Gezonde lucht in auto door optische sensor Prodrive Technologies

Prodrive Technologies heeft een sensor ontwikkeld die stofdeeltjes in en rond een auto kan meten. Met deze gegevens kunnen autofabrikanten de luchtkwaliteit in de auto verbeteren. De productie van de systemen is al in volle gang.

Alexander Pil

Bij autofabrikanten, zeker die uit het hogere segment, staat de rijervaring van de bestuurder en passagiers hoog in het vaandel. Met fraaie verlichtingen en eerste-klasse-audiosystemen hopen ze het interieur van de concurrentie af te troeven en potentiële kopers te overtuigen. Relatief nieuw is de optie om de luchtkwaliteit in de cabine te controleren en te reguleren. Als de vrachtwagen voor je ineens een dot gas geeft, is het immers heel fijn als het ventilatiesysteem snel en automatisch omschakelt naar interne circulatie.

Om dat te kunnen doen, zijn sensoren nodig die het fijnstof in de lucht, zowel binnen als buiten de auto, vlot en accuraat kunnen meten. Prodrive Technologies is die uitdaging aangegaan en startte onlangs met de volumeproductie van zijn PM2.5-sensor voor verschillende Duitse automerken. Wanneer Nederlandse autokopers de luchtkwaliteitssensor als optie kunnen selecteren, is nog niet bekend, maar lang zal het niet meer duren.

‘Vanuit de markt kregen we een paar uitdagende requirements mee’, vertelt Eric Janssen, programmamanager vision en sensing bij het Brabantse bedrijf. ‘Uiteraard mocht de sensor eigenlijk niets kosten, dus we hebben veel aandacht gehad voor de industrialisatie en de maakbaarheid van het systeem. Verder hebben autofabrikanten ervoor gekozen om de sensor op een lastig bereikbare plek onder het dashboard te monteren. Onze opdracht was dus om een onderdeel te ontwerpen dat nooit hoeft te worden onderhouden. Dus niet zoals olie, lampjes of filters waarvan wordt geaccepteerd dat ze regelmatig moeten worden vervangen. Onze sensor moet achtduizend uur meegaan, zeg maar de totale rijtijd van de auto tijdens zijn volledige leven. Samen met de meetsnelheid en de nauwkeurigheid waren dat de belangrijkste uitgangspunten in het designtraject.’

Virtual impactor

De luchtkwaliteitssensor van Prodrive Technologies heeft twee kanalen, een voor de binnenlucht en een voor de buitenlucht. Het zijn twee gescheiden systemen die wel in één component zijn ondergebracht omdat ze dan allebei kunnen gebruikmaken van onder meer dezelfde complexe lasermodule.

Beide luchtstromen worden opgesplitst met een zogenaamde virtual impactor. Dat is een aftakking die een deel van de flow afvangt. De configuratie van zo’n virtual impactor bepaalt welke deeltjesgrootte hij uit de hoofdstroom filtert. Prodrive is geïnteresseerd in fijnstofdeeltjes kleiner dan 2,5 micrometer. Daar heeft het de impactor dus op ontworpen. ‘Het is een ingewikkeld onderdeel’, vertelt Prodrive-systeemarchitect Bas van der Oest. ‘Vooral omdat er zo veel variabelen meespelen. We hebben uitgebreid gesimuleerd en getest om tot de beste geometrie te komen.’

In die aftakking heeft Prodrive gekozen voor een optisch meetprincipe. Dat ligt niet voor de hand als je bedenkt dat er een continue stroom vuile lucht voorbijkomt. Janssen: ‘Om te beginnen, zorgen we ervoor dat de flow nooit in contact komt met de optische elementen. Door simulatie en door letterlijk kilometers te maken, weet je op een gegeven moment precies hoe je dat kunt doen. Die constructie maakt ons systeem heel krachtig.’ Hoe de engineers van Prodrive het precies hebben opgelost, houdt Janssen onder de pet.

Van der Oest vult aan: ‘We hebben voor optica gekozen vanwege de kosten en de snelheid. In een labopstelling kun je met filters de stofdeeltjes afvangen en heel precies wegen hoeveel materiaal het is. Dan heb je de absolute waarheid, maar je moet wel een lange tijd samplen omdat de meting anders te onnauwkeurig is. Met ons optische systeem krijg je direct antwoord, binnen een seconde.’

Janssen weer: ‘Er zijn wel alternatieve meetmethodes, maar daar zit vaak een consumable in – een drijfgas of een filter. Vanwege de onderhoudseisen vielen die af.’

Mie scattering

De daadwerkelijke meting is gebaseerd op het principe van mie scattering. ‘Hoe licht verstrooit op stof is afhankelijk van de grootte van de deeltjes en de gebruikte golflengte’, zegt Johan Bosman, opticaspecialist bij Prodrive Technologies. ‘We hebben dus een golflengte geselecteerd die past bij de deeltjesgrootte waarin we geïnteresseerd zijn. Maar zelfs bij die golflengte wordt er slechts een heel kleine beetje licht verstrooid; verreweg het meeste licht gaat rechtdoor. Om een idee te geven: met de laser schieten we milliwatts op de stofflow, maar het verstrooide signaal is in de orde van picowatts. Onze detector is een echte fotonenteller.’

Daar komt bij dat het scatterpatroon hoekafhankelijk is en het meeste verstrooide licht slechts een kleine afbuiging maakt. ‘Met de detector kunnen we echter niet te dicht bij de hoofdbundel meten’, weet Bosman. ‘Het afgebogen licht valt in het niet ten opzichte van de laserstraal. We moesten dus een balans zoeken tussen zo veel mogelijk gescatterd licht en zo weinig mogelijk last van de hoofdbundel.’

Omdat de kleinste verstoring de meting al overstemt, moest Prodrive op alle slakken zout leggen om een goede signaal-ruisverhouding te halen. ‘We hebben veel tijd besteed om een goed gedefinieerde, gecollimeerde laserbundel te creëren’, vertelt Bosman. ‘Ook vangen we alle zogenaamde ghost rays af. Dat zijn vaak ongecontroleerde, moeilijk te simuleren reflecties. Op alle optische overgangen kaatst er steeds een beetje licht terug. Met coatings kun je dat wel enigszins onderdrukken maar er blijft altijd een paar promille over. In veel meetsystemen kan dat geen kwaad, maar met onze fotonenteller kan elke ghost ray funest zijn.’

Laser bushing

Het meest cruciale onderdeel in de sensor is de lasermodule. Uit kostenoverweging heeft Prodrive Technologies ervoor gekozen om de hele sensorunit in een kunststof behuizing te stoppen. Als die warm wordt, zet dat materiaal uit, maar dat mag geen effect hebben op de meting. Van der Oest: ‘We weten vrij goed welke toleranties we kunnen halen met onze mallen en spuitgietmachines. We hebben vervolgens teruggerekend wat dat betekent voor de eisen aan de laseruitlijning.’ Die bleken vrij hoog te liggen. Prodrive heeft daarom een aparte productiecel opgetuigd waar het die lasermodules met een precisierobot nauwkeurig kan assembleren en gelijk checkt of de uitlijning op orde is.

Bosman vult aan: ‘Doordat we zo veel tijd hebben besteed aan de nauwkeurigheid van die laser bushing, hebben we verderop in het proces meer speling. Daar kunnen we toe met relatief goedkope spuitgietdelen. Uiteindelijk is het immers een kwestie van je tolerantiebudget verdelen.’

En Janssen: ‘We ontwerpen en produceren vaker optische componenten, bijvoorbeeld voor de medische industrie. Daar heb je de ruimte om duurdere materialen te kiezen en complexere maakprocessen in te zetten. Voor deze sensor hadden we te maken met heel andere requirements. Dat maakt dit project voor ons speciaal.’

Siberië

Om te checken of het design voldeed, heeft Prodrive Technologies de PM2.5-sensor uitgebreid door de mangel gehaald. ‘In de automotivewereld weten klanten heel goed hoe ze systemen getest willen hebben. Denk aan trillingen, temperatuurschokken en levensduur bij hoge luchtvochtigheid’, aldus Van der Oest. De sensor moet bestand zijn tegen de vrieskou van Siberië en de bloedhete woestijn van Saoedi-Arabië. Prodrive heeft zijn luchtkwaliteitssensor in al die omgevingen getest.

‘In een accelerated life time test hebben we lucht met een vervuiling van vijf milligram per kubieke meter door de sensor gepompt’, vertelt Van der Oest. ‘Daarmee hebben we in zes weken aangetoond dat het systeem uitstekend blijft functioneren, zelfs als de auto de volle achtduizend uur in bijvoorbeeld New Delhi zou rondrijden.’

Dit artikel is tot stand gekomen in samenwerking met Prodrive Technologies.