Feasibility study of a sensor for dust deposition monitoring in air conditioning ducts

Ventilation ducts are parts of plants providing high air quality in many indoor spaces. However, a poor plant maintenance can compromise the air quality and even endanger human health in the environment. The standards specify the recommended interval of plants inspection and the amount of deposited dust, beyond which duct cleaning is required. The thesis work is focused on the development of a measuring system for the continuous monitoring of the dust deposition inside the ducts, a relatively cheap sensor allowing to detect the threshold deposit of 1 g⁄m^2 with a maximum uncertainty of 10 %, which determines the need of cleaning. The selected sensor concept is based on a vibrating system, composed by a thin circular plate that should be integrated on the duct bottom. Dust should settle at the same rate on the sensor and the other horizontal surfaces of the ducts, the most affected by dust deposition. The dust is detected from the decrease of the plate resonance frequency produced by the increase of its mass. The vibration is sensed realizing a capacitive displacement transducer, in which the thin plate constitutes the moving electrode. The plate is designed to have its first eigenfrequency in the order of few hundreds of Hz and to maximize the sensitivity to the deposition. Static and dynamic tests have been carried-out on a sensor breadboard, first to evaluate the stiffness and the vibration modes. The transducer sensitivity to dust surface density deposition has been characterized but also that to the temperature, the expected most relevant disturbance. The manufacturing of the sensor has evidenced criticalities, the adopted bonding of the plate on the frame has proved to produce a behaviour of the vibrating part different from that of the plain plate model. At last the transducer has been tested on an air duct i.e. in conditions as close as possible to a real application. The vibration produced directly by the pressure noise inside the duct was evaluated at first as excitation source for the vibrating plate but, it has proved to be of limited amplitude and with low reproducibility. The use of Piezoelectric actuators leads to a good level and well controlled plate excitation, but the generated electrical noise interfering with the capacitive transducer made it unusable. The advantages of the acoustic excitation, by means of a common loudspeaker instead, were compromised by the complexity of the acoustic field that makes awkward assessing the actual mechanical excitation. Despite the work has proved the feasibility of the sensor concept for its final implementation there are still many critical aspects that need to be further investigated.

I condotti di ventilazione sono impianti che provvedono ad un’alta qualità dell’aria negli spazi interni. Tuttavia, una scarsa manutenzione può compromettere la qualità dell’aria e perfino mettere a rischio la salute umana nell’ambiente. Le norme specificano gli intervalli raccomandati di ispezione dell’impianto e la quantità di polvere depositata, oltre al quale la pulizia del condotto è necessaria. La tesi si è concentrata sullo sviluppo di un sistema di misura per il monitoraggio continuo della deposizione di polvere all’interno dei condotti, un sensore relativamente economico che permetta di rilevare la soglia di deposizione di 1 g⁄m^2 con una incertezza massima del 10 %, che determina la necessita di pulizia. Il sensore selezionato si basa su un sistema vibrante, composto da una piastra sottile circolare che deve essere integrata sul fondo del condotto. La polvere dovrebbe depositarsi alla stessa velocità sul sensore e sulle altre superfici orizzontali del condotto, quelle più affette dalla deposizione di polvere. La polvere è rilevata dalla diminuzione della frequenza di risonanza della piastra prodotta dall’aumento della massa. La vibrazione è rilevata realizzando un trasduttore capacitivo di spostamento, in cui la piastra sottile rappresenta l’elettrodo in movimento. La piastra è progettata per avere la prima frequenza di risonanza nell’ordine di poche centinaia di Hz e per massimizzare la sensibilità alla deposizione. Test statici e dinamici sono stati eseguiti sul sensore, per valutare la sua rigidezza e i modi di vibrare. La sensibilità del trasduttore alla densità superficiale della deposizione di polvere è stata caratterizzata, ma anche quella alla temperatura, il disturbo che ci si aspetta più rilevante. La realizzazione del sensore ha evidenziato criticità, il fissaggio della piastra sulla flangia adottato produce un comportamento della parte vibrante differente dal modello della piastra piana. Infine il trasduttore è stato testato nel condotto, quindi in condizioni vicine il più possibile alla reale applicazione. La vibrazione prodotta direttamente dal rumore di pressione nel condotto è stato valutato come prima fonte di eccitazione della piastra, ma è stata dimostrata un’ampiezza limitata e bassa riproducibilità. L’uso di attuatori piezoelettrici porta ad una buona e controllata eccitazione della piastra, ma il disturbo elettrico generato interferisce con il trasduttore capacitivo, rendendolo inutilizzabile. I vantaggi dell’eccitazione acustica, tramite un comune altoparlante, sono invece compromessi dalla complessità del campo acustico che rende difficile valutare l’effettiva eccitazione meccanica. Nonostante il lavoro abbia dimostrato la fattibilità del tipo di sensore per la sua implementazione finale, ci sono ancora molti aspetti critici che devono essere ulteriormente studiati.