Производство печатных плат для портативных мониторов качества воздуха, предназначенных для измерения твердых частиц, CO2 и летучих органических соединений.

Портативные приборы для измерения качества воздуха сильно различаются. Измеритель PM2.5 может быть ориентирован на оценку массы твердых частиц. Портативный измеритель CO2 может использоваться для контроля вентиляции. Монитор ЛОС/КАЧЕСТВА ВОЗМОЖНОСТИ В ПОМЕЩЕНИИ может отслеживать широкий спектр показателей газовых датчиков. Многосенсорные устройства объединяют несколько таких измерений с измерением температуры/влажности, отображением данных, регистрацией и беспроводной связью. Персональные датчики воздействия отличаются компактными размерами и длительным временем автономной работы, в то время как настольные портативные мониторы могут отдавать приоритет большему дисплею и непрерывному питанию.

Производство газоанализаторов и датчиков на печатных платах компании Highleap находится в смежной области с данной линейкой продукции, однако газоанализаторы безопасности не следует путать с общими приборами для мониторинга качества воздуха. Детектор угарного газа или сигнализатор горючих газов, предназначенные для обеспечения безопасности жизнедеятельности, разрабатываются и сертифицируются для конкретной опасности; бытовой прибор для мониторинга качества воздуха в помещении может иметь другое назначение и режим тестирования.

Агентство по охране окружающей среды (EPA) отмечает, что недорогие приборы для мониторинга качества воздуха в помещениях обычно измеряют ограниченный набор загрязняющих веществ и, как правило, не эквивалентны приборам мониторинга, соответствующим нормативным требованиям. Это различие должно быть четко указано в описании продукта. Производитель оборудования может создать полезное устройство для отслеживания тенденций или предоставления информации, но заявленные характеристики должны соответствовать выбранным датчикам и данным проверки.

Типы приборов для мониторинга качества воздуха: PM, CO2, VOC и многосенсорные.

Оптические датчики частиц используют рассеяние света для оценки концентрации частиц. Например, SPS30 от Sensirion — это датчик частиц, использующий лазерное рассеяние, который сообщает о нескольких параметрах размера частиц и включает в себя собственный механизм управления воздушным потоком. Такие модули упрощают оптическую конструкцию, но увеличивают энергопотребление, требования к интеграции разъемов/UART или I2C, ориентации и воздушному потоку. Завод должен создавать модуль, точно соответствующий выбранному OEM-производителем модулю датчика.

Датчики CO2 могут использовать недисперсионную инфракрасную технологию или другие подходы. Они могут иметь более высокую мощность импульса, требовать большего времени на прогрев и быть чувствительными к потоку воздуха в корпусе. Датчики ЛОС часто представляют собой металлооксидные устройства, объединенные с алгоритмами и компенсационными входами. Поэтому печатная плата должна обеспечивать стабильное питание, связь и измерение температуры/влажности там, где это необходимо, но значение отображаемого параметра определяется моделью датчика/прошивки.

Интеграция IoT-модулей Highleap в производство печатных плат полезна, когда датчики твердых частиц или газа поставляются в виде модулей. В производственной спецификации необходимо точно указывать версию модуля, поскольку протокол прошивки, поведение вентилятора, обработка базовых параметров или калибровка могут различаться в зависимости от варианта датчика.

Примечания по интеграции системы отбора проб воздуха

Выбор датчика также определяет, что продукт может законно заявлять. Модуль измерения частиц может сообщать приблизительные массовые доли твердых частиц, датчик CO2 NDIR сообщает концентрацию газа через собственную оптическую/алгоритмическую систему, а датчик ЛОС может предоставлять индекс, реагирующий на смесь газов. Эти выходные данные не следует объединять в единое числовое значение «точности качества воздуха». Печатная плата и микропрограмма должны сохранять необходимые входные данные питания, связи и компенсации для каждого датчика. В процессе закупки альтернативный датчик может изменить поток воздуха, время прогрева, протокол и поведение при калибровке, даже если он подходит механически, поэтому замену следует рассматривать как инженерное изменение, а не как обычную оптимизацию спецификации материалов.

Датчики качества воздуха по своей сути являются задачей отбора проб воздуха. Датчики твердых частиц нуждаются во входных и выходных путях, обеспечивающих репрезентативный поток без рециркуляции выхлопных газов. Датчики CO2 и летучих органических соединений нуждаются в обмене воздуха через вентиляционные отверстия. Размещение датчиков непосредственно над нагревающейся батареей, дисплеем или процессором может создавать температурные градиенты, которые изменяют отклик газового датчика или компенсацию влажности. Пылевые фильтры могут защитить оборудование, но также могут изменить время отклика, если не будут проверены.

На печатной плате датчики должны располагаться так, чтобы корпус обеспечивал их правильное отображение. Принципы проектирования с учетом сборки, принятые в Highleap, актуальны, поскольку датчик может быть электрически корректным, но при этом смещенным относительно вентиляционного отверстия после окончательной сборки. Механические допуски, пенополиуретановые воздуховоды, прокладки и ориентация вентилятора должны быть проверены на этапе изготовления первого образца.

Контроль загрязнения также важен. Остатки флюса, чистящие растворители, клеи и конформные покрытия могут выделять газы или создавать помехи для датчиков летучих органических соединений/газов. Оптические входные отверстия для твердых частиц должны оставаться чистыми. На сборочном чертеже должны быть указаны требования к очистке/отсутствию необходимости очистки, маскировка датчиков и условия установки чувствительных модулей относительно операций нанесения покрытия или нанесения клея.

Проверка воздушного потока может быть частью процесса внедрения новых продуктов (NPI) с помощью визуализации дымом, измерений давления/расхода или тестов отклика с использованием известного стимула, в зависимости от датчика. Цель состоит в том, чтобы подтвердить, что вентиляционные отверстия корпуса подают воздух к нужному датчику, а не создают застойные зоны или рециркуляцию. Вентиляторы и оптические камеры могут передавать вибрацию или акустический шум в корпус, что может иметь значение для изделий, предназначенных для спальни или офиса. Фильтры и мембраны должны иметь документально подтвержденную информацию о замене или сроке службы, если они являются расходными материалами. Завод по производству печатных плат может проверить размещение воздуховодов/прокладок во время сборки корпуса, но OEM-производитель по-прежнему несет ответственность за доказательство того, что полная конструкция системы воздушного потока репрезентативно отражает воздух в помещении.

Портативный монитор обычно объединяет один или несколько сенсорных модулей, микроконтроллер/SoC, дисплей, кнопки, зуммер или светодиоды, память, часы реального времени (RTC), батарею/зарядное устройство и опционально Bluetooth/Wi-Fi. Разработка печатных плат для устройств Bluetooth компанией Highleap актуальна для мониторов, подключаемых к телефонам, а интеграция платы контроллера ЖК-дисплея может применяться для больших графических дисплеев. Ни одна из этих функций не является обязательной для каждого монитора.

Микроконтроллер опрашивает датчики, применяет алгоритмы производителя или компенсацию, регистрирует данные и управляет пользовательским интерфейсом. Интервалы работы датчиков могут различаться: вентилятор с постоянными магнитами может работать непрерывно или с заданным коэффициентом заполнения; газовому датчику может потребоваться прогрев; данные о температуре/влажности могут использоваться для компенсации. Поэтому версия микропрограммы является частью конфигурации измерений и должна контролироваться с помощью спецификации оборудования.

Для беспроводных устройств также необходимы меры по ограничению распространения антенн и планирование сосуществования с шумными вентиляторами с постоянными магнитами или импульсными стабилизаторами напряжения. Подключение к облаку/приложениям — это внешняя система. Поставщик печатных плат может проверить связь Bluetooth/Wi-Fi и идентификаторы устройств, но аналитика приложений, рекомендации по здоровью и доступность облачных сервисов находятся за пределами производства печатных плат, если это не оговорено отдельно.

Пользовательский интерфейс также должен достоверно отображать результаты измерений. Цветовая шкала или индикатор «хорошо/плохо» — это алгоритмическая интерпретация, наложенная на исходные значения PM, CO2 или VOC. Пороговые значения могут различаться в зависимости от назначения и рынка, поэтому их следует контролировать в прошивке, а не предполагать производителем. При регистрации данных и беспроводном экспорте следует сохранять единицы измерения и временные метки. Если используется мобильное приложение, тестирование печатной платы может проверить сопряжение и передачу данных с помощью утвержденной сборки приложения, в то время как облачная аналитика остается вне процесса производства оборудования. Такое разделение помогает предотвратить продажу технически качественной платы датчиков с неподдерживаемыми рекомендациями по здоровью просто потому, что у нее есть качественный дисплей.

Портативные мониторы качества воздуха могут быть на удивление энергоёмкими, поскольку оптические датчики твердых частиц, вентиляторы, NDIR-датчики CO2, дисплеи и радиомодули потребляют энергию. Емкость батареи и архитектура зарядки должны выбираться с учётом фактического рабочего цикла датчика. Конструкция печатной платы зарядного устройства Highleap актуальна для перезаряжаемых устройств, но зарядное устройство неразрывно связано с химическим составом элементов питания, USB-входом и тепловыми ограничениями.

Время прогрева и планирование измерений имеют значение. Некоторым газовым датчикам требуется время после включения питания для стабилизации выходного сигнала, в то время как датчикам твердых частиц может потребоваться стабилизация воздушного потока. Интенсивный цикл работы может экономить энергию, но изменяет время отклика и базовое поведение. Эти компромиссы являются решениями, принимаемыми разработчиками прошивки/продукта, а не тем, что они должны оптимизировать самостоятельно.

Самонагрев может исказить показания датчика температуры/влажности и повлиять на показания газового датчика. По возможности, следует физически отделять регуляторы, зарядные устройства и дисплеи от датчиков окружающей среды. В герметичном корпусе конструкция вентиляционных отверстий должна обеспечивать баланс между воздухообменом и защитой от пыли, света и воды. Термостатическую проверку следует проводить с использованием всего устройства в предполагаемом состоянии зарядки и измерения.

Планирование питания следует проверить с использованием точного набора датчиков, поскольку вентилятор с постоянными магнитами, лампа/источник нейтрального инфракрасного излучения и Wi-Fi могут создавать перекрывающиеся пики тока. Зарядное устройство и батарея должны выдерживать эти пики без перезагрузки микроконтроллера или изменения напряжения питания датчика в такой степени, чтобы это влияло на показания. И наоборот, агрессивные режимы сна могут замедлить реакцию устройства после пробуждения. Производитель может определить состояние прогрева или стабилизации, отображаемое пользователю, а производственный процесс должен проверить это состояние с помощью выпущенной прошивки. Тепловое картирование собранного корпуса полезно на этапе разработки, чтобы убедиться, что датчик температуры/относительной влажности не сообщает о нагреве, вызванном зарядкой или дисплеем.

При планировании сборки следует различать обычные компоненты для поверхностного монтажа и чувствительные модули воздушных датчиков. Некоторые датчики устанавливаются после оплавления или требуют специальной обработки, в то время как другие предназначены для стандартного поверхностного монтажа. Инструкции поставщика компонентов имеют решающее значение. Услуга Highleap по поиску электронных компонентов особенно актуальна, поскольку наличие датчиков, точная версия и условия хранения могут влиять как на график производства, так и на точность измерений.

AOI позволяет проверить видимое расположение компонентов и паяные соединения, а в производстве печатных плат AOI полезен для повторяемой проверки сборки. Он не может подтвердить точность датчика или воздушный поток. Для окончательной сборки печатной платы/корпуса может потребоваться проверка конкретного датчика, проверка направления вращения вентилятора, выравнивание вентиляционных отверстий и проверка на загрязнение. Возможности сборки корпусов от Highleap могут быть актуальны, если интеграция в корпус включена в коммерческое предложение.

• Контроль вариантов важен, когда один корпус поддерживает различные комбинации датчиков. Модель только с датчиком PM, модель с датчиком CO2 и модель с несколькими датчиками могут использовать одну и ту же печатную плату с различными установленными модулями. В производственную упаковку следует включить спецификацию материалов, микропрограммное обеспечение, профиль калибровки, этикетку и метод тестирования для каждого варианта.
• Чувствительные сенсорные модули также могут иметь требования к сроку хранения, влажности или загрязнению, которых нет у обычных пассивных компонентов. При закупке их следует хранить и обрабатывать в соответствии с инструкциями поставщика и регистрировать точную использованную версию. Если модуль PM устанавливается после поверхностного монтажа (SMT), процесс вторичной сборки должен защитить его входное/выходное отверстие. Если газовый датчик устанавливается методом поверхностного монтажа, необходимо соблюдать ограничения по оплавлению припоя и очистке. При первичном осмотре образца после сборки корпуса следует проверить выравнивание вентиляционных отверстий и ориентацию вентилятора. Эти меры контроля объясняют, почему производство воздушных мониторов «под ключ» — это больше, чем просто установка датчика: процесс должен сохранять физический путь отбора проб, который придает смысл электронным компонентам.

В ходе производственного тестирования необходимо проверить связь датчиков, работу вентилятора, отображение информации, регистрацию данных, зарядку и беспроводные функции, а затем выполнить проверки, специфичные для каждого датчика. Функциональное тестирование печатных плат от Highleap может быть адаптировано к приспособлениям заказчика, но метод проверки условий окружающей среды имеет решающее значение. Датчик твердых частиц может быть проверен с использованием эталонного аэрозоля или утвержденной эталонной установки; датчик CO2 — с использованием известных концентраций газа; датчик температуры/влажности — с использованием камеры или эталонного зонда.

Стратегия калибровки зависит от датчика. Некоторые модули калибруются на заводе и не должны перекалибровываться на заводе-изготовителе печатных плат; производственная линия может лишь проверять достоверность показаний. Другие используют смещения на уровне продукта или коррекцию путем сопоставления показаний. В материалах EPA сопоставление показаний рассматривается как важный способ оценки производительности недорогих датчиков качества воздуха по сравнению с эталонными мониторами. Если OEM-производитель использует такую ​​модель коррекции, его коэффициенты и встроенное программное обеспечение должны контролироваться в соответствии с версией.

• Не следует превращать результаты проверки соответствия/несоответствия производственных параметров в необоснованное требование регулирующих органов. Устройство может быть внутренне согласованным и полезным для отслеживания тенденций, даже если оно не соответствует требованиям нормативных документов по испытаниям в атмосферном воздухе. В протоколе испытаний следует указать, что было измерено, какой эталон использовался и допустимые пределы, предоставленные заказчиком.
• Совместное размещение особенно ценно на этапе разработки продукта, поскольку позволяет выявить комбинированное поведение датчика, корпуса и алгоритма в реальных условиях окружающей среды. Это не обязательно эффективный 100% производственный тест. После определения характеристик конструкции, в рутинном производстве можно использовать более короткие функциональные/эталонные проверки для выявления неправильных модулей, засоренных вентиляторов, плохой связи или значительного дрейфа датчиков. OEM-производитель должен определить, какие коэффициенты устанавливаются на заводе поставщиком датчиков, а какие, если таковые имеются, корректируются в готовом продукте. Протоколы тестирования должны включать версию прошивки и версии датчика, чтобы можно было отслеживать изменения производительности при обновлении модуля или алгоритма поставщиком.