monitoramento exato de baixas concentrações de fundo exige um instrumento projetado e verificado para esse nível de medição. Explicação da AEA

O SEN0472 pode ser considerado para outras aplicações de ozônio, como o monitoramento adicional de processos com concentrações mais perceptíveis.

Como obter leituras úteis

Um sensor pode responder a substâncias além do gás para o qual foi projetado. Por exemplo, a DFRobot informa que as leituras do SEN0472 de ozônio podem mudar na presença de NO₂ e cloro. Isso é chamado de sensibilidade cruzada. Portanto, uma elevação das leituras, sozinha, não permite identificar com certeza o gás nem a causa de um evento. Tabelas de sensibilidade cruzada da DFRobot

Antes de começar o monitoramento, o módulo precisa do aquecimento indicado nas instruções, especialmente depois de ficar armazenado. Respeite os limites de temperatura e umidade e evite fluxo de ar intenso, solventes, óleos e concentrações excessivamente altas. Para alguns adaptadores antigos V1.0, o fabricante também descreve um problema de leituras incorretas após um longo período de funcionamento. Confira a versão da placa ao investigar um comportamento incomum. Instruções da DFRobot

Também quero mencionar a calibração, ou seja, o ajuste das leituras em relação a uma referência conhecida. O fabricante já faz isso na fábrica para a saída digital do módulo. Executar o comando de recalibração sem uma mistura de concentração conhecida pode apagar os dados de fábrica. Fumaça, isqueiro, gases de escape de veículos e ar que parece limpo não servem para esse procedimento.

Para observar o que acontece em casa, mantenha o dispositivo em uma posição fixa adequada, anote quando os eventos ocorrem e verifique se a resposta se repete em condições semelhantes. O guia de posicionamento do monitor explica os princípios básicos. Para um projeto em um local de trabalho, compare também com um instrumento verificado que tenha exatidão suficiente para sua tarefa.

Por onde começar ao escolher um sensor

Decida o que você quer descobrir: monitorar o acúmulo noturno de amônia, relacionar mudanças de CO a equipamentos a combustão ou investigar um processo específico. Depois, confira alguns pontos:

1. Qual é a fonte do gás e quais concentrações você espera?
2. Quais mudanças precisa distinguir e com que exatidão? A faixa do sensor é adequada, qual é o menor incremento exibido e com que rapidez ele responde?
3. Como temperatura, umidade, contaminação e outros gases podem afetar as leituras?
4. Como você vai verificar o resultado e o que fará com a informação?

Em uma casa com lareira, estufa ou aquecimento a combustão, o CO pode oferecer um monitoramento adicional útil. Escolha NH₃, H₂S, SO₂, NO₂, O₃ ou O₂ fazendo uma pergunta igualmente específica sobre o ambiente ou processo. O suporte a esses módulos permite montar a configuração necessária; se você já tem um sensor, avalie-o pela tarefa que ele cumpre e por seu comportamento nas suas condições.

A página do Project Aura AQ lista os modelos e as opções de conexão.