Sensor MEMS multi-gas revolucionario: detección precisa de 12 gases combustibles

La detección de gases es una función crítica pero la tecnología no ha cambiado en décadas. Así que, cuando supe sobre un nuevo tipo de sensor de NevadaNano (Sparks, NV), decidí entrevistar a Ben Rogers, su Director de Ingeniería.

Espectrómetro de propiedades moleculares

Llaman a su sensor, un dispositivo basado en MEMS, el Espectrómetro de Propiedades Moleculares™ (MPS™).

El Sensor de Gas Inflamable MPS puede detectar e identificar las concentraciones de 12 de los gases combustibles más comunes, incluyendo hidrógeno; el Sensor de Gas Metano MPS está diseñado para monitorizar fugas de metano en las industrias de petróleo y gas; el Sensor de Gas Refrigerante MPS detecta refrigerantes ligeramente inflamables de bajo calentamiento global, todos basados en la misma tecnología. Según Rogers, su sensor es mucho más preciso y fiable que el Pellistor tradicional (sensor de perla catalítica) y el Sensor Infrarrojo No Dispersivo (NDIR). La mayoría de los sensores tradicionales tienen un recubrimiento que excita 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 basada en silicio, que no requiere ninguna reacción química. Se calienta, mide las propiedades termodinámicas del aire y luego se enfría de nuevo, por lo que puede durar 10 años o más sin ninguna calibración, según Rogers.

Identificación de un gas

El MPS está integrado en un paquete del tamaño de aproximadamente una pulgada, como se muestra en la Figura 1. El aire a probar entra a través de la pantalla de malla en la parte superior e incide sobre una micro placa caliente suspendida y anclada, que tiene el mismo diámetro que un cabello humano: 100 micras. La placa caliente puede calentarse hasta cientos de grados Celsius. La fuente de calor es un calentador Joule, en el que una corriente eléctrica pasa a través de un elemento resistivo como se muestra en el recuadro de la Figura 1. La corriente entra por uno de los anclajes, gira alrededor y sale por ese rastro. "Podemos medir la resistencia de la placa caliente, lo que nos da su temperatura y también la potencia que tomó alcanzar esa temperatura", dijo Rogers. La relación entre la temperatura de la placa y la potencia requerida para alcanzar esa temperatura es una función de la conductividad térmica del aire. Cuando el aire tiene gases en él, sus propiedades térmicas cambian. Por ejemplo, si hay metano presente en el aire y se calienta la placa caliente, como el metano es más conductivo térmicamente que el aire, se necesita más potencia para mantener la placa caliente a la temperatura correcta que cuando el metano no está presente.

Clave de sus propiedades únicas, el MPS es un dispositivo MEMS, producido de manera similar a los chips de silicio: en una fundición; y porque es un dispositivo MEMS requiere muy poca energía para operar. "Nunca ha habido un sensor de combustibles antes que pueda decirle la clase de gas que está detectando. Cuando hacemos una detección, también proporcionamos una clasificación. Por ejemplo, el sensor reporta 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 hacer clasificación. Eso es lo que nos hace tan precisos: porque podemos ajustar nuestra calibración para cualquier gas que esté presente."

Concentración

La unidad de concentración que importa es el Límite Inferior de Explosividad (LIE), que es la concentración más baja (por porcentaje de volumen) de un gas en aire que es capaz de producir un destello de fuego en presencia de una fuente de ignición. Como los usuarios quieren saber qué tan cerca están del 50% del LIE, la capacidad de identificar qué gas está presente es importante porque el LIE para cada gas es diferente.

La Figura 2 muestra gráficos de concentración entregada vs concentración reportada. Ilustra uno de los principales problemas con los sensores en este espacio. Un sensor perfecto le dice exactamente lo que se reporta: va derecho por el medio. Un sensor que sobre-reporta la concentración activará una alarma demasiado pronto, dando un falso positivo costoso. Sub-reportar da un falso negativo, que es peligroso. Idealmente querría que la curva estuviera justo en el medio. Como se puede ver en el gráfico de la derecha, la precisión del sensor MPS está en el clavo para siete gases diferentes.

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

MPS vs sensores de gas tradicionales

Un sensor NDIR se calibra típicamente a metano, por lo que el gráfico de entregado vs reportado para metano es uno a uno (Figura 3, izquierda). Pero para todos estos otros gases que normalmente se encuentran en estas aplicaciones, sobre-reportará significativamente: leerá muy alto. Y también es propenso a falsos positivos cuando la humedad o la temperatura cambian relativamente rápido. Importante, no ve hidrógeno en absoluto, que se está volviendo un gas cada vez más importante en todo el mundo para muchas aplicaciones.

La perla catalítica (cat bead) es el otro sensor en este espacio (Figura 3, derecha). Cuando la calibras a metano, es correcta para metano, pero si te encuentras con cualquiera de estos otros gases típicos en estas aplicaciones leerá bajo. Además, con el tiempo, la perla catalítica, que depende de una reacción catalítica, se envenena fácilmente. Si alguien está en la misma habitación que este sensor usando crema de manos, eso es suficiente para envenenarlo y dejar de funcionar.

O si eres bombero y enceras el camión ese día, todos los sensores en tu edificio podrían envenenarse. Así que requiere mantenimiento frecuente y costoso: tienes que revisarlo regularmente; algunos lugares los revisan todos los días o cada mes para evitar que se envenenen.

"Como se muestra en la Figura 2, nuestro sensor también sigue una trayectoria justo por el medio, en términos de concentración entregada versus reportada. Somos altamente precisos para todos estos gases, aunque el MPS solo se calibra de fábrica a metano. Pero debido a cómo interrogamos el aire, en realidad somos capaces de determinar qué gas está presente, lo cual no tiene precedentes", dijo Rogers.

Algoritmos

"Somos buenos en dos cosas", dijo Rogers. "Una es construir el sensor de placa caliente, que tomó años de desarrollo. Y dos, aprender cómo hablar con esa placa caliente." El dispositivo básico es bastante simple: solo un resistor calentado y una medición de temperatura. Cómo se usa esa información es clave para el funcionamiento del sensor. Los datos que vienen de la placa caliente junto con los datos que vienen de un sensor ambiental que mide temperatura, presión y humedad se usan para obtener las lecturas. "Cada dos segundos tomamos los datos de la placa caliente, tomamos los datos del sensor ambiental y ejecutamos un montón de algoritmos que nos han tomado 15 años desarrollar y sale: '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 docenas de productos basados en cambios de software. Por ejemplo, hay una nueva generación de refrigerantes que son de bajo calentamiento global. Pero muchos de estos nuevos refrigerantes, usados en unidades de aire acondicionado y refrigeradores, etc., son inflamables. Por lo tanto, todos los aires acondicionados residenciales requerirán sensores de inflamabilidad para prevenir una condición insegura. Basado en las propiedades termodinámicas de esas moléculas de refrigerante, NevadaNano pudo crear un producto únicamente adecuado para esa especie particular de gas o múltiples, solo haciendo un cambio de software. Así que, en aproximadamente un mes, tenían un nuevo producto Alpha y comenzaron a sacarlo y mostrarlo a la gente.

Calibración

Le pregunté a Rogers si necesitaban calibrar cada sensor para un gas en particular. Respondió que depende de qué gas necesite ser detectado. Para los gases inflamables estándar, usan metano como gas de calibración en la fábrica. "Una vez que hemos mostrado el sensor al metano, no tenemos que luego calibrarlo a hidrógeno, butano, propano — intuitivamente detecta todos los otros gases también." Así que, por ejemplo, no necesariamente tienen que usar hidrógeno en la fábrica para calibrar un sensor específico de hidrógeno.

Aplicaciones

Luego le pregunté a Rogers sobre aplicaciones típicas. "Solo somos el sensor — somos ese pequeño dispositivo con forma de cubo que se conecta a un sistema detector. Por ejemplo, si fueras a una refinería hoy y miraras alrededor en las paredes, verías muchos dispositivos que parecen medidores de servicios públicos." Tienen múltiples sensores conectados a ellos, probablemente incluyendo 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.

Bomberos y otros primeros respondedores que entran a un edificio típicamente usan lo que se llama un sensor de cuatro gases — un pequeño dispositivo del tamaño de un celular que se sienta en su hombro y tiene cuatro sensores de gas en él, incluyendo un MPS.

Resumen

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

Este artículo fue escrito por Ed Brown, Editor de Tecnología de Sensores. Para más información, visite aquí.