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proyectos:midiendo_co2

Midiendo CO2

Antecedentes

Midiendo CO2 surge de la coincidencia de varias experiencias:

  • por una parte mediciones antiguas hechas con un sensor de CO2 electroquímico en un espacio cerrado. La concentración del gas variaba fuertemente en función del número de personas y el tiempo que permanecían en el local. La falta de una referencia para una calibración adecuada hizo que no se pudieran interpretar los valores.
  • las múltiples noticias sobre el efecto de la concentración de CO2 en la calidad del aire. enlace
  • una charla con un grupo de alumnos en la que hablamos sobre el efecto de la concentración de CO2 en la capacidad de atención. La frase fue que “quizá una concentración de más de 2000 ppm no sea lo más adecuado para hacer un examen de matemáticas

El asunto es que la charla tuvo efecto, y poco después los alumnos tenían ganas de tomar medidas, quizá por curiosidad científica real o para librarse de algún examen ;-). Y nos pusimos a construir un medidor para “hacerle preguntas al CO2.

Actualización: Luego vino esto del CoronaVirus, y los aerosoles, y la comparación entre la difusión del CO2 y otros gases con la concentración de CornaVirus en el aire, y la conveniencia de monitorizar los niveles de CO2 y ventilar los espacios cerrados. Todo eso nos hace creer más que nunca en este proyecto.

El espíritu de esta iniciativa no es tanto desarrollar un proyecto de naturaleza tecnológica, sino el diseñar experimentos que permitan verificar hipótesis científicas midiendo la concentración de CO2, y así también conocer más sobre este gas, y sobre la contaminación en general. Se trata de hacer investigaciones reales y originales. Preguntas como ¿qué valores se alcanzan en un aula cerrada a lo largo de una mañana de clase? ¿cuánto tiempo hace falta para ventilar? ¿se reduce siempre al ventilar? ¿cuáles son los lugrares con menos y más CO2 en la ciudad? ¿se nota el efecto de los coches en las mediciones? ¿cuánto afecta una clase de educación física a los niveles de CO2? ¿afectan las plantas a esos niveles?… La intuición nos sugiere algunas respuestas a muchas de esas preguntas, pero falta verificarlas, y, sobre todo diseñar los experimentos: definir el entorno, aislar variables, interpretar los datos,…

Para mejorar la renovación de aire en la zona del sensor de CO2 se incluyó un pequeño módulo medidor de partículas en suspensión. Con el se pueden hacer nuevas investigaciones sobre la calidad del aire y nuevas preguntas: ¿dónde abunda más la contaminación por partículas? ¿cuál es el perfil por tamaños? ¿coinciden esos datos con los de estaciones fijas “oficiales”? ¿y con las zonas de nuestro entorno que nos dicen que están más contaminadas? ¿qué relación hay entre partículas y olores?

En el prototipo los datos se recogen en una tarjeta microSD en formato .csv ó .tsv El manejo y la elección de las herramientas de análisis de los datos quedan así en manos de los autores de cada uno de los proyectos científicos.

En este artículo hay una descripción del funcionamiento de un detector de CO2 de tipo NDIR (luz infrarroja no dispersada) del tipo del empleado en este proyecto.

Esquema

Componentes

Estos son los componentes principales del medidor:

  • medidor de CO2 Sensirion SCD30: se conecta por I2C. Mide la concentración en base a la opacidad del CO2 a una longitud de onda muy concreta en la zona del amarillo. Se puede ver cómo enciende una luz amarilla antes de cada medida. Sparkfun desarrolló la librería SparkFun_SCD30_Arduino_Library para arduino. Lo tiene en TME entre otros proveedores. En estas fechas hay mucha demanda de este detector.
  • módulo LOLIN WEMOS D1mini basado en ESP8266. Se puede comprar aquí por ejemplo.
  • módulo combinado RTC basado en el chip DS1307 y módulo de tarjeta microSD . Para el módulo RTC se usa la librería RTClib http://news.jeelabs.org. Para la tarjeta SD se usa la librería de Arduino. Se puede comprar aquí por ejemplo.
  • módulo de gestión de batería para WEMOS. Este módulo basado en el chip TP5400 tiene la ventaja de que siempre da a su salida una tensión de 5V, que es necesaria para algunos de los sensores. Se puede comprar aquí por ejemplo.
  • módulo medidor de partículas en suspensión sensirion SPS30: se conecta por I2C y sólo funciona con 5V, aunque es compatible con señales I2C de 3,3V. Sensirion ofrece una librería para arduino llamada sps30. Lo tienen en TME.
  • display OLED de 0,96 SSD1306” con conexión I2C y resolución 128×64 puntos. Para manejarlo se usan las librerías Adafruit_GFX y Adafruit_SSD1306. Se puede comprar aquí por ejemplo.
  • batería plana de litio de 3.500 mAh

Software

El programa de control y registro de datos está hecho en el entorno de programación arduino. Se puede consultar en GitLab

Utiliza las siguientes librerías:

módulo RTC-SD

  • RTClib
  • SD

sensor de CO2

  • SparkFun_SCD30_Arduino_library

sensor de partículas en suspensión

display OLED

  • Adafruit_GFX
  • Adafruit_SSD1306

Imágenes

El montaje del prototipo está hecho sobre una placa de prototipos con cableado al aire.

Montaje sin añadir el módulo de medida de partículas en suspensión. El módulo SCD30 de medida de CO2 está a la derecha.

El prototipo ya completo.Los módulos Wemos están a la izquierda. La batería está debajo de la placa de prototipos.

El prototipo haciendo mediciones reales en una zona con el aire bastante limpio.

Primeras impresiones

El prototipo empezó a ser funcional a mediados del mes de octubre de 2020. Las primeras mediciones muestran una importante sensibilidad a la cantidad de CO2 en el ambiente, detectándose fácilmente los ambientes cargados. También se pudo verificar que la ventilación baja rápidamente la concentración de C=2 hasta valores próximos a las 500 ppm, que está cerca del valor base de CO2 en todo el planeta.

Pese al poco tiempo para tomar muestras, se han conseguido valores sorprendentes, como niveles de 4.000 ppm dentro de un aula cerrada o en torno a las 15.000 ppm en un túnel largo abierto al tráfico.

El módulo de medición de partículas en suspensión también mostró medidas interesantes. Es suficientemente sensibñe como para detectar la presencia de personas fumando a 2 metros en la calle. En interior detecta con facilidad olores fuertes, como el olor a frito. Parece que los olores que quedan fijos en la ropa se correlacionan con concentraciones altas de partículas en suspensión.

Esyas mediciones preeliminares deben ser confirmadas con medidas sistemáticas. La construcción y liberación an varios centros educativos de varios equipos de medición, junto con la sensibilidad actual sobre la calidad ambiental permitirán profundizar en las conclusiones iniciales.

Mejoras futuras

Solo por citar algunas de las que surgen en esta fase inicial. Muchas de ellas pueden ser actividades didácticas para desarrollar en el aula o en un club de ciencia. Otras son sugerencia de medidas de las que no conocemos el resultado a priori.

  • Diseñar una placa de circuito impreso
  • Diseñar una caja imprimible
  • Elaborar un manual de instrucciones
  • Elaborar una guía didáctica
  • Optimización del software de medida.
  • Leer los datos por medio de una App móvil.
  • Eliminar la tarjeta SD registrando los datos en memoria interna y leyendo a través de una App.
  • Desarrollar herramientas de análisis de los datos que permitan detectar, aislar y analizar los momentos de subida y bajada.
  • Estudiar la forma de minimizar la contaminación en espacios cerrado analiozando los valores de CO2
  • Detectar las principales fuentes de contaminación de las actividades urbanas

manolomira

proyectos/midiendo_co2.txt · Última modificación: 2020/10/27 09:24 por Manuel Miramontes