Já tratamos em outros artigos das mudanças de hábitos que estão ocorrendo em nossos dias por conta da pandemia e de outros fatores sociais que estão se intensificando. A permanência das pessoas cada vez mais tempo em ambientes fechados e a própria degradação do meio ambiente estão nos levando a repensar os cuidados que temos com o ar que respiramos. Neste artigo vamos tratar das tecnologias que permitem fazer isso com a precisão que garante nosso bem-estar e nossa saúda.
Traduzi nos últimos dias um artigo da Mouser Electronics que trata dos cuidados que devemos ter com a qualidade do ar nas salas de aula, em especial monitorando os níveis de CO2. O artigo de Jeffrey Tucker trata da necessidade de se manter os níveis de CO2 nesses ambientes e das consequências para o bem-estar e saúde dos estudantes e funcionários quando ele supera valores limites.
Por que monitorar os níveis de CO2 nas salas de aula? (MA166)
Pelo que percebemos não é apenas nas escolas que o monitoramento e controle do CO2 deve ser feito, mas em qualquer ambiente em que vivam pessoas. Na nossa casa, no ambiente de trabalho, em lojas e consultórios, todos os lugares enfim em que pessoas estejam presentes.
Em especial, com a ampliação do home-office, não basta ter um cantinho em sua casa para trabalhar que todos os problemas estão resolvidos. Em especial, nos apartamentos e mesmo em ambientes pequenos ou sujeitos a problemas de ventilação, a presença de CO2 em proporções elevadas pode causar desde o simples desconforto e perda da capacidade de concentração até problemas sérios de saúde, chegando à morte.
O ar que respiramos
Precisamos de oxigênio para viver. O ar que respiramos consiste numa mistura de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases. Nesse 1% temos o gás carbônico, gases nobres, vapor d’água (figura 1)
O nitrogênio é inerte para nós, entrado e saindo dos nossos pulmões em alteração. O oxigênio é fundamental, sendo que qualquer alteração na sua proporção tem efeitos desastrosos para a nossa sobrevivência.
Uma alteração na proporção desse gás no nosso ambiente também tem efeitos danosos para nós. Em excesso, pode se tornar tóxico com danos ao pulmão. Em falta (hipóxia), os efeitos podem ir desde a sonolência, tonturas. Confusão mental e problemas de respiração.
Mas, o CO2 também tem seus efeitos quando está em excesso no ar que respiramos.
A presença maior do gás carbônico num determinado ambiente pode estar ligada a diversos fatores. O gás carbônico é produzido pela queima de combustíveis, material orgânico, pela respiração e pelas plantas quando não o estão absorvendo durante a fotossíntese.
Assim, num ambiente com ventilação comprometida em que o CO2 que esteja sendo produzido se acumule, elevando a presença desse gás, podemos ter problemas com as pessoas que vivam ou trabalhem nele.
Numa sala de aula (como no artigo que traduzimos), num ambiente de trabalho, no lar, numa loja ou consultório médico, a qualidade do ar deve ser monitorada e controla para que problemas sejam evitados.
A qualidade do ar em termos de CO2 é dada em função da sua presença em partes por milhão ou ppm. A tabela abaixo mostra os efeitos da concentração do gás carbônico no organismo humano. Essa tabela foi elaborada pelo departamento de saúde do Wiscosin (obtida no artigo da Mouser).
Resposta fisiológica
Concentração normal como no ambiente externo
Concentração típica de ambientes fechados com boa ventilação
Leve declínio da capacidade de concentração
Dores de cabeça, sonolência, estado de estagnação. Baixa capacidade de contração, perda de atenção, aumento dos batimentos cardíacos, náusea pode ocorrer
Limitação a permanência em local de trabalho em muitos locais
Exposição pode levar a falta de oxigenação com danos irreversíveis ao cérebro, coma ou mesmo morte.
| Nível de CO2 | Resposta fisiológica |
| 350 ppm a 450 ppm | Concentração normal como no ambiente externo |
| 450 ppm a 1 000 ppm |
Concentração típica de ambientes fechados com boa ventilação |
| 1 000 ppm a 2 000 ppm |
Leve declínio da capacidade de concentração |
| 2 000 ppm a 5 000 ppm |
Dores de cabeça, sonolência, estado de estagnação. Baixa capacidade de contração, perda de atenção, aumento dos batimentos cardíacos, náusea pode ocorrer |
| 6 000 ppm |
Limitação a permanência em local de trabalho em muitos locais |
| Acima de 6 000 ppm |
Exposição pode levar a falta de oxigenação com danos irreversíveis ao cérebro, coma ou mesmo more. |
Tabela 1 – Efeitos do CO2 no organismo humano
Na prática, observamos que os níveis de CO2 nos ambientes que frequentamos podem ser muito maiores que os que seriam ideais para termos condições confortáveis de permanência.
A EPA (Agência de Proteção Ambiental) dos Estados Unidos define o IAQ (Indice de Qualidade do Ar em Ambientes Fechados – Indor Air Quality) como a qualidade do ar que deve ter relacionada com a saúde e conforto dos ocupantes dos ambientes fechados.
É importante observar que esse índice não leva em conta apenas a presença de CO2, mas também de outros poluentes, mas também a temperatura e umidade.
Dessa forma, para monitorar e manter a qualidade do ar temos de usar recursos de tecnologia importantes e que hoje estão não apenas disponíveis, devendo inclusive fazer parte de projetos de habitações, prédios comerciais locais de trabalho e estufas, exigindo para isso tecnologias de que hoje dispomos.
Monitoramento e controle
Para o controle dispomos de muitos recursos comuns como o controle do sistema de ventilação, controle de temperatura e outros. Nosso foco está no monitoramento do CO2.
Existem muitos sensores disponíveis no mercado capazes de fornecer indicações seguras sobre o nível de gás carbônico num ambiente, permitindo que circuitos atuadores sejam ativados no sentido de manter a qualidade do ar nos padrões desejados.
A Mouser Electronics tem na sua linha de sensores dispositivos capazes de fornecer as informações necessárias a um projeto que vise manter a qualidade do ar.
Acreditamos que uma próxima geração de dispositivos poderá estar sendo disponibilizada na mesma linha dos atuais condicionadores de ar. Seriam dispositivos com finalidade múltipla, como já ocorre em alguns modelos, incluindo recursos de manutenção da qualidade do ar. Estes dispositivos teriam:
- Manutenção da temperatura com elementos de aquecimento e refrigeração
- Monitoramento da umidade relativa
- Detecção de poluentes
- Detecção de CO2 e controle de seus níveis
Os sensores de CO2
Um primeiro tipo de sensor de gás carbônico faz uso de radiação infravermelha para essa finalidade. A presença de gás carbônico no ar ambiente modifica a propagação da radiação infravermelha, provocando uma atenuação mensurável. Essa atenuação pode ser usada para indicar com precisão o nível de CO2, conforme mostra a figura 2.
Na prática, levando em conta que a atenuação da luz num ambiente depende da concentração de gás carbônico, podemos ter dois tipos de sensores.
O primeiro, leva em conta a atenuação geral numa faixa de comprimentos de onda mais ampla. O segundo leva em consideração o comprimento de onda para o qual o infravermelho sofre uma atenuação específica pela presença do gás carbônico.
Evidentemente, este tipo de sensor é mais sofisticado operando com um filtro óptico que deixa passar apenas os comprimentos de onda correspondentes à absorção do infravermelho.
O sensor para a transparência geral pode medir concentrações de gás carbônico de 0 a 999 ppm com uma resolução típica de 30 ppm e um tempo de resposta de 10 s. Na figura 3 temos a curva típica de resposta desse tipo de sensor.
Para os sensores que usam filtros, temos uma estrutura diferente, mostrada na figura 4. O dispositivo usa uma fonte de infravermelho, uma câmara de amostragem, um filtro óptico e um sensor. São denominados NDIR e
Este tipo de sensor que pode ter variações na sua configuração pode medir concentrações de CO2 tipicamente de 0 a 7 000 ppm.
Uma outra tecnologia usada na fabricação desses sensores é a espectroscopia fotoacústica ou PAS (Photoacoustic Spectroscopy) que se baseia na mudança da forma de propagação de ondas sonoras no meio ambiente em função da concentração de CO2.
Nestes sensores temos então um emissor ultrassônico e um microfone, passando o ar por uma câmara de amostragem em que ficam esses elementos.
Este tipo de sensor pode medir concentrações de CO2 de 0 a mais de 30 000 ppm com precisão de 30 ppm.
Sensores químicos são mais difíceis de implementar dada a baixa reatividade do CO2. No entanto, tecnologias novas, inclusive incluindo dispositivos quânticos podem levar no futuro ao aparecimento de novos tipos sensores.
Dentre as tecnologias em desenvolvimento destacamos:
Sensores que se aproveitam das propriedades seletivas das fibras ópticas, sensores baseados em propriedades ópticas de materiais semicondutores, sensores baseados na fluorescência de materiais indicadores na presença de radiação infravermelha.
Sensores comerciais
Navegando no site da Mouser Electronics encontramos diversos tipos de sensores de CO2 disponíveis para projetos, inclusive com placas de desenvolvimento. Escolhemos dois deles.
XENSIV PAS CO2 da Infineon
Na figura 5 temos a placa de avaliação e desenvolvimento para o sensor XENSIV PAS CO2 da Infineon que usa microfone MEMs para ultrassons.
Este sensor opera com alimentação de 12V/3,3V e tem uma faixa de operação de 0 a 30000 ppm de concentração de CO2.
Mais informações, inclusive datasheet em: https://br.mouser.com/ProductDetail/Infineon-Technologies/EVALPASCO2SENSOR2GOTOBO1?qs=QNEnbhJQKvbQWtsEwuaxQw%3D%3D
SCD4x CO2 – Kit de Indicador USB de qualidade do ar da Sensirion
Esta é uma placa de referência para projeto de sensores de CO2 num sensor portátil programado pela por USB. Os sensores, na forma de pen drive podem ser usados no sensoriamento individual de qualidade do ar acendendo LEDs de três cores diferentes conforme a faixa de concentração de CO2. As faixas vão de 400 ppm a mais de 1600 ppm.
Veja mais no link abaixo.
https://br.mouser.com/ProductDetail/Sensirion/SCD4x-CO2-Gadget?qs=7D1LtPJG0i1pEATCxzfRPw%3D%3D
