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Cómo funciona el sensor de aire:

El sensor Shinyei PPD42N opera con una combinación de los métodos de peso y conteo de partículas.  Está diseñado para medir partículas de 1 µm y de 2.5 µm.  En este proyecto se medirán únicamente PM 2.5.

Para que el sensor entregue una medida el aire ingresa por la abertura inferior del sensor (Intake), el resistor (Heating Element) calienta el aire y esto hace que las partículas suban de forma que, al encenderse el LED Infrarojo, el Fotodiodo detector pueda reportar la variación en los niveles de luz correspondientes a la presencia de partículas en el aire.

PPD42NS por dentro

Desde el punto de vista digital, el sensor va a reportar el tiempo que la señal correspondiente a PM 2.5 (P2)  está en bajo (Low Pulse Occupancy time) y ese dato se convierte en la rata (ratio) de medición de las particulas en el período de tiempo de medición.  Las diferentes implementaciones y ejemplos disponibles del uso de este sensor hacen una sumatoria de los tiempos que esa señal permanece en bajo en un período de 30 segundos.  La siguiente gráfica ilusta este principio de funcionamiento:

Señal del sensor
Fuente: http://www.howmuchsnow.com/arduino/airquality/grovedust/

Un análisis detallado del circuito interno del sensor efectuado por Tracy Allen (Ver aquí) muestra que se hace una comparación entre las señales recibidas del fotodiodo y el voltaje existente en las resistencias en el pin Threshold (P5). En condiciones normales ese voltaje sería de 2.5V pero puede ser variado, aumentando la sensibilidad, si se adiciona una resistencia de 10K entre el pin P5 y tierra (Ver aquí la explicación por quien ideó ésta modificación).  Lo anterior indica además que el sensor PPD42N es altamente sensible a las variaciones en el voltaje de alimentación y una variación de 0.5 voltios podría afectar como se comporta el comparador y cambiar drásticamente el resultado de las medidas.  Se recomienda entonces que la fuente de alimentación del sistema sea estable y entre 5.0 V y 6 V. Pruebas con fuentes de 4.9 V han dado como resultado alta variabilidad en las medidas.  Aquí una diagrama del circuito interno del PPD42N:

Diagrama de circuito
Fuente: Tracy Allen

Calibración del sensor:

Otros proyectos similares han seguido diferentes métodos para efectuar la conversión de la medida que el sensor entrega que corresponde a una rata del tiempo que el fotodiodo está en estado bajo a una medida más acorde a los reportes estándar de medición de partículas PM 2.5 que usualmente se da en µg/m³ o ppm. El método más usado es tomar la curva característica del sensor que aparece en la hoja de especificaciones del fabricante y obtener una ecuación que hace la conversión de ratio a unidades pcs/cf (Partículas por Pie cúbico).  Calculos adicionales son necesarios para convertir esas unidades a µg/m³ o ppm (Ver aquí la aproximación a esta problema que se usó inicialmente en este proyecto), pero la complejidad de este proceso aumenta el riesgo de error o de inexactitud de los datos.

Por lo anterior se decidió que en éste proyecto se usará el método propuesto por un proyecto similar (Ver aquí) donde el autor efectuó una comparación de medidas del sensor PPD42N con el sensor de alta precisión Dusttrak II Modelo 8530 y capturó datos en períodos de 1 minuto para partículas PM 2.5 específicamente para contaminación con humo.  El resultado detallado de sus medidas y el cálculo de la ecuación resultante puede verse aquí.

La ventaja de ése método es que la ecuación resultante convierte la rata de medida de tiempo directamente en unidades de µg/m³ lo que simplifica el programa y asegura la precisión de los datos:

PM25= .1809 * (ratio)^2 + 3.8987 * ratio


Calibración del sensor

En pruebas ejecutadas durante 1 mes con medidas tomadas cada 30 segundos y calculando un promedio móvil de 1 hora, se encontró que los resultados son muy cercanos y en un alto porcentaje iguales a las medidas reportadas oficialmente para la ciudad de Envigado donde se corrieron las pruebas.

Nota: A causa del método de medición del sensor se presenta alta variabilidad en las medidas en períodos cortos de tiempo por lo que se hace necesario utilizar el promedio móvil para suavizar las fluctuaciones.

Adición de un ventilador para aumentar flujo:

Un proyecto de la India sugiere que se adicione un pequeño ventilador a la entrada de aire para incrementar el flujo y así mejorar las medidas.  En pruebas controladas durante 30 días se encontró que la adición del ventilador disminuía la cantidad de partículas detectadas por el sensor.  Es muy posible que el flujo y, por tanto, el tamaño y velocidad del ventilador deban ser calculados considerando las medidas y características del sensor.  Ante la imposibilidad de hacer esto y al encontrar medidas confiables sin la adición del ventilador, se decidió eliminarlo del diseño final.

Ventilador