LB-930 - Czujnik pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu, licznik cząstek

• Pomiar zanieczyszczeń atmosfery
• Miernik pyłu zawieszonego
• Pomiar laserowy
• Stężenie cząstek PM 1.0, 2.5 , 4 i 10 μm (*1)
  
• Licznik cząstek PM 0.5, 1.0, 2.5 , 4 i 10 μm (*1)
  
• Sygnalizacja optyczna PM2.5  - 3 poziomy
  
• Interfejs: S300, USB, analogowe 0..5V, 4..20mA, przekaźnik alarmowy
  

Pomiary stężenia pyłu zawieszonego

Czujnik pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu LB-930 służy do pomiaru stężenia aerozoli znajdujących się aktualnie w atmosferze otaczającej miernik. Aerozole atmosferyczne  to ciekłe krople lub stałe cząstki, jak na przykład:

• aerozole soli morskiej,
• pyły pochodzenia mineralnego (przykładowo chmury piasku),
• organiczne i nieorganiczne związki węgla, popioły i cząstki sadzy, pochodzenia naturalnego (np. wulkany) lub przemysłowego (np. spaliny samochodowe),
• tlenki siarki lub azotu, które w procesach chemicznych i fotochemicznych przekształcają się w aerozole atmosferyczne.

Czujnik pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu LB-930 jest instalowany na stacjach meteorologicznych do ciągłego monitorowania stanu atmosfery. Czujnik taki znajduje się miedzy innymi na Internetowej Stacja Meteo w Warszawie (zlokalizowanej w Regułach). Z przykładowych pomiarów widać, że stężenie pyłów jest największe w warunkach bezwietrznej pogody.

Podczas pomiarów w warunkach zewnętrznych czujnik powinien być umieszczony w dodatkowej kroploszczelnej obudowie z wymuszonym przewiewem.

Zasada działania czujnika pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu

Czujnik pyłu zawieszonego w powietrzu LB-930 działa w oparciu o wysokiej jakości sensor cząstek. Wentylator sensora zasysa powietrze przez wlot (1, na rysunku obok). Sensor cząstek dokonuje pomiaru układem laserowym, który wykorzystuje metodę rozpraszania światła do wykrywania i zliczania cząstek w zakresie stężeń od 0 µg/m3 do 1000 µg/m3. Źródło światła laserowego oświetla cząsteczkę podczas przeciągania jej przez komorę detekcji (2). W miarę przechodzenia cząstek przez wiązkę laserową źródło światła zostaje zasłonięte co jest rejestrowane przez detektor światła (3). Sygnał z detektora światła jest analizowany i konwertowany na sygnał elektryczny w celu obliczenia zawartości pyłów o różnym rozmiarze cząstek:  stężenia w czasie rzeczywistym (4). Mierząc czas przelotu cząstek przez układ optyczny czujnik szacuje ilość cząstek pyłów o rozmiarze nie przekraczającym: 0.5, 1.0, 2.5, 4.0 i 10 μm, podając jednocześnie wyniki: wagowo (w μg/m ³) oraz ilościowo (sztuk/cm³), udostępniając te szczegółowe dane przez port USB w czasie rzeczywistym (*1).

Użytkowanie czujnika pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu

Czujnik pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu LB-930 jest zasilany z zewnętrznego źródła napięcia stałego od 5 do 20V (doprowadzone przez koncentryczne gniazdo DC albo złącze z zaciskami) lub przez złącze komunikacyjne USB (po dołączeniu do komputera lub typowego zasilacza 5VDC ze złączem USB). Wynik pomiaru jest porównywany z zalecanymi w Polsce normami i jest sygnalizowany świeceniem jednej z 3 kolorowych diod czujnika, odpowiadającej aktualnemu poziomowi zanieczyszczeń:

• zielony - poziom dopuszczalny, PM2.5 poniżej 37 µg/m3,
• żółty - poziom informowania, PM2.5 pomiędzy 37 a 85 µg/m3,
• czerwony - poziom alarmowy, PM2.5 powyżej 85 µg/m3. 
  

Wynik pomiaru PM2.5 jest dostępny na zewnątrz czujnika na kilka sposobów:

• poprzez interfejs cyfrowy S300 (przeznaczony do komunikacji z rejestratorami LAB-EL LB-480 i LB-490 lub, poprzez konwerter LB-375 i interfejs USB, np. ze znacznie oddalonym komputerem z programem SCADA LBX),
• poprzez interfejs USB dołączony do komputera PC z programem SCADA LBX, którym także można zasilać czujnik, konfigurować i odczytać pozostałe wielkości cząstek,
  
• poprzez napięcie stałe w zakresie od 0V (odpowiadające stężeniu PM2.5 - 0 µg/m3) do 5V (odpowiadające stężeniu PM2.5 - 1000 µg/m3), proporcjonalne liniowo do stężenia cząstek PM2.5
• poprzez włączenie przekaźnika (opto-tranzystora) po przekroczeniu poziomu alarmowego zaprogramowanego przez użytkownika.
  

Poziomy włączenia sygnalizacji przekroczenia progów kolorowymi diodami i zadziałania przekaźnika alarmowego, stosownie do potrzeb, mogą być zmienione przez użytkownika programem konfiguracyjnym LBX po dołączeniu czujnika do portu USB komputera.  Dla wydłużenia żywotności sensora możliwe jest zaprogramowanie okresowej pracy czujnika (np. pomiar przez 1 minutę co 10 minut).

Wyniki pomiarów z czujnika pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu LB-930 mogą być zbierane w pamięci rejestratorów LAB-EL LB-480 i LB-490, skąd mogą być transmitowane na kilka sposobów: poprzez interfejs USB, Ethernet lub, po zainstalowaniu w rejestratorze modułu LB-499-GSM, za pośrednictwem sieci telefonii komórkowej. Dane pomiarowe mogą być odczytywane na wyświetlaczu LCD rejestratora lub przesyłane do programu SCADA LBX zainstalowanego na komputerze PC.

Czujnik pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu LB-930 powinien być zamocowany do powierzchni pionowej (zgodnie z napisami na obudowie) lub poziomej. Czujnik nie powinien być narażony na wpływ bezpośrednich warunków atmosferycznych, zalanie płynami (deszczem) lub wykraplanie wody (w  wyniku zmian temperatury lub wilgotności powietrza). W przypadku instalacji na zewnątrz czujnik musi znajdować się w dodatkowej obudowie z wymuszonym przewiewem, ale zabezpieczającej go w pełni przed deszczem i słońcem.  Zalanie lub wykroplenie wody wewnątrz urządzenia może spowodować uszkodzenie. Środowisko pracy przyrządu nie może być agresywne.

Czujnik pyłu zawieszonego PM2.5 w powietrzu LB-930 może być montowany w miejscu instalacji przy pomocy 2 wkrętów: z wykorzystaniem otworów w spodniej (v1) części obudowy lub z wykorzystaniem dodatkowej listwy metalowej (v2) - opcja do wyboru podczas zamawiania.

Instalacja czujnika i uwagi eksploatacyjne

Przy wyborze miejsca instalacji niezbędnych jest odpowiednie zamontowanie czujnika dla uzyskania reprezentatywnego pomiaru stężenia pyłu zawieszonego.

• Należy zapewnić dobry przepływ powietrza wokół czujnika, którego nie powinny ograniczać żadne przeszkody. Czujnik powinien być położony w odległości kilku metrów od budynków, balkonów, drzew i innych przeszkód.
• W przypadku pomiaru jakości powietrza na linii zabudowy czujnik powinien być zamontowany co najmniej 0,5 m od najbliższego budynku. 
• Zasadą ogólną jest, że czujnik znajduje się od 1,5 m (strefa oddychania) do 4 m powyżej poziomu gruntu.
• W niektórych wypadkach konieczne może okazać się umieszczenie go wyżej niż 4 m, zwłaszcza gdy czujnik ma być reprezentatywny dla większego obszaru.
• Przy pomiarach zanieczyszczeń od środków transportu czujniki powinien być oddalony co najmniej 25 m od granicy głównych skrzyżowań i jednocześnie nie powinien być oddalony więcej niż 10 m od krawężnika drogi.
• Aby uniknąć bezpośredniego zasysania substancji przed ich dostatecznym zmieszaniem z powietrzem, nie należy umieszczać czujników w bezpośrednim sąsiedztwie źródeł emisji zanieczyszczenia (np. kominów).
• Jeżeli czujnik jest umieszczony w dodatkowej obudowie, to obudowę należy wyposażyć w wentylatorek zapewniający intensywny przepływ powietrza przez obudowę.
• Należy unikać ponownego zasysania przez czujnik powietrza raz zmierzonego.
• Powietrze przed badaniem powinno być pozbawione wilgoci, bo czujnik nie odróżnia czy w powietrzu jest kropelka wody, czy cząstka pyłu zawieszonego. Dla powietrza o dużej wilgotności, przy której w powietrzu występuje para wodna lub pył wodny,  należy zapewnić osuszanie powietrza, np. przez podgrzewanie powietrza powyżej temperatury punktu rosy, gdyż inaczej czujnik może istotnie zawyżać wynik. Jest to szczególnie ważne w okresie niskich temperatur i opadów deszczu.

Rodzaje, szkodliwość i dopuszczalne poziomy stężenia pyłów zawieszonych w powietrzu

Aerozole atmosferyczne cechują się szkodliwością zależną od ich rozmiaru PM (ang.: particulate matter), stężenia i czasu oddziaływania.

PM2.5 to mieszanina cząstek w powietrzu o średnicy nie większej niż 2.5 μm, który zdaniem Światowej Organizacji Zdrowia jest najbardziej szkodliwy dla zdrowia człowieka spośród innych zanieczyszczeń atmosferycznych. Jak wynika z raportów Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), długotrwałe narażenie na działanie pyłu zawieszonego PM2.5 skutkuje skróceniem średniej długości życia, chorobami układu oddechowego i krążenia, osłabienie czynności płuc, gdyż tak drobny pył dostaje się bezpośrednio przez płuca do krwi.

PM10 to mieszanina cząstek w powietrzu o średnicy nie większej niż 10 μm. Występowanie pyłów PM10 związane jest w szczególności z procesami spalania paliw stałych w kotłowniach i ciekłych w transporcie. W Polsce normy dla pyłów drobnych PM10 są ustalone na trzech poziomach (średnia dobowa):

• Poziom dopuszczalny 50 µg/m3 mówi o tym, że jakość powietrza nie jest dobra, ale nie wywołuje ciężkich skutków dla ludzkiego zdrowia.
• Poziom informowania 200 µg/m3, oznacza, że jest źle i trzeba ograniczyć aktywności na powietrzu, bo norma przekroczona jest czterokrotnie.
• Poziom alarmowy 300 µg/m3, oznacza, że jest bardzo źle, norma przekroczona jest sześciokrotnie i należy bezwzględnie ograniczyć przebywanie na powietrzu, a najlepiej zostać w domu, szczególnie osoby chore.
  

Dyrektywa 2008/50/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy określa wartości stężeń pyłów PM2.5 docelowe i dopuszczalne oraz wprowadza odrębny wskaźnik dla terenów miejskich (wskaźnik średniego narażenia), a także nakazuje poinformowanie społeczeństwa o możliwych zagrożeniach. Unia Europejska dla pyłów drobnych PM10 i PM2.5 ustaliła jedynie poziom dopuszczalny, odpowiednio dla PM10 - 50 µg/m3 (dobowy) i 40 µg/m3 (średni-roczny), a dla pyłu PM2.5 - 25 µg/m3 (średni-roczny).

Dane techniczne czujnika pyłu zawieszonego w powietrzu

Pomiar stężenia
Typ sensora pyłów	laserowy, wbudowany
Zakres pomiaru stężenia pyłów	0...1000 µg/m3
Rozdzielczość	1 µg/m3
Pomiar masy cząstek pyłu	PM1.0, PM2.5, PM4, PM10
Zakres pomiaru ilości cząstek pyłu	0...3000 szt/cm3
Zliczanie ilości cząstek pyłu	PM0.5, PM1.0, PM2.5, PM4, PM10
Dokładność pomiaru masy cząstek pyłu PM2.5	0...100 µg/m3:  +/- 10 µg/m3 100...1000 µg/m3:  +/- 10%
Standardowy zakres wyjścia analogowego 0..10 V	PM2.5: 0...1000 µg/m3 (możliwość przeskalowania do wymaganego zakresu z użyciem złącza USB i programu LBX) (*2)
Czas startu	10 sekund
Okres pomiaru	1 sekunda
Wyjścia
Optyczne	3 kolorowe diody - sygnalizacja 3 poziomów PM2.5
Cyfowe	S300 (do LB-480, LB-490) - PM1, PM2.5, PM10
	USB (do PC z programem LBX) - wszystkie pomiary
Analogowe 0...10 V	PM2.5: 0...1000 µg/m3 (możliwość przeskalowania do wymaganego zakresu), nie izolowane, obciążenie max 10 kOhm (*2)
Analogowe 4...20 mA	PM2.5: 0...1000 µg/m3 (możliwość przeskalowania do wymaganego zakresu), nie izolowane, zasilanie zewnętrzne (*2)
Przekaźnik	MOSFET-opto-przekaźnik: napięcie max 230 V AC/DC, prąd max 150 mA
Warunki pracy
Zakres temperatur pracy (zalecany)	10...40°C
Maksymalny zakres temperatur pracy	-10...60°C (wzrost błędu pomiaru o 50% poza zalecanym zakresem temperatur pracy)
Zakres wilgotności względnej powietrza (zalecany)	20...80% RH (bez wykraplania)
Pozostałe parametry
Żywotność czujnika	8 lat ciągłej pracy
Zasilanie	5...20 VDC, 100 mA (zalecane napięcie: 12 VDC)
Wymiary zewnętrzne	84 x 84 x 36 mm
Masa	ok. 200g

Uwagi:

(*1): Podstawowym pomiarem czujników, na który są one zaprojektowane, jest pomiar masy cząstek pyłu PM2.5. Pomiary masy cząstek o innych wielkościach oraz pomiar ilości cząstek pyłu ma charakter orientacyjny i może być przez czujnik interpolowany, lub może nie być dostępny, w zależności od producenta zastosowanego sensora.

(*2): Egzemplarze czujnika LB-930 do nr 30 posiadały wyjście 0...5 V i nie posiadały wyjścia 4...20 mA, egzemplarze powyżej nr 30 posiadają wyjście 0...10 V i dodatkowo posiadają wyjście 4...20 mA. Przy zasilaniu czujnika ze złącza USB napięcie na wyjściu 0...10 V (albo 0...5 V) jest ograniczone do wartości tylko 4,9 V.