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La detección de gases es una función crítica, pero la tecnología no ha cambiado en décadas. Entonces, cuando me enteré de un nuevo tipo de sensor de NevadaNano (Sparks, NV), decidí entrevistar a Ben Rogers, su director de ingeniería.

Llaman a su sensor, un dispositivo basado en MEMS, Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

El sensor de gases inflamables MPS puede detectar e identificar las concentraciones de 12 de los gases combustibles más comunes, incluido el hidrógeno; el sensor de gas metano MPS está diseñado para monitorear fugas de metano en las industrias de petróleo y gas; El sensor de gas refrigerante MPS detecta refrigerantes levemente inflamables de bajo calentamiento global, todos basados ​​en la misma tecnología. Según Rogers, su sensor es mucho más preciso y confiable que el tradicional Pellistor (sensor de perlas catalíticas) y el sensor infrarrojo no dispersivo (NDIR). La mayoría de los sensores tradicionales tienen un recubrimiento que provoca algún tipo de reacción química. El problema es que con el tiempo, los sitios de detección que permiten la reacción pueden arruinarse. El MPS, sin embargo, es una superficie inerte a base de silicio que no requiere ninguna reacción química. Se calienta, mide las propiedades termodinámicas del aire y luego se enfría nuevamente, por lo que puede durar 10 años o más sin ninguna calibración, según Rogers.

El MPS está integrado en un paquete de aproximadamente una pulgada, como se muestra en la Figura 1. El aire que se va a probar ingresa a través de la pantalla de malla en la parte superior e incide sobre una microplaca calefactora suspendida y atada, que tiene el mismo diámetro que un cabello humano. 100 micras de ancho. La zona de cocción se puede calentar hasta cientos de grados centígrados. La fuente de calor es un calentador Joule, en el que se alimenta una corriente eléctrica a través de un elemento resistivo, como se muestra en el recuadro de la Figura 1. La corriente entra por una de las ataduras, gira y sale por esa traza. "Podemos medir la resistencia de la placa de cocción, lo que nos da su temperatura y también la potencia necesaria para alcanzar esa temperatura", dijo Rogers. La relación entre la temperatura de la placa y la potencia necesaria para alcanzar esa temperatura es función de la conductividad térmica del aire. Cuando el aire contiene gases, sus propiedades térmicas cambian. Por ejemplo, si hay metano en el aire y la placa calefactora se calienta, dado que el metano es más conductor térmico que el aire, se necesita más energía para mantener la placa calefactora a la temperatura adecuada que cuando no hay metano presente.

La clave de sus propiedades únicas es que el MPS es un dispositivo MEMS, producido de manera similar a los chips de silicio: en una fundición; y debido a que es un dispositivo MEMS, requiere muy poca energía para funcionar. “Nunca antes ha existido un sensor de combustible que pueda indicarle la clase de gas que está detectando. Cuando hacemos una detección, también proporcionamos una clasificación. Por ejemplo, el sensor informa la concentración presente y que es hidrógeno, o un gas medio como pentano, o una mezcla de hidrógeno”, dijo Rogers. “Los sensores de gas tradicionales nunca han tenido la capacidad de clasificar. Eso es lo que nos hace tan precisos: porque podemos ajustar nuestra calibración para cualquier gas que haya allí”.

La unidad de concentración que importa es el límite explosivo inferior (LEL), que es la concentración más baja (por porcentaje de volumen) de un gas en el aire que es capaz de producir una llamarada en presencia de una fuente de ignición. Dado que los usuarios quieren saber qué tan cerca están del 50 % del LEL, la capacidad de identificar qué gas está presente es importante porque el LEL para cada gas es diferente.

La Figura 2 muestra gráficos de la concentración administrada frente a la concentración informada. Ilustra uno de los principales problemas con los sensores en este espacio. Un sensor perfecto le dice exactamente lo que se informa: llega justo al medio. Un sensor que sobrepasa la concentración activará una alarma demasiado pronto, dando un costoso falso positivo. La falta de notificación da un falso negativo, lo cual es peligroso. Lo ideal sería que la curva estuviera justo en el medio. Como se puede ver en el gráfico de la derecha, la precisión del sensor MPS es acertada para siete gases diferentes.

Lo que hace que el MPS sea tan preciso es que el software del sensor ajusta automáticamente la calibración en tiempo real para cualquier gas presente.

Un sensor NDIR generalmente está calibrado para metano, por lo que el gráfico de entrega y reporte de metano es uno a uno (Figura 3, izquierda). Pero para todos estos otros gases que normalmente se encuentran en estas aplicaciones, el informe será muy superior: la lectura será muy alta. Y también es propenso a dar falsos positivos cuando la humedad o la temperatura cambian relativamente rápido. Es importante destacar que no ve hidrógeno en absoluto, que se está convirtiendo en un gas cada vez más importante en todo el mundo para muchas aplicaciones.

La perla catalítica (perla de gato) es el otro sensor en este espacio (Figura 3, derecha). Cuando lo calibra para metano, es correcto para metano, pero si encuentra alguno de estos otros gases que son típicos en estas aplicaciones, la lectura será baja. Además, con el tiempo, la cuenta de gato, que depende de una reacción catalítica, se envenena fácilmente. Si alguien está en la misma habitación que este sensor usando crema para manos, eso es suficiente para envenenarlo y dejar de funcionar.

O si eres bombero y enceras el camión ese día, todos los sensores de tu edificio podrían estar envenenados. Por lo tanto, requiere un mantenimiento frecuente y costoso; hay que revisarlo periódicamente; algunos lugares los revisan todos los días o todos los meses para evitar que se envenenen.

“Como se muestra en la Figura 2, nuestro sensor también sigue una trayectoria justo en el medio, en términos de concentración entregada versus concentración reportada. Somos muy precisos con todos estos gases, aunque el MPS solo está calibrado de fábrica para metano. Pero debido a la forma en que examinamos el aire, en realidad podemos determinar qué gas está presente, lo cual no tiene precedentes”, dijo Rogers.

"Somos buenos en dos cosas", dijo Rogers. “Uno es construir el sensor de la zona de cocción, cuyo desarrollo requirió años. Y dos, aprender a hablar con esa hornilla”. El dispositivo básico es bastante simple: sólo una resistencia calentada y una medición de temperatura. La forma en que se utiliza esa información es clave para el funcionamiento del sensor. Para obtener las lecturas se utilizan los datos provenientes de la placa de cocción junto con los datos provenientes de un sensor ambiental que mide la temperatura, presión y humedad. “Cada dos segundos tomamos los datos de la placa calefactora, tomamos los datos del sensor ambiental y ejecutamos un montón de algoritmos que nos llevó 15 años desarrollar y el resultado es: 'es este gas, es esta concentración', y Ese es el truco”, dijo Rogers.

Tomar los mismos datos pero cambiar los algoritmos ha permitido a NevadaNano desarrollar decenas de productos basados ​​en cambios de software. Por ejemplo, existe una nueva generación de refrigerantes que reducen el calentamiento global. Pero muchos de estos nuevos refrigerantes, utilizados en unidades de aire acondicionado y refrigeradores, etc., son inflamables. Por lo tanto, todos los acondicionadores de aire residenciales requerirán sensores de inflamabilidad para evitar condiciones inseguras. Basándose en las propiedades termodinámicas de esas moléculas de refrigerante, NevadaNano pudo crear un producto especialmente adecuado para esa especie de gas en particular o varias, simplemente realizando un cambio de software. Entonces, en aproximadamente un mes tenían un nuevo producto Alpha y comenzaron a sacarlo y mostrárselo a la gente.

Le pregunté a Rogers si necesitaban calibrar cada sensor para un gas en particular. Respondió que depende de qué gas se debe detectar. Para los gases inflamables estándar, utilizan metano como gas calibrador en la fábrica. "Una vez que le hemos mostrado el sensor de metano, no tenemos que calibrarlo a hidrógeno, butano o propano; también detecta intuitivamente todos los demás gases". Así, por ejemplo, no necesariamente tienen que utilizar hidrógeno en fábrica para calibrar un sensor específico de hidrógeno.

Luego le pregunté a Rogers sobre las aplicaciones típicas. “Somos sólo el sensor: somos ese pequeño dispositivo con forma de cubo que se conecta a un sistema detector. Por ejemplo, si hoy fueras a una refinería y miraras las paredes, verías muchas docenas de dispositivos que parecen medidores de energía de servicios públicos”. Tienen varios sensores conectados, que probablemente incluyen un sensor de sulfuro de hidrógeno, un sensor de oxígeno, un sensor de monóxido de carbono y un sensor de gas inflamable como el MPS.

Los bomberos y otros socorristas que entran corriendo a un edificio normalmente usan lo que se llama un sensor de cuatro gases: un pequeño dispositivo del tamaño de un teléfono celular que se coloca sobre su hombro y tiene cuatro sensores de gas, incluido un MPS.

Según Rogers, el MPS es la tecnología más innovadora para la detección de gases en más de 30 años. Supera las deficiencias de las tecnologías existentes; es estable en amplios rangos operativos, incluidos cambios rápidos de temperatura y humedad; es exacto para una lista de gases inflamables comunes (incluido el hidrógeno). Además, el MPS se puede utilizar en entornos con gases múltiples o desconocidos presentes y es intrínsecamente seguro, robusto e inmune al envenenamiento.

Este artículo fue escrito por Ed Brown, editor de Sensor Technology. Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2021 de la revista Sensor Technology.

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