Detektor trdnih delcev

Z izrazom trdni delci (PM – angl. particulate matter) označujemo droben prah, ki je prisoten v zraku v določenem obdobju. Droben prah v zraku predstavlja drobne delce in kapljice organskega ali anorganskega izvora, ki lebdijo v zraku. Ta prah nastaja naravno ali zaradi aktivnosti človeka. Naravni prah predstavljajo zemlja, morske soli, vulkanski prah, cvetni prah, itd. Posebej velik problem pa so trdni delci, ki so posledica onesnaženosti zraka. Taki so predvsem delci iz motorjev z notranjem izgorevanjem, delci, ki nastanejo kot posledica cestnega prometa (obraba zavor, gum, cestišča,…), delci, ki izvirajo iz proizvodnje cementa, sežigalnic odpadkov, itd. Veliko trdnih delcev nastaja tudi pri kurjenju s trdnimi gorivi (les, premog), kar se pozna predvsem v zimskih mesecih.

Manjši in svetlejši delci se v zraku zadržujejo dalj časa. Večji delci se v ozračju zadržujejo nekaj ur, manjši delci pa lahko v ozračju ostanejo celo več tednov in se v tla sperejo šele s padavinami.

Trdni delci predstavljajo nevarnost za zdravje ljudi. Trdni delci namreč povečajo umrljivost za boleznimi dihal ter boleznimi srca in ožilja. Če trdni delci vsebujejo težke kovine, je njihova strupenost še večja. Trdnim delcem bi se morali izogibati predvsem otroci, starejši ljudje, nosečnice in tisti, ki imajo težave z dihalnimi organi.

Delci, ki lahko lebdijo v zraku, so velikosti do okrog 35 mikronov (1 mikron je tisoči del milimetra). Te delce ljudje lahko vdihavamo. Delci, ki so večji od 10 mikronov praviloma ostajajo v zgornjih dihalnih poteh (nos, sapnik itd.). Delci, ki so manjši od 10 mikronov (PM10) pa potujejo v pljuča, kjer povzročajo zdravstvene težave. Še večji problem so delci manjši od 2,5 mikrona (PM2.5), ki lahko pridejo v pljučne mehurčke. Delci velikosti do 0,1 mikrona pa lahko preko pljučnih mehurčkov preidejo neposredno v kri in povzročajo zdravstvene težave tudi v drugih organih telesa.

Trdne delce tako ločimo glede na naslednje velikosti:

– PM10 (10 μm)

– PM2.5 (2,5 μm) in PM1 (1 μm)

– nano-delci

Zdravstveni učinki trdnih delcev na zdravje so zelo negativni. Študije so pokazale, da poleg težav z dihalnimi organi povzročajo tudi mutacije DNK, negativno pa vplivajo tudi na srčno žilni sistem, saj jih povezujejo s kardiovaskularnimi boleznimi in srčno kapjo. Svetovna zdravstvena organizacija WHO in International Agency for Research on Cancer sta trdne delce v zraku označile za karcinogene iz prve skupine (Group 1: Carcinogenic to humans). Znanstvena raziskava iz leta 2013 je pokazala, da vsako povečanje trdnih delcev PM10 za 10 μg/m3 poveča stopnjo tveganja za pljučnega raka za 22%. Še bolj nevarni pa so manjši delci PM2.5, kjer povečanje količine za 10 μg/m3 stopnjo tveganja za pljučnega raka poveča za kar 36%.

Merjenje trdnih delcev

Pri meritvah trdnih delcev najpogosteje izvajamo meritve delcev premera 10 µm (PM10), v zadnjem času pa čedalje več tudi 2,5 µm (PM2,5), saj so novejše raziskave pokazale, da so le-ti zdravju najbolj škodljivi.

Mejna dnevna vrednost za delce PM10 je 50 µg/m3 (mikrogramov na kubični meter zraka). Mejna letna vrednost za delce PM10 je 40 µg/m3. Mejna letna vrednost za delce PM2.5 je 25 µg/m3.

Merjenje trdnih delcev v domačem okolju

Profesionalni detektorji trdnih delcev so drage in kompleksne naprave, a razvoj tehnologije je omogočil proizvodnjo in prodajo precej bolj cenenih detektorjev trdnih delcev, ki delujejo na principu laserskega merjenja oz. štetja trdnih delcev. Taki senzorji sicer niso tako natančni, so pa precej poceni in zadostujejo za splošno oceno kvalitete zraka. Eden takih je serija detektorjev trdnih delcev SDS kitajskega podjetja Inovafitness. Ti so SDS011, SDS018 ter SDS021.

Omenjeni detektorji trdnih delcev imajo omejeno življenjsko dobo (okrog 8000 ur delovanja), kar v praksi ni velika težava. Poleg tega jih je potrebno v pogojih visoke prašnosti občasno tudi očistiti. V osnovi so namenjeni vgradnji v različne naprave za čiščenje zraka ter v senzorske naprave za beleženje kvalitete zraka v domačem okolju. Za okrog 25 EUR smo tako na spletu kupili detektor trdnih delcev SDS021 z USB priključkom.

Detektor torej na računalnik povsem enostavno priključimo preku USB vrat. Če nameravamo uporabiti RaspberryPi, pa detektor lahko priključimo neposredno na GPIO pine in sicer na 5V, GND, TXD0 (UART) in RXD0 (UART).

Programska oprema za branje podatkov iz senzorja priključenega na USB v programskem jeziku Python je objavljena na našem GitHubu.

Uporaba je preprosta. Senzor preko USB vrat priključimo na računalnik in zaženemo aplikacijo:

python dust-sensor-read.py

Starting reading dust sensor on port /dev/ttyUSB0...
PM2.5: 70, PM10: 74
PM2.5: 72, PM10: 76
PM2.5: 79, PM10: 83
PM2.5: 77, PM10: 92
PM2.5: 77, PM10: 89
PM2.5: 78, PM10: 86
PM2.5: 78, PM10: 84
PM2.5: 78, PM10: 82
...

Vizualizacija podatkov

Ker bo merjenje trdnih delcev tudi del projekta BlueSensor, naslednja različica programske kode podatke izpisuje v JSON obliki. Primer podatkov:

{
 "metadata": {
 "device_name": "Senzor trdnih delcev",
 "device_btname": "DUST1",
 "device_location": "doma",
 "sensors": {
 "pm25": ["PM 2.5", "SDS021", "ug/m3", "red"],
 "pm10": ["PM 10", "SDS021", "ug/m3", "blue"]
 }
 },
 "time": 1498081621804,
 "data": {
 "pm25": [71.00, 25.00],
 "pm10": [99.00, 50.00]
 }
}

V JSON strukturi opišemo osnovne podatke o senzorski napravi, katere senzorje vsebuje (razdelek sensors) ter za vsak senzor kaj meri, kateri je tip senzorja, kakšne so enote in kakšna naj bo črta, ki bo prikazovala podatke. V razdelku data pa pošiljamo same podatke ter njihove mejne vrednosti.

S pomočjo detektorja trdnih delcev SDS021 je mogoče izvesti kar nekaj zanimivih poskusov. Predvsem pa nam nekoliko bolj dolgotrajno merjenje trdnih delcev v zraku lahko da vsaj neko osnovno sliko v kako kvalitetnem okolju živimo.