Arduino en Optical Dust Sensor

Datum:  December 2023

Inleiding:

De SHARP GP2Y1014AU0F optical dust sensor meet m.b.v. lichtverstrooiing de hoeveelheid fijnstof in de lucht.

Materiaal:

  • Arduino Uno R3
  • Sharp GP2Y1010AU0F Dust Sensor
  • M-F jumper kabels
  • Breadboard
  • Elektrolytische condensator 220 µF
  • Weerstand 150 Ω
  • Computer met Arduino software geďnstalleerd
  • Ventilator
  • Microscoop met camera
  • Objectglaasjes
  • Dubbelzijdige doorzichtige plakband
  • Wierook staafjes
  • Labjack
  • Reageerbuisje in standaard
  • Grote pot
  • Alufolie
  • LabJack


Arduino, breadboard, condensator, weerstand, kabels, dustsensor

Canon EOS 450
Euromex Bioblue

Wierook

Uitvoering:

Stofconcentratiemetingen
  • Bouw de meetschakeling op zoals weergegeven in onderstaand schema
  • Koppel de Arduino aan de computer en laad onderstaande sketch op naar de Arduino
  • Volg het gemeten signaal met de serial plotter.
  • Oriënteer de ventilator dusdanig dat lucht door het gas van de sensor geblazen wordt
  • Zet de ventilator aan en observeer
 
 
/* Standalone Sketch to use with a Arduino UNO and a Sharp Optical Dust Sensor GP2Y1010AU0F */

int measurePin = 0; //Connect dust sensor to Arduino A0 pin int ledPower = 2; //Connect 3 led driver pins of dust sensor to Arduino D2

int samplingTime = 280; int deltaTime = 40; int sleepTime = 9680;

float voMeasured = 0; float calcVoltage = 0; float dustDensity = 0;

void setup(){ Serial.begin(9600); pinMode(ledPower,OUTPUT); }

void loop(){ digitalWrite(ledPower,LOW); // power on the LED delayMicroseconds(samplingTime);

voMeasured = analogRead(measurePin); // read the dust value

delayMicroseconds(deltaTime); digitalWrite(ledPower,HIGH); // turn the LED off delayMicroseconds(sleepTime);

// 0 - 5V mapped to 0 - 1023 integer values // recover voltage calcVoltage = voMeasured * (5.0 / 1024.0);

// linear eqaution taken from http://www.howmuchsnow.com/arduino/airquality/ // Chris Nafis (c) 2012 dustDensity = 170 * calcVoltage - 0.1;

Serial.println(dustDensity); // unit: ug/m3

delay(1000); }  
 
Stofsensor blootstellen aan rook van wierook
  • Plaats een wierook staafje in een reageerbuis in houder
  • Positioneer de ventilator m.b.v. de Labjack ongeveer op de hoogte van de wierook staaf
  • Start de Arduino App op en laat de serial plotter op het scherm zien
 
  • Neem een grote pot van ca. 2 l met een deksel waar een gat in zit
  • Leg wat alufolie op de bodem
  • Steek een wierookkegel aan.
  • Blaas de vlam uit en vergewis je er van dat de kegel blijft roken
  • Laat de rokende kegel o[ het alufolie vallen
  • Draai de deksel op het vat
  • Positioneer de stofsensor op het gat
 
Stofmonster voor microscopische onderzoek
  • Plak wat dubbelzijdig plakband op een objectglaasje
  • Leg dat enige tijd weg op een open plaats
  • Bestudeer onder de microscoop

Resultaten:

 Ondertaande screenshot is van het eerste experiment.
Als we de ventilator aanzetten zien we een stijging van de stofconcentratie.
Stofsensor blootstellen aan rook van wierook
Op het moment dat men wierrook begint te blazen laat de sensor een sterke response zien. Er worden veel fijnstofdeeltjes gedetecteerd.
Stofsensor blootstellen aan wierook uit de pot
Stofmonster voor microscopische onderzoek
Het monster dat we onder de microscoop bekijken heb ik al in mei 2020 op een vensterbank gelegd. Men ziet veel draden en veel kleine deeltjes.
  • Microscoop: Euromex BioBlue BB.4253 TriNoculair uitgerust met polarisatie filter
  • Objectief: 10x
  • Camera: Canon EOS 450

Discussie:

Fijnstof (PM, Particulate Matter) is de verzamelnaam voor zwevende deeltjes in de lucht van 10 micrometer (een honderdste millimeter) en kleiner. Deze deeltjes verschillen in grootte, oorsprong en chemische samenstelling. Als we bij fijnstof over  PM10 fijnstof praten dan gaat het om deeltje met een grootte tot 10 micrometer (μm) en PM2.5 fijnstof tot 2.5 μm. Bij deeltjes met een grootte tot 0.1 μm (PM0.1) spreken we van ultrafijnstof.
 
Sharp's GP2Y1010AU0F is een optische lucht kwaliteits sensor, ontworpen om stofdeeltjes te detecteren. Een Infra Rood emitterende diode and een fototransistor staan diagonaal t.o.v. elkaar in dit apparaat zodat de fototransistor door stof gereflecteerd licht kan meten.

 
De sensor gebruikt weinig stroom  (20mA max, 11mA typisch), en heeft een 7VDC voedingsbron nodig. De sensor heeft een analoge voltage output die proportional is met de gemeten stof dichtheid met een gevoeligheid van 0.5V/0.1mg/m3.
 
De experimenten laten duidelijk zien dat de sensor reageert op fijnstof (rook).

Literatuur:

  • Ton Reckman; "Leerlingen meten zelf fijnstof"; Terugkoppeling; 30 4 2021; p. 8,9
  • M. Bender; "The use of light scattering for determining particle size and molecular weight and shape"; Journal of Chemical Education; 29 1 1952; p. 15-23.
  • D. M. Rockwell, T. Hansen; "Sampling and Analyzing Air Pollution"; Journal of Chemical Education; 71 4 1994; p. 318-322.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:
In de lucht zwevend stof is een verzamelnaam voor fijne stofdeeltjes in de lucht met een uiteenlopende samenstelling en afmeting. Deeltjes groter dan 10 μm noemen we grof stof.  We onderscheiden verschillende soorten Fijnstof:
  • Primair fijnstof afkomstig van natuurlijke bronnen bv. zoutkorreltjes(zee/oceaan), zandkorreltjes (bijv. Saharazand), as en stof van vulkaanuitbarstingen
  • Primair fijnstof afkomstig van antropogene bronnen bv. roet (na onvolledige verbranding) in de uitlaatgassen van auto’s, scooters, vliegtuigen, tractoren en schepen; koolstof na het verbranden van hout in houtkachels, op bbq’s, kampvuren en bij grote bosbranden; rubber van autobanden; mest, strooisel en veren uit stallen
  • Secundair fijnstof ontstaat door chemische reacties tussen gassen in de atmosfeer bv. NOx met NH3.

Primair fijnstof wordt als fijnstof uitgestoten terwijl secundair fijnstof ontstaat uit een chemische reactie van gasvormige componenten in de lucht met elkaar.

Het grover stof bestaat voornamelijk uit mechanisch gevormde deeltjes die in de lucht worden gebracht door de wind of antropogene activiteiten, zoals opwaaien bij verkeer en opslag en overslag van bulkgoederen.

Dat fijnstof als probleem wordt aanzien, komt voornamelijk door de gezondheidseffecten die het veroorzaakt. Kleine stofdeeltjes kunnen diep in de longen doordringen en zorgen voor een afname van de longfunctie, vernauwing van bloedvaten, verhoogde kans op bloedklontering en verhoogde hartslag. Hoe kleiner de diameter, hoe dieper de stofdeeltjes in luchtwegen binnendringen en hoe gevaarlijker. Ook de samenstelling van fijn stof is van belang: de verschillende componenten (zware metalen, PAK’s, etc.) waaruit fijn stof is opgebouwd kennen een verschil in toxiciteit. Zo blijkt bijvoorbeeld roet erg schadelijk voor de gezondheid. Voor de totale impact op de gezondheid is het bijgevolg belangrijk te kijken naar de massahoeveelheid, aantal deeltjes, de grootte én toxiciteit van de bestanddelen. Waar vroeger veel aandacht ging naar PM10 en grovere deeltjes, wordt in toenemende mate aandacht besteed aan PM2,5 en kleinere stofdeeltjes.

01/01/2024