voc что это такое
VOC датчик в каждый дом: отслеживаем вредную органику по цене двух чашек кофе
Поскольку я родом из крупного сибирского промышленного города, тема качества воздуха меня беспокоит довольно сильно. Я видел статистику онкобольных и корреляцию с показателями экологического надзора, и решил, что лучше обкладываться датчиками 80 лет, чем прожить 30.
Почему важно отслеживать VOC
И, если вы тоже живете в крупном городе с окнами видом на широкий проспект, то новости не самые приятные.
Каждый раз, когда вы проветриваете комнаты, вместе с кислородом к вам домой может попадать добрый десяток сложных соединений, которые не отслеживаются ни популярными нынче датчиками PM2.5, ни менее привычными CO2 сенсорами.
Изобретаем сенсор
Теперь нагреем датчик до некоторой температуры, чтобы разогретые соединения летучей органики из воздуха оседали на пленке и изменяли ее теплопроводность.
Все это я, конечно же, не изобретал. Все уже изобретено и запатентовано. Сенсоры, использующие в своей работе MOX принцип очень распространены, и, как раз такой вполне подойдет чтобы отслеживать VOC в доме.
Собираем прототип
Чтобы построить наш датчик, определимся с сенсором, который он будет использовать.
После поиска на алиэкспрессе и в магазинах электроники Питера, я остановился на CCS811:
Давайте соберем что-нибудь на ардуинке и, на самом ли деле сенсор так хорош.
Надо сказать, прототип получился в лучших традициях: с кучей соплей, навесного монтажа, быстрых правок прошивки уже после заливания всей схемы термоклеем и плохой 3D-печати. Но свою задачу он худо-бедно выполнил, и показал что датчик действительно хороший.
Не без нюансов
Термостабилизация
Самая главная проблема датчика содержится в принципе его работы. Чтобы разогревать летучую органику, он греется сам. А, поскольку термодатчика в нем нет, его температура перегрева всегда примерно одинакова и без какой-то термостабилизации сенсор начинает показывать скорее свой температурный дрейф, чем что-то полезное.
К счастью для нас, датчик поддерживает внешнюю стабилизацию по температуре и влажности. Он может принимать данные о температуре и влажности, причем в готовом виде, по той же I2C шине. Так что ситуация решается любым дешевым термометром.
DHT11. А почему бы и нет? Нам здесь не нужна какая-то большая точность или стабильность показаний, нам нужно только получать температуру до градуса и влажность до нескольких процентов, чтобы передавать их в газоанализатор. При этом датчик можно купить где угодно и стоит он от 50 до 200 рублей.
Энергопотребление
Поэтому в готовом датчике весь стабилизатор будет отдан датчику, а вместо экрана будем выводить данные в последовательный порт и почитывать их моим умным домом.
Плохо работает в корпусе
Пожалуй, стоило по-другому разместить сенсор в корпусе, потому что отверстий в задней стенке корпуса, которых было достаточно чтобы поддерживать примерно одинаковые температуру и влажность в корпусе и снаружи, для VOC сенсора уже не хватило.
Чтобы сенсор адекватно изменял свои показания и делал это достаточно быстро, корпус для него должен хорошо проветриваться, а сам сенсор не должен быть перекрыт монтажом или креплениями.
Рассчитанные значения CO2 никуда не годятся
В действительности же, это работает крайне плохо: значениям eCO2 можно доверять только при околонулевых значениях летучей органики и нормальных условиях в отсутствии открытых окон и ветра.
Собираем датчик
Итак, сам сенсор работает, если его правильно приготовить.
Пусть новое устройство будет максимально тонким бекендом и просто отдает сырые результаты измерений, которые будут обрабатываться отдельно.
Схема тоже простая и максимально дешевая. Ардуинку, если что, можно заменить на практически любой контроллер с одним-единственным IO портом и реализованной I2C шиной. Я ее выбрал здесь скорее потому, что на ней распаян неплохой понижающий стабилизатор на 3.3 вольта и ее можно прошивать через usb.
Прошивка железки получилась максимально простая и почти никак не использует периферии контроллера. В основном цикле с программной задержкой просто крутится последовательное чтение данных с датчиков и корректировка газоанализатора.
Ссылки на репозиторий с кодом я оставлю ниже, а пока можно собрать весь девайс и посмотреть, как он работает.
Корпус я тоже перемоделировал: вытравить печатную плату мне сейчас нечем, а ждать, пока это сделает JLPCB я не хочу. Поэтому я разместил ардуинку в воздухе на ножках корпуса, а датчики уложил в кроватки и прихватил термоклеем.
Простенький баш-скрипт позволит нам почитать данные и убедиться, что все работает.
Из температуры и влажности, кстати, становится понятно, насколько сильно греется газоанализатор: температура в комнате как минимум на пару градусов ниже, а влажность весной в Петербурге редко опускается ниже 40% даже в квартирах.
После нескольких падений стало понятно, что ничего никуда не отвалится, так что можно накрывать железки крышкой, не забыв сделать в ней хорошую вентиляцию.
Запитываем на ардуинке RESET через резистор подтяжки и склеиваем половинки корпуса.
Пишем клиент
Практически все датчики в доме у меня репортят свои данные в Home Assistant через MQTT шину. Этот не должен стать исключением.
Выходит, что здесь нужен простенький клиент, который будет читать данные из последовательного порта, парсить строчку от датчика и паблишить значения в топики MQTT.
Для начала подойдет. Теперь подождем какое-то время и посмотрим, что происходит с воздухом в квартире.
И есть сразу две плохие новости. Во-первых, не стоило проветривать квартиру под вечер, а во-вторых, клиент и график никуда не годятся.
Датчик, пусть и термостабилизированный, выдает мгновенные значения, превращая график в шум, из которого можно оценить, в лучшем, случае, порядок значений.
Кроме того, скрипт на Python не умеет переподключаться к датчику, если его отключить, а делать это поначалу хотелось часто.
Пишем нормальный клиент
Наш новый клиент должен делать две вещи: правильно усреднять значения датчика и быть максимально автономным. То есть, если я вдруг выдерну девайс из порта и отключу MQTT сервер, а потом верну как было, клиент должен продолжить читать данные
Раз уж так получилось, что в последнее время, я использую Scala-стек, то и клиент для датчика будет на нем и классических акторах, которые я давно хотел попробовать
В качестве алгоритма усреднения данных, после пары экспериментов, я выбрал расчет скользящего среднего по последним N измерениям. Это дает возможность быстро видеть изменения показаний, сглаживать график и практически исключать влияние выбросов, хотя и не является робастной.
Время взглянуть на графики
Подождем еще пару дней чтобы набрать новых значений и посмотрим, во что превратился наш график после усреднения значений.
Реакция на клей для принтера, а если точнее, на растворитель в нем, более детально. При этом, производитель на голубом глазу гарантирует безопасность. Пожалуй, перейду на карандашный клей.
И, наверное, начну открывать окна перед тем как открывать банку с изопропиловым спиртом. Впрочем, датчик говорит, что выветривается он так же быстро, как и появляется.
А это коротко о безопасности домашней 3D печати. Если на PLA, PETS и SBS датчик не отреагировал практически никак, то от попытки попечатать ABS без принудительной вентиляции количество органики выросло до совсем уж нездоровых значений.
Проветривание здорового человека. Отлично видно, как упало значение VOC. Примерно так же отреагировал и отдельный датчик углекислоты, который стоит у меня уже давно.
А на этом графике можно наблюдать, как в городе изменился ветер и дунул с залива, да так, что чуть не унес меня, вместе со всей остальной органикой.
Проверяем правильность показаний
Для начала, убедимся, что наш датчик действительно термостабилизированный. Поскольку, я отслеживаю температуру во всех комнатах, несложно завести еще один виджет в Home Assistant, на котором поискать зависимости графиков температуры и VOC.
При примерно одной и той же температуре, значение VOC выросло почти вдвое. Впрочем, это как раз ничего не доказывает: температурного дрейфа тут и быть не могло. Давайте поищем что-нибудь более явное.
К слову сказать, такой график можно видеть практически каждый вечер: выхлопных газов больше, солнечного тепла меньше. Грустно, но температурного дрейфа здесь тоже нет. Поищем что-нибудь еще.
А здесь наоборот, типичная картина для середины дня: транспорта вокруг меньше, а солнце как раз входит в свой зенит.
Калибровка датчика
Поскольку датчик ничего не знает о референсных значениях, его автоматическая ежедневная калибровка состоит в обновлении бейзлайна по нижнему значению.
Это подходит для большинства сценариев домашнего использования, но, поскольку, калибровочное значение сбрасывается после перезагрузки, иногда можно видеть такую картину.
Здесь произошло сразу две вещи: сброс бейзлайна и остывание датчика, которому потребовалось какое-то время на то, чтобы снова разогреться до рабочей температуры.
Начинать верить показаниям сенсора, если ориентироваться на сравнении расчитанного им CO2 и точно известным значением от другого датчика, можно через несколько часов непрерывной работы, а на то, чтобы откалиброваться полностью, датчику требуется чуть больше суток.
Для меня, у которого этот датчик работает всегда, это совершенно нормально, но в прошивке несложно добавить ручную калибровку, подобно тому, как это сделано для термостабилизации.
После того, как датчик самостоятельно откалибровался, его показания не будут меняться без изменения окружающей среды.
Стоимость
Я обещал хороший датчик VOC по цене двух чашек кофе. В его качестве можно не сомневаться после всех графиков выше, так что теперь посчитаем стоимость компонентов:
Итого вышло 812 рублей, что чуть-чуть дешевле, чем два стакана Декаф Ванильный Латте Миндальное Венти из старбакса по цене 420 рублей за чашку. На оставшиеся деньги можно как раз купить МГТФ кабель и подтягивающий резистор для датчика влажности.
За эти деньги можно, чутка поработав паяльником, получить хороший рабочий датчик летучей органики, который будет привлекать внимание не только к новой мебели, но и к тому, из чего она сделана.
Летучие органические соединения в вейпах
Новый перевод статьи с блога Rursus’а «Между и за строками».
Содержание и навигация
Летучие соединения
VOC опасны следующим: Люди могут в перспективе заболеть от воздействия летучих органических соединений в воздухе помещения. Чаще всего от этого страдают дети, пожилые и особо чувствительные люди.
VOC, или иначе «летучие органические соединения», постоянно упоминаются, чтобы привлечь внимание, когда речь идет об опасности «пассивного парения». Используются, среди прочего, следующие научные работы:
Т.Р. Маколи и др.: «Сравнение эффектов паров электронной сигареты и сигаретного дыма на качества воздуха в помещениях» (T R McAuley et al: Comparison of the effects of e-cigarette vapor and cigarette smoke on indoor air quality ).
а также 19-й том «Красного ряда»
Немецкого исследовательского центра рака: «Электрические сигареты – Обзор» (DKFZ: Elektrische Zigaretten – ein Überblick )
Летучие соединения в вейпах
В этих источниках можно прочесть, что некоторые из перечисленных ниже VOC были обнаружены в выдыхаемом паре электронной сигареты:
Звучит действительно страшно, правда? Так много химических веществ! Теперь представьте, что дети должны дышать этой потенциально вредной химической смесью! Это было бы безответственно, не так ли?
Это звучит достаточно весомо, чтобы применить к пару электронной сигареты (неважно, с никотином или без) закон о защите некурящих и запретить использование в ресторанах, кафе, общественных зданиях, а также вблизи детских площадок!
Между строк
Проблема с указанными выше летучими органическими соединениями:
Они возникают при каждом выдохе любого человека!
Итак: Каждый раз, когда человек выдыхает, то он выдыхает, среди прочего, в небольших, безвредных количествах эти летучие органические соединения:
Так что, если кто-то в очередной раз будет предупреждать о наличии летучих органических соединений (VOC) в парах электронной сигареты, присмотритесь внимательней! Скорее всего, в качестве причины для запрета упоминаются VOC не от паров электронной сигареты, а от воздуха, выдыхаемого человеком.
Не попадитесь на этот глупый и пугающий аргумент, а спросите:
Это должно, по крайней мере, закрыть тему «летучих органических соединений».
Rursus
P.S. Возможно, нам стоит начинать думать над тем, чтобы вообще запретить людей в местах для некурящих?
Если вы нашли ошибку, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.
Немного о таких значениях как VOC и «сухой остаток» в лакокрасочных материалах.
Немного о таких значениях как VOC и «сухой остаток» в лакокрасочных материалах.
Какая разница между этими значениями интересует многих.
На самом деле тут все довольно просто. В основе этого лежит экологическая составляющая. Автотранспорт, электростанции, химические производства являются источниками загрязнения атмосферы. Производители ЛКМ, например, загрязняют окружающую среду растворителями, испаряющимися в атмосферу. А самый большой вред наносит экосистеме автотранспорт.
В Европе это хорошо понимают и с каждым годом ужесточают экологические нормы, в том числе и в отношении VOC. Там одни из самых жестких требований, предъявляемых к производителям ЛКМ к экологической чистоте материалов.
Основное требование, предъявляемое европейскими экологами – это сокращение выбросов в атмосферу летучих органических соединений. Иногда говорят летучие органические вещества, сокращенно по-русски ЛОС или ЛОВ.
Подобная законодательная экологическая норма в свою очередь ведет к тому, что лакокрасочная отрасль начинает искать новые решения. И по мере совершенствования лакокрасочных материалов главной задачей в европейских странах, стала разработка продуктов с наименьшими потерями для экологии.
К решению этой задачи можно отнести, как усовершенствование и популяризацию водоразбавляемых ЛКМ, именно по этой причине европейцы используют повсеместно водоразбавляемые лакокрасочные системы, так и создание материалов с низким содержанием летучих органических соединений и соответственно с высоким содержанием сухого остатка.
Обычно органорастворимые материалы содержат пленкообразователи с высокой вязкостью, которые для успешного нанесения различными методами требуют введения большого количества растворителя. В последние годы на рынке ЛКМ появились новые материалы на основе низкомолекулярных пленкообразователей с низкой вязкостью, что позволяет повысить сухой остаток. Но тут есть одно «но», следствием снижения молекулярной массы пленкообразователя зачастую является уменьшение жизнеспособности материала после смешивания компонентов, поэтому очень много работы было посвящено именно ускорению процесса сушки. Исследования показывают, что составы с уменьшенным молекулярным весом способны, застывая, образовывать пленку повышенной прочности, если в их состав вводить реакционноспособные смолы. Пленка тогда гораздо более устойчива не только к механическим повреждениям, но и к воздействию химикатов. Такие покрытия долговечны, остаются красивыми в течение многих лет.
Также увеличивается вероятность образования потеков при нанесении. Поэтому для получения качественного покрытия в процессе работы необходим контроль реологических свойств материала.
Только в этом случае покрытия будут обладать требуемыми физико-химическими свойствами.
В Европейском Союзе принято считать VOC любые органические химические соединения, которые имеют высокое давление паров в обычных условиях при комнатной температуре, с точкой кипения ≤ 250°С.
Виды VOC многочисленны и разнообразны. Бывают как природного, так и искусственного происхождения.
Основным источником VOC в лакокрасочных материалах являются растворители, которые влияют на скорость высыхания, контролируют вязкость и тиксотропность. Выделяются из жидких веществ, включают в себя различные химические элементы, которые имеют краткосрочные или долгосрочные неблагоприятные последствия для здоровья человека.
Высокая концентрация VOC не только загрязняет воздух, которым мы дышим, но приводит к различным заболеваниям, таким как головная боль, глазные заболевания, заболевания дыхательных путей, а также снижение работоспособности нашей иммунной системы. Некоторые органические соединения способны вызвать рак у животных, а некоторые известны как причина рака и у людей.
Кроме того, летучие органические соединения способствуют образованию озона вблизи поверхности Земли, так называемый приземной озон, который является составляющей смога и даже в небольших концентрациях может оказывать пагубное влияние на здоровье, вызывая всякого рода расстройства, что может стать причиной серьезных заболеваний.
Нормальная концентрация в атмосфере этого элемента безусловна нужна, озон действительно чистит наш воздух, являясь сильным окислителем, он разлагает многие токсические примеси в атмосфере до простых безопасных соединений, тем самым обеззараживая воздух, но к сожалению переизбыток озона оказывает плохое влияние на живые организмы.
Производители по закону обязаны маркировать продукцию, которая содержит и выделяет VOC-вещества.
Для этого используют 5-ти уровневую шкалу:
• Минимальное содержание VOC: 0-0,29%
• Низкое содержание VOC: 0,30-7,99%
• Среднее содержание VOC: 8,00-24,99%
• Высокое содержание VOC: 25-50%
• Очень высокое содержание VOC: 50% и выше.
Вот так выглядит официальная марка ЕС, заветный европейский экологический символ — эко-цветок. Этим цветком ЕС награждает производителей стран Европейского союза и Европейской Экономической Ассамблеи, продукция которых значительно превосходит продукцию других производителей по экологическим критериям. Если видите данный символ на продукте, значит он безопасен для экосистемы.
В отличие от своих европейских коллег российские потребители ЛКМ в настоящее время еще не ограничены столь жесткими экологическими требованиями при выборе систем покрытий.
У нас в стране отношение к экологии не столь бережливое. И экологические стандарты в этой области у нас кардинально отличаются от европейских.
По сей день не принят Технический регламент ЕАЭС на лакокрасочные материалы. Именно технические регламенты по безопасности должны стать главным регулятором допуска продукции на рынок и закладывать параметры безопасности для человека и окружающей среды.
rg.ru/2017/02/27/tehregla…h-por-ne-byl-priniat.html
На сегодняшний момент европейцы используют такую разрешенную норму на максимальное содержание ЛОС для авторемонтных лакокрасочных материалов:
Продукты для подготовки и очистки 850 (г/л)
Средства для предварительной очистки 200 (г/л)
Заполняющая шпатлевка (все типы) 250 (г/л)
Грунтовка (отделочная/доводочная шпатлевка и многофункциональная грунтовка (для металлических поверхностей) 540 (г/л)
Травильная грунтовка 780 (г/л)
Верхний слой (все типы 420 (г/л)
Отделочные покрытия с особыми свойствами (все типы) 840 (г/л)
г/л в готовом для употребления продукте. За исключением «подготовительных и чистящих продуктов», любое содержание воды в продукте, готовом к употреблению, не следует принимать во внимание.
Если кратко, в Европе считают то что испаряется в атмосферу, загрязняя экологию и нанося вред здоровью. В нашей стране считают материал, оставшийся на поверхности после испарения всех летучих компонентов, иначе говоря «сухой остаток».
Что есть «сухой остаток» – это массовая доля нелетучих веществ в составе лакокрасочного материала, которая остается на поверхности после его отверждения. Определяется путем замера массы образца после полного отверждения и первоначальной массы. В ЛКМ к ним можно отнести смолы, пигменты, различные присадки и добавки.
В технической документации обычно его значение выражают в процентах от общего веса продукта. Данный параметр определяется в лаборатории производителя. Величина сухого остатка, как правило, приводится в техническом паспорте на материал.
В России для определения этого существует ГОСТ 31939-2012 (ISO 3251:2008) Материалы лакокрасочные. Определение массовой доли нелетучих веществ (ИСО 3251:2008. «Краски, лаки и пластмассы. Определение содержания нелетучих веществ», MOD)
Но если самому посчитать, то целесообразнее рассчитывать не на сухой остаток основы ЛКМ, а на сухой остаток рабочей смеси, готовой к применению.
Например:
Если на материале указано, что содержание сухого остатка у материала составляет 50%, это значит, что в 1 кг материала содержится 500 г сухого остатка. Для нанесения распылением и обеспечения рабочей вязкости его нужно разбавить, добавив 20% или 200 г разбавителя на каждый килограмм материала.
В результате мы получили 1200 г готового к работе состава, содержащего 500 г сухого остатка.
Рассчитаем процент сухого остатка — 500 х 100 / 1200 = 41,6%.
Таким образом, в рабочем составе содержание сухого остатка снизилось с 50% до 41,6%.
Резюмируем: сухой остаток измеряют по весу в процентном выражении в расчете на килограмм, то есть если указано, что сухой остаток условно говоря 50%, значит в килограмме готовой смеси сухого остатка 500 грамм.
В объеме измеряют летучие органические соединения, в граммах на литр, то есть, если VOC условно говоря равен 420 г\л, а так как у лкм разная плотность и тот же литровый объем может иметь разный вес, то соответственно значение сухого остатка будет выражаться другими значениями.
Чем выше сухой остаток ЛКМ, тем большая толщина покрытия получается после высыхания пленки. Взять к примеру грунты с высоким сухим остатком, их обычно используются в процессах, где нужно добиться толстого слоя грунта за одно нанесение.
Хотя российские ГОСТы позволяют измерить не только то, что осталось, но и то, что испарилось.
ГОСТ 31991.2-2012 (ISO 11890-2:2006) Материалы лакокрасочные. Определение содержания летучих органических соединений (ЛОС). Газохроматический метод (lSO 11890-2:2006 «Краски и лаки. Определение содержания летучих органических соединений (ЛОС). Часть 2. Газохроматический метод», MOD)
Аббревиатуры LS, MS, HS, UHS/VHS/HD как раз и несут в себе информацию о содержании сухого остатка в готовой к применению смеси в эмалях, грунтах или лаках.
LS (Low Solid) – низкое содержание сухого остатка.
MS (Medium Solid) – среднее содержание сухого остатка.
HS (High Solid) – высокое содержание сухого остатка.
UHS/VHS/HD (Ultra High Solid/Very High Solid/High Density) – сверхвысокое содержание сухого остатка.
Пока не существует достаточно четкого определения материала по сухому остатку. Традиционно к ним относят ЛКМ с содержанием нелетучих веществ свыше 60% (по объему).