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Técnicas de detección de gas con sensores piroeléctricos

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Cómo diseñar un sistema de detección de CO2 con un sensor piroeléctrico

El modelo USEQGSEAC82180 de KEMET es un ejemplo de sensor de gas CO2. Los sensores piroeléctricos de la serie QGS de KEMET están encapsulados en una carcasa compacta y de montaje superficial, tienen una interfaz digital de capa fina y unos requisitos energéticos extremadamente bajos. Pueden hacer mediciones de gas hasta quince veces más rápido que los detectores de termopilas. Gracias al reducido nivel de masa térmica del material piezoeléctrico (PZT), pueden hacer mediciones extremadamente veloces e iniciarse de un modo prácticamente instantáneo.

Además, los sensores PZT tienen una vida útil más prolongada que la de las termopilas con termopar. No necesitan circuitos analógicos adicionales y su interfaz I2C digital ofrece un método práctico y sencillo para la conexión al microcontrolador principal. Hay un dispositivo ASIC (circuito integrado para aplicaciones específicas) programable, conectado mediante la interfaz I2C, integrado en el sensor, lo que permite controlar y configurar por completo los filtros analógicos, la ganancia del amplificador y los parámetros de conversión de analógico a digital.

El sensor piezoeléctrico de KEMET para la detección de gas es extremadamente sensible y su tiempo de respuesta es muy rápido. Además, si lo comparamos con el método con termopilas, tiene numerosas ventajas: un menor consumo de potencia, una mayor vida útil de la batería y del producto y una reducción en los costes de mantenimiento.

La familia de sensores QGS tiene dos modos de funcionamiento: el modo normal, con una tasa de muestreo máxima de 1 kHz, y el modo de baja potencia, con una tasa de muestreo máxima de 166 Hz. El consumo de potencia típico es de 22 µA en el modo normal y de 3,5 µA en el modo de baja potencia. Hay un modo de apagado que desconecta el sensor y reduce la corriente hasta un valor típico de 1,1 µA.

Al integrar todos los componentes principales de la cadena de señal analógica en un solo encapsulado y utilizar una interfaz I2C estándar, se simplifica considerablemente la fabricación de un sensor de CO2 de baja potencia para capnógrafos de batería.

Las lecturas del sensor se guardan en diferentes registros, a los que se puede acceder a través de la interfaz I2C. Todo el proceso de medición y acondicionamiento de la señal está controlado por el ASIC interno del sensor, por lo que en el microcontrolador principal no se carga ningún recurso.

Un sistema completo de capnografía incluiría una fuente de IR con pulsos, un compartimento de gas con una longitud de recorrido definida (normalmente, entre 20 y 32 mm de longitud), un canal de sensor de referencia y un sensor de gas CO2. La fuente de IR suele emitir impulsos 40 veces por segundo.

Un proceso de calibración utiliza algoritmos determinísticos para encontrar la relación específica entre los canales de gas y de referencia, lo que se puede usar después para predecir las concentraciones de gas con mayor precisión. Para linealizar y determinar con precisión los niveles de concentración de gas en función de los valores del sensor que se han guardado en los registros I2C se utiliza la ecuación Beer-Lambert.

La imagen 3 muestra los valores sin procesar en el registro del I2C de las lecturas en el sensor de CO2 para todos los niveles de CO2, de 0 a 100 %, y se observa claramente que la curva no es lineal. Como ayuda para la linealización del sensor y la predicción porcentual de gas, KEMET suministra notas sobre la aplicación y una hoja de cálculo de Microsoft Excel.

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Imagen 3: medidas sin procesar en el registro del sensor de CO2 para diferentes valores de concentración de gas (fuente: KEMET).

Un proceso más rápido para crear prototipos de detección de gas

A fin de contribuir al desarrollo de los sistemas de detección de gas, KEMET ofrece el kit de evaluación para la detección de CO2 USEQGSK3000000 SMD (véase la imagen 4).

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Imagen 4: el kit de evaluación para la detección de gas CO2 (fuente: KEMET).

El kit está compuesto por un sistema completo de medición con dos sensores KEMET: el sensor de referencia USEQFSEA391180 y el sensor de CO2 USEQGSEAC82180.

El kit contiene un microcontrolador principal STM32F303K8T6 de STMicroelectronics, un compartimento de gas impreso en 3D y una placa de circuito impreso con el controlador y el emisor de IR KEMET. La solución incluye el software de Microsoft Windows necesario para configurar la plataforma del sensor y obtener y analizar los datos.

Los sensores de gas piroeléctricos: detección de gas rápida, integrada y de baja potencia

En comparación con los sensores de infrarrojos tradicionales con termopilas, los sensores piroeléctricos ofrecen muchas ventajas para los equipos de detección de gas portátiles y de batería. Consumen muy poco, pueden empezar a funcionar de inmediato y tienen un periodo de detección muy rápido, elementos esenciales para que los desarrolladores creen diseños más avanzados.

En este artículo, hemos hablado del uso de los sensores de CO2 por infrarrojos no dispersivos y piroeléctricos de KEMET en un capnógrafo de uso médico, pero hay muchas otras posibles aplicaciones para la medición de los niveles de concentración de gas del 0 al 100 %.


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