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Técnicas de detección de gas con sensores piroeléctricos

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Mark Patrick (Mouser Electronics) y Derick Stevens (KEMET) nos explican las mejores aplicaciones de detección de gas con sensores piroeléctricos.

La detección de gas es un elemento esencial en muchas aplicaciones industriales y comerciales. En los hogares, todos tenemos detectores para protegernos del humo y el monóxido de carbono. La detección de gas abarca muchas fuentes potenciales, como el dióxido de carbono, el dióxido de nitrógeno y distintos gases anestésicos.

Algunas de las aplicaciones relacionadas son la capnografía (la medición del dióxido de carbono exhalado para el diagnóstico médico), la medición de la calidad del aire en edificios inteligentes o los detectores y analizadores de gas portátiles y comerciales.

En este artículo, vamos a hablar de la detección de gas con sensores piroeléctricos. Como veremos, esta técnica es preferible al uso de termopilas, que conlleva problemas como un largo periodo de asentamiento y una prolongada medición o las variaciones ambientales. Hablaremos de la medición por infrarrojos y analizaremos los principios relacionados con la detección de gas, así como las ventajas de esta metodología. También veremos un sistema completo, con sensores I2C conectados al microcontrolador principal.

El uso de detectores de gas en la actualidad está sumamente generalizado. Los usamos como protección en las casas —mediante detectores de humo y monóxido de carbono—, para mantener la calidad del aire en las oficinas actuales —supervisando los niveles de dióxido de carbono—, o como sistema para la supervisión de distintos gases en la industria con fines de seguridad y para el control de los procesos. El control del gas en las baterías es un ejemplo de aplicación de seguridad reciente en vehículos eléctricos.

En las baterías, la generación de gas es un síntoma precoz de sobrecarga o funcionamiento irregular, y se puede observar antes de que cambie la temperatura. Las instalaciones sanitarias utilizan sensores de gas en muchos equipos clínicos y de diagnóstico. Un ejemplo de esto es el capnógrafo, un dispositivo portátil que detecta la cantidad de dióxido de carbono que exhala un paciente.

La capnografía ofrece un cuadro global de la ventilación y el metabolismo de un paciente, y los servicios de urgencias y de intervención inmediata los usan con frecuencia. Los capnógrafos portátiles y de bolsillo se alimentan con batería, y deben ofrecer un resultado rápido y preciso, sobre todo cuando se usan en accidentes u otras situaciones de emergencia.

Métodos de detección de gas

La detección de gas consiste en exponer un sensor a una luz infrarroja (IR) en presencia de un gas. Como los gases absorben una mayor cantidad de energía de luz infrarroja en una longitud de onda determinada, es posible diferenciar el tipo de gas detectado en función de los cambios energéticos que se produzcan en el gas. Las moléculas de gas absorben energía de la fuente de IR, se excitan y aceleran, lo que genera calor. Cuanto mayor sea la concentración de un gas determinado, mayor será también la cantidad de energía infrarroja absorbida.

Durante mucho tiempo, en equipos de detección de gas como los capnógrafos, se usaban sensores de termopilas. Estos sensores emplean un termopar para detectar los cambios de temperatura en las moléculas de gas y generar una salida de tensión proporcional a la concentración del gas detectado.

Sin embargo, los sensores de termopila necesitan un periodo de asentamiento de hasta dos minutos desde que se enciende el dispositivo hasta que tiene la estabilidad necesaria como para hacer mediciones. Otro factor que se debe tener en cuenta es que estos equipos tardan a veces más de 200 ms en hacer una medición. Puede parecer que no es mucho tiempo, pero cuando se usa una batería, la duración del uso del sensor tiene un efecto negativo en el perfil de consumo de energía, lo que significa que habrá que cambiar o recargar la batería con mayor frecuencia. Además, las termopilas necesitan circuitos analógicos adicionales para su funcionamiento, lo que supone una mayor carga en el coste por el calendario de desarrollo y los materiales.

El método piroeléctrico de detección de gas utiliza algo llamado efecto piroeléctrico: al detectar cambios en la cantidad de radiación infrarroja recibida, se crea una tensión de salida.

Técnicas de detección de gas con sensores piroeléctricos
Imagen 1: diseño de un sensor de gas piroeléctrico, con los componentes principales resaltados (fuente: KEMET).

La imagen 1 muestra un sensor de gas piroeléctrico que funciona en el espectro del infrarrojo cercano. Una fuente de energía de luz IR se dirige a los sensores a través de una cámara cerrada, y los filtros espectrales aíslan el espectro óptico de modo que sea el adecuado para el gas que se debe detectar y a fin de suministrar un canal de referencia. La diferencia entre la cantidad de energía IR emitida por la fuente y la cantidad recibida por el sensor, es lo que permite determinar la concentración del gas. Se utilizan dos detectores IR: uno para la señal de referencia con la que se determinará la cantidad de energía transmitida y otro para la propia detección del gas.

En la imagen 2 se puede ver un ejemplo de una aplicación con sensores piroeléctricos: un analizador de aliento. Se utiliza una fuente de calor IR con pulsos para transmitir la energía IR a través de un tubo de gas y ventanas transmisivas hasta llegar a dos sensores piroeléctricos. Un sensor suministra una señal de canal de referencia con una longitud de onda de 3,9 µm y el otro detecta la longitud de onda de 4,26 µm del CO2.

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Imagen 2: sensor de CO2 para el análisis del aliento (fuente: KEMET).

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