Sensores de CO2 Sensirion SCD41 y SCD40

¿Quieres un sensor de CO2 pequeño, de bajo consumo, versátil y de calidad? ¡Los Sensirion SCD40 y SCD41 son para ti!

Es bastante probable que el sensor de CO2 Sensirion SCD41 (y su mellizo el SCD40) sea el sensor que estás buscando.

En este artículo te traigo un análisis, junto con mis primeras impresiones, de los sensores Sensirion SCD41 y SCD40.

Sensirion es un fabricante sueco con una larga experiencia en la fabricación de sensores de CO2 de calidad. Su sensor SCD30, un sensor NDIR de doble canal, ha sido un referente durante estos últimos años. Un claro favorito cuando lo que se perseguía era un sensor de calidad a un precio aceptable.

Recientemente, durante el segundo trimestre del año 2021, Sensirion nos ha sorprendido añadiendo nuevos miembros a la familia de sensores de CO2, los SCD40 y SCD41.

¿Qué hace especial a los sensores Sensirion SCD40 y SCD41?

La verdad es que no hay nada más que mirarlo. Lo que hace especiales a estos sensores entra por los ojos.

Lo primero que llama la atención de este sensor es su diminuto tamaño. Solamente 10.1 x 10.1 x 6.5 mm, increíble.

Pero este sensor es mucho más que una cara bonita en un cuerpo delgado… ofrece unas características, sobre el papel, que nada tiene que envidiar a sensores de un tamaño (y consumo) mucho mayores, sin apenas sacrificios.

Los sensores de CO2 Sensirion SCD40 y SCD41 son sensores de altas prestaciones.

¿Cuál es la diferencia entre el Sensirion SCD40 y el SCD41?

Estos dos sensores son prácticamente iguales, son hermanos mellizos.

Externamente ambos sensores parecen iguales, pero en su interior se trata de dos bestias distintas.

Dicho esto, las mayores diferencias las encontramos en su rango de medición y su consumo.

El sensor Sensirion SCD40 puede medir concentraciones de CO2 de 400 a 2000 ppm y tiene un consumo típico de 15mA a 3.3V o 11mA a 5V.

El SCD41 además de poder medir un rango más amplio, de entre 400 y 5000 ppm, tiene un consumo típico mínimo de solo 0.45mA a 3.3V y 0.36mA a 5V, lo que nos permite crear medidores de CO2 con gran autonomía.

Para conseguir este consumo tan bajo, el SCD41 cuenta con un modo de funcionamiento de «medida única», llamado «single shot mode» en la que el sensor se utiliza a petición para tomar una única medida (el consumo anterior es el correspondiente a una medida cada 5 minutos).

¿Cómo ha conseguido Sensirion un sensor tan pequeño?

El secreto de Sensirion para conseguir este tamaño tan pequeño ha sido utilizar una tecnología diferente a la NDIR a la que estamos acostumbrados, aunque manteniendo su alta calidad de medida, ha creado un sensor de tecnología electroacústica.

¿Qué es un sensor de CO2 electroacústico?

En los sensores NDIR que solemos utilizar, el funcionamiento se basa en la absorción que el CO2 supone sobre un haz de infrarrojos.

En un sensor NDIR existe un emisor de infrarrojos y un sensor que los detecta. Cuanto más CO2 existe entre el emisor de infrarrojos y el sensor que los detecta, menos infrarrojos detecta el sensor.

Los sensores electroacústicos se basan en los efectos que la concentración de CO2 produce en las ondas sonoras.

Principio de medición electroacústico

Se emite, en una cámara de medición cerrada casi por completo, una luz de banda estrecha que coincide con las longitudes de onda que con absorbidas por las moléculas de CO2.

Las moléculas de CO2 en la cámara de medición absorben una parte de la luz irradiada, mientras que otras moléculas no contribuyen a la absorción debido al espectro de la luz emitida.

Cuantas más moléculas de CO2 haya en la célula de medición, mayor será la energía absorbida.

La energía absorbida de las moléculas de CO2 excita principalmente las vibraciones moleculares, lo que da lugar a un aumento de la energía de traslación de las moléculas y, debido a la cámara de medición cerrada, a un aumento de la presión en la cámara.

Una modulación de la fuente de luz provoca un cambio de presión periódico en la célula de medición, que puede medirse con un micrófono. La señal del micrófono sirve así para medir el número de moléculas de CO2 presentes en la cámara de medición y puede utilizarse para calcular la concentración de CO2.

Sensirion llama a su implementación de esta tecnología PASens® Technology.

¿Cuánto cuesta un Sensirion SCD40 o SCD41?

La verdad es que esto ha supuesto una verdadera sorpresa, sobre todo si lo comparamos con sensores de ultra bajo consumo.

Estamos acostumbrados, sobre todo los makers, a comprar nuestros sensores en China, en sitios como AliExpress, y eso facilita el que los precios sean mucho más bajos que en los canales de comercialización oficiales.

Por ejemplo, el sensor SCD30 en un distribuidor oficial como puede ser Mouser, cuesta aproximadamente 55€. Este mismo sensor, como puedes ver en este enlace Sensirion SCD30 en AliExpress (mismo enlace donde yo lo compré y me tardo solo 7 días en llegar), cuesta unos 35€.

Bien, pues el SCD40 cuesta en Mouser unos 36€ y el SCD41 47€ para una unidad (tienes buenos descuentos por cantidad). Si lo comparamos con el precio del SCD30 en China, si pudiéramos comprar el SCD41 en AliExpress (todavía no está disponible, avisaré aquí cuando lo esté, si lo ves tú antes avísame), costaría del orden de 25€ o menos.

Además, para aplicaciones en las que necesitamos una buena autonomía, este sensor es bastante más barato que otros sensores de ultra bajo consumo, como el Senseair Sunrise S11 (que cuesta unos 55€ en Digikey) y el Cubic CM1106SL-NS (que ni siquiera se puede comprar fácilmente pero que, previsiblemente, tendría un precio similar al Senseair Sunrise S11).

El kit de desarrollo Sensirion SCD41

No todo van a ser ventajas en estos sensores.

Una desventaja para los makers, es que esta miniaturización, conlleva un efecto lateral y es que, para conseguir ese tamaño tan compacto, Sensirion ha utilizado un encapsulado QFN, lo que complica la cosa bastante porque necesitaremos una placa de circuito impreso a medida y hacer unas soldaduras bastante difíciles de realizar para el aficionado medio.

Afortunadamente, si no queremos soldarlo nosotros mismos, tenemos una solución que viene a nuestro rescate: El kit de desarrollo.

El kit de desarrollo no es más que el sensor SCD41 o SCD40, soldado a una pequeña placa de circuito impreso a medida con conectores, terminales y cable para que resulte más fácil cacharrear con el sensor.

Claro, no todo van a ser ventajas, si nos decidimos por utilizar el «Evaluation Kit SEK-SCD41» nos vamos a encontrar con:

• Un precio sensiblemente mayor que el sensor suelto
• Un tamaño también mayor, por la placa y el conector.

Programación del Sensirion SCD40 y SCD41, documentación y librerías disponibles

Una cosa muy buena de este fabricante, sobre todo si lo comparamos con otros fabricantes de sensores de CO2, es la gran cantidad de documentación que proporciona, así como las librerías y ejemplos de programación para múltiples plataformas.

Te dejo aquí un enlace a la documentación técnica del Sensirion SCD4x.

Los sensores Sensirion SCD4x se comunican con el mundo exterior (nuestro microcontrolador, por ejemplo) a través de un BUS I2C y, la verdad, es que tienen bastantes comandos que podemos utilizar.

Por suerte, Sensirion ha preparado una librería oficial que soporta los principales microcontroladores (Arduino, ESP8266, ESP32, STM32, y otros muchos), lo que facilita muchísimo su utilización.

La verdad es que solamente me llevo un par de horas adaptar mi medidor de CO2 de ultra bajo consumo para utilizarlo con el SCD41 y empezar a hacer las primeras pruebas.

Estas dos horas incluían aprender absolutamente todo sobre el sensor y su forma de uso porque, es lo malo de ser un pionero, cuando me puse, no encontré un solo proyecto que utilizara este sensor, del que pudiera aprender.

Aquí puedes ver el medidor de CO2, temperatura y humedad que construí para pruebas con el SCD41:

Espero que, gracias a este artículo, sea más sencillo para ti.

Todavía no he realizado pruebas suficientes para llegar a conclusiones sobre la calidad de sus medidas, pero en breve actualizaré el artículo con ellas para que puedas ver cómo se compara con otros sensores.

Te dejo, simplemente, este gráfico que medidas tomadas con el Sensirion SCD41, junto a las de un Senseair S8 para que te hagas a la idea:

Modos de funcionamiento del Sensirion SCDx

Los sensores SCDx tiene tres modos de funcionamiento que afectan, sobre todo, a su consumo.

Es importante elegir el modo correcto en base al uso que vamos a hacer del sensor.

Modo de medida periódico

En el modo de medida periódico, que es el modo de funcionamiento por defecto del sensor, el más fácil de usar y con mayor precisión, supone que el sensor esté funcionando permanentemente y nos proporcione una medida actualizada con la concentración de CO2, la temperatura y la humedad cada 5 segundos.

Solo tenemos que enviarle al sensor la orden «start_periodic_measurement» para que empiece a funcionar en modo de medida periódico y cada 5 segundos podremos pedirle una nueva medida, sin necesidad de hacer nada más por nuestra parte.

En este modo, el consumo medio del sensor alimentado a 3.3V es de entre 15 (típico) y 18mA (máximo), según el datasheet, aunque puede haber picos muy cortos en los que el sensor llegue a consumir hasta entre 175mA (típico) y 205mA (máximo).

En mis propias pruebas y experimentos, el consumo medio ha sido de 15.78mA, lo que está muy bien y es muy cercano a lo indicado por el fabricante en el datasheet.

En el siguiente gráfico puedes ver algunas medidas de consumo de mis experimentos, tomadas durante periodo de tiempo de un minuto. Esto es, son medidas reales, tomadas por mi, no es que lo diga el fabricante.

Modo de medida periódico de bajo consumo

Este modo, soportado tanto por el sensor SCD40 como SCD41, es para utilizarlo en los casos de uso en los que el consumo del sensor es importante, este modo tiene un periodo de actualización de aproximadamente 30 segundos (el sensor nos proporciona una nueva medida de CO2 cada 30 segundos).

Solamente tenemos que activar este tipo de medidas enviando al sensor el comando start_low_power_periodic_measurement y él realizará una medida cada 30 segundos automáticamente.

Fíjate que el sensor tomará esa medida cada 30 segundos independientemente de que la leamos o no. Dicho de otra forma, si queremos que nuestro medidor de CO2 solo muestra una medida cada 3 minutos, el sensor tomará seis medidas en esos tres minutos, por lo que cinco de ellas (y la energia utilizada para realizarlas) se habrán desperdiciado.

En el siguiente gráfico con el perfil de consumo del sensor durante un minuto, puedes ver como el consumo medio es de 2.72mA. Cinco veces menos que en el modo normal. Esto es incluso menos de los 3.2mA indicados por el fabricante en el datasheet.

También puedes comprobar como el sensor tiene un consumo muy bajo excepto en el tiempo, cada 30 segundos, en el que toma la medida.

A continuación, puedes ver un zoom de esa misma medida con el detalle de ese periodo, que se repite cada 30 segundos, en el que el sensor realiza la lectura del CO2.

Como ves, para realizar esa medida de CO2, el sensor consume una media de 51.26mA durante 1.2 segundos.

Modo de medida única (solo Sensirion SCD41)

En el modo de medida única tenemos el control total sobre las medidas de CO2 que el sensor realiza y cuando las hace.

Es un modo con un consumo muy bajo en el que podemos decirle al sensor en cualquier momento que tome una medida. De esa forma, no se desperdiciará energía en tomar medidas que no serán utilizadas.

Si tenemos un medidor CO2 con batería, que solo queremos que actualize el CO2 presente en el aire cada tres minutos, podremos tener el sensor con un consumo realmente bajo durante la mayor parte de esos tres minutos y solamente decirle que mida una vez en esos tres minutos con un importantísimo ahorro de energía sobre los modos de medición periódica de los que hemos hablado antes.

El ahorro de energía puede ser tanto como que, si realizamos una lectura de CO2 cada 5 minutos, el consumo medio sería de entre 0.45mA (típico) y 0.5mA (máximo), según el datasheet.

Este artículo no pretende ser un tutorial de programación del SCD41, por lo que no entraré en los detalles, solo te daré algunas pinceladas:

• Cuando le pedimos una medida al sensor, este tarda unos 5 segundos en dárnosla.
• Si solo queremos medir temperatura y humedad, hay un comando que solo tarda 50ms.
• El fabricante, Sensirion, indica en el datasheet que tras proporcionar alimentación al sensor (encenderlo) las dos primeras medidas tomadas en este modo deben ser descartadas.
• Para reducir el ruido en las medidas, el fabricante nos sugiere que podemos tomar varias medidas seguidas y hacer la media entre ellas.
• Según el datasheet, el consumo del sensor entre medidas es de entre 0.15mA (típico) y 0.2mA (máximo).
• En el modo de medida única, la calibración automática sigue funcionando, siempre y cuando el sensor no sea apagado entre medidas.

Según mis propias medidas, realizadas durante mis experimentos, el sensor SCD41 tiene un consumo en reposo de 171µA. y la media de consumo durante 60 segundos con una medida única en ese periodo ha sido de 1.20mA.

Compensación de altura/presión atmosférica

Las diferencias en altura sobre el nivel del mar (o lo que es lo mismo, las diferencias en presión atmosférica) tienen un efecto sobre las mediciones de concentración de CO2.

A mayor presión, el aire se comprime, las moléculas se comprimen, todo se comprime… esto significa que pueden caber más o menos moléculas de CO2 en la cámara de medición dependiendo de la presión atmosférica.

Para compensar estas variaciones, el SCD4x dispone de un par de ayudas:

Con la primera de ellas podemos simplemente configurar la altitud en metros sobre el nivel del mar a la que se encuentra el medidor y éste se encargará internamente de hacer los ajustes precisos para compensarlo.

La segunda nos permite proporcionar al sensor la presión atmosférica actual de forma continua (podemos hacer cuando queramos, cada minuto, cada hora, cuando haya un cambio…), de esta forma el SCD4x hará la compensación automáticamente.

Lógicamente, estas dos posibilidades son excluyentes y, si utilizamos una, la otra queda anulada.

Compensación del sensor de temperatura

Aunque el sensor de temperatura del SCD4x está suficientemente bien (con una precisión de +/-0.8°C entre 15 y 35 ºC y +/-1.5°C entre -10ºC y 60ºC) el calor generado por los componentes electrónicos del propio sensor, y la circuitería aneja que forma el medidor, puede provocar diferencias entre la temperatura leída por el sensor y la temperatura del aire alrededor.

Para solucionar este problema, el SCD4x dispone de una compensación de temperatura por lo que le podemos decir la diferencia, u offset, con la temperatura real y él mismo se encargará de compensar la temperatura a partir de ese momento.

La idea es que, si sabemos que la distribución térmica de nuestro montaje concreto supone que el sensor lea 1.8ºC por encima, se la comuniquemos al sensor para que haga su trabajo de compensación.

Solo por aclarar, esta compensación de temperatura no tiene ningún efecto sobre la medición de CO2.

Además de esto, debo decir, para que la información sea completa, que el sensor también realiza internamente una compensación de temperatura para calcular la concentración de CO2, aunque no tiene nada que ver con esta compensación del sensor de temperatura que te acabo de contar.

Este ajuste de temperatura permite además al sensor compensar las medidas de humedad. En el datasheet el fabricante ya nos avisa de que es importante que configuremos este valor correctamente para obtener las mejores medidas de temperatura y humedad.

Calibración del sensor de CO2 Sensirion SCD4x

Los sensores como este SCD4x son instrumentos de muy alta precisión y cosas como el envejecimiento de cualquiera de sus componentes o simplemente el estrés mecánico al que puede verse sometido durante su almacenamiento, transporte y funcionamiento pueden afectar a su precisión.

Por este motivo, es importante comprender la necesidad de la calibración de estos sensores.

Este sensor dispone de dos modos de calibración: ASC (automatic self-calibration, o auto-calibración automática) y FRC (forced re-calibration, o recalibración forzada/manual) para conseguir mantener la precisión de sus medidas.

Calibración automática

El sensor de CO2 Sensirion SCD4x cuenta con un sistema de calibración automática, llamada por Sensirion Automatic Self-Calibration (ASC), y funciona bastante bien.

Funcionamiento

Puesto que la concentración de CO2 natural en la atmosfera es de aproximadamente 400 ppm (realmente algo menos de 420 ppm de media en el año 2021), cuando el ASC está habilitado, el sensor asume que, durante un periodo de aproximadamente 7 días, la mínima concentración de CO2 que encuentre será equivalente a 400 ppm.

Esto significa que, en una habitación bien ventilada, que en algún momento del periodo de siete días tenga aire limpio, la medida más baja será de alrededor de 400 ppm y el sensor asumirá esa concentración (sea la que sea) como punto cero, o 400 ppm.

Dicho de otra forma, el sensor asumirá que la medida más baja de cada periodo de 7 días será de 400 ppm.

Un aviso de precaución

Si, he explicado lo mismo de tres formas distintas, pero es necesario comprenderlo bien porque eso supone que:

No puedes utilizar la calibración automática si vas a utilizar el sensor en un invernadero, por ejemplo, ya que el aire del invernadero nunca bajará a 400 ppm, tampoco en un sitio en el que siempre hay presencia humana, como un aeropuerto, un hospital y tantos y tantos sitios abiertos permanentemente.

Procedimiento de calibración automática de los sensores Sensirion SCD41 y SCD40

Para que el procedimiento de calibración automática del SCD4x funciona bien, se debe cumplir:

1. El SCD4x debe ser expuesto regularmente a aire fresco con una concentración de, aproximadamente, 400 ppm de CO2.
2. El SCD4x debe funcionar continuamente (sin ser apagado) para que el ciclo de calibración automática se complete.
3. Aunque, generalmente solemos hablar de que el sensor necesita 7 días para calibrarse, siendo precisos, lo que necesita son 7 medidas buenas separadas por al menos 18 horas (esto son, aproximadamente 5 días).

Esta es una forma muy cómoda de mantener el sensor calibrado, utilizando el aire limpio como valor de referencia y automatizando el proceso.

Calibración manual

El sensor de CO2 Sensirion SCD4x permite la calibración manual para que no tengas que esperar esos siete días para que se calibre automáticamente (no todos los medidores de CO2 aprovechan esta característica).

Lo único que tienes que hacer para calibrar el sensor es: poner el medidor en un sitio con aire limpio (en el exterior de una ventana, por ejemplo), encenderlo, esperar más de tres minutos con el sensor funcionando en el modo en el que quieres calibrarlo (medida periódica, por ejemplo) en un ambiente con una concentración heterogénea y constante y ejecutar el comando de calibración.

Si quieres saber más sobre la calibración del SCD4x, el siguiente documento de Sensirion (en inglés) te resultará muy interesante: SCD4x datasheet.

Un consejo: El SCD4x es muy sensible a las corrientes de aire (todos los sensores fotoacústicos, en menor o mayor medida) por lo que es importante que al sacarlo al exterior para calibrarlo no le dé mucho aire. Incluso una brisa, no muy fuerte, puede provocar lecturas de concentración inestables y afectar a la calibración.

Aquí tienes las recomendaciones del fabricante para la correcta aireación del sensor:

El SCD4x permite ser calibrado a concentraciones distintas a 400 ppm, cosa muy interesante para calibrarlo, por ejemplo, utilizando un medidor de referencia.

Conclusión

En conclusión, los sensores de CO2 Sensirion SCD41 y SCD40 son unos dispositivos muy interesantes para medir la concentración de CO2, la temperatura y la humedad del aire. Estos sensores se caracterizan por:

• Su tamaño reducido y su bajo consumo, gracias a su tecnología electroacústica PASens®.
• Su alta precisión y su calidad de medida, comparable a la de sensores NDIR de mayor tamaño y consumo.
• Su versatilidad y su facilidad de uso, con diferentes modos de funcionamiento, compensaciones de presión y temperatura, y calibraciones automáticas y manuales.
• Su precio competitivo, especialmente si espera a que esté disponible en el mercado chino.

Si quieres un sensor de CO2 pequeño, de bajo consumo, versátil y de calidad, el Sensirion SCD41 (o su mellizo el SCD40) puede ser el sensor que estás buscando.

Por cierto, no dejes de visitar este post sobre otro sensor de Sensirion, el SCD30: