Sensori MEMS multi-gas di nuova generazione

La rilevazione dei gas è una funzione fondamentale, la cui tecnologia non è cambiata da decenni. Ora il nuovissimo sensore di NevadaNano rappresenta un punto di svolta per il mercato.

SPETTROMETRO DELLE PROPRIETÀ MOLECOLARI

NevadaNano chiama il loro sensore, un dispositivo basato su MEMS, Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).
Il sensore di gas infiammabili MPS è in grado di rilevare e identificare le concentrazioni di 12 dei gas combustibili più comuni, compreso l'idrogeno; il sensore di gas metano MPS è progettato per monitorare le perdite di metano per le industrie del petrolio e del gas; IL MPS RefrigerantIl sensore di gas nt rileva un basso riscaldamento globale leggermente infiammabile refrigerants, ​​tutti basati sulla stessa tecnologia. Secondo Rogers (Direttore dell'Ingegneria @NevadaNano), il loro sensore è molto più preciso e affidabile rispetto al tradizionale Pellistor (sensore catalitico) e al sensore a infrarossi non dispersivo (NDIR). La maggior parte dei sensori tradizionali ha un rivestimento che eccita una sorta di reazione chimica. Il problema è che nel tempo i siti di rilevazione che consentono la reazione possono essere rovinati. L'MPS, invece, è una superficie inerte a base di silicio, che non richiede alcuna reazione chimica. Si riscalda, misura le proprietà termodinamiche dell'aria e poi si raffredda di nuovo, quindi può durare per 10 anni o più senza alcuna calibrazione, secondo Rogers.

IDENTIFICARE UN GAS

L'MPS è integrato in un pacchetto di circa un pollice. L'aria da testare entra attraverso lo schermo a rete nella parte superiore e colpisce una micro piastra riscaldante sospesa e legata, che ha lo stesso diametro di un capello umano - 100 micron di diametro. La piastra può essere riscaldata fino a centinaia di gradi Celsius. La fonte del calore è un riscaldatore Joule, in cui una corrente elettrica viene alimentata attraverso un elemento resistivo come mostrato nel riquadro della Figura 1. La corrente entra su uno dei cavi, gira vorticosamente ed esce su quella traccia. "Possiamo misurare la resistenza della piastra riscaldante, che ci dà la sua temperatura e anche la potenza necessaria per raggiungere quella temperatura", ha affermato Rogers. Il rapporto tra la temperatura della piastra e la potenza richiesta per raggiungere tale temperatura è funzione della conducibilità termica dell'aria. Quando l'aria contiene gas, le sue proprietà termiche cambiano. Ad esempioample, se il metano è presente nell'aria e la piastra è riscaldata, poiché il metano è termicamente più conduttivo dell'aria, occorre più energia per mantenere la piastra alla giusta temperatura rispetto a quando il metano non è presente.
Fondamentale per le sue proprietà uniche, l'MPS è un dispositivo MEMS, prodotto in modo simile ai chip di silicio: in una fonderia; e poiché è un dispositivo MEMS, richiede pochissima energia per funzionare. “Non c'è mai stato un sensore di combustibile prima d'ora in grado di dirti la classe di gas che stai rilevando. Quando effettuiamo una rilevazione, forniamo anche una classificazione. Ad esempioample, il sensore segnala la concentrazione presente e che si tratta di idrogeno, o un gas medio come il pentano, o una miscela di idrogeno", ha affermato Rogers. “I sensori di gas tradizionali non hanno mai avuto la capacità di fare classificazione. Questo è ciò che ci rende così precisi: perché possiamo regolare la nostra calibrazione per qualunque gas ci sia".

CONCENTRAZIONE

L'unità di concentrazione che conta è il Limite Inferiore di Esplosione (LEL), che è la concentrazione più bassa (in percentuale del volume) di un gas nell'aria che è in grado di produrre un lampo di fuoco in presenza di una fonte di ignizione. Poiché gli utenti vogliono sapere quanto sono vicini al 50% del LEL, la capacità di identificare quale gas è presente è importante perché il LEL per ogni gas è diverso.

ALGORITMI

"Siamo bravi in ​​due cose", ha detto Rogers. “Uno sta costruendo il sensore della piastra riscaldante, che ha richiesto anni di sviluppo. E due, imparare a parlare con quel fornello". Il dispositivo di base è abbastanza semplice: solo un resistore riscaldato e una misurazione della temperatura. Il modo in cui vengono utilizzate queste informazioni è fondamentale per il funzionamento del sensore. I dati provenienti dalla piastra calda insieme ai dati provenienti da un sensore ambientale che misura la temperatura, la pressione e l'umidità vengono utilizzati per ottenere le letture. "Ogni due secondi prendiamo i dati dalla piastra riscaldante, prendiamo i dati dal sensore ambientale ed eseguiamo una serie di algoritmi che ci sono voluti 15 anni per svilupparli e il risultato è: 'è questo gas, è questa concentrazione' e questo è il trucco", ha detto Rogers.
L'acquisizione degli stessi dati ma la modifica degli algoritmi è stata abilitata NevadaNano per sviluppare dozzine di prodotti basati su modifiche software. Per esample, c'è una nuova razza di refrigerants che sono a basso riscaldamento globale. Ma molti di questi sono nuovi refrigerants, ​​utilizzato nelle unità di condizionamento dell'aria e refrigeratori, ecc., sono infiammabili. Pertanto, tutti i condizionatori residenziali richiederanno sensori di infiammabilità per prevenire una condizione pericolosa. Basato sulle proprietà termodinamiche di quelli refrigeramolecole nt NevadaNano è stato in grado di realizzare un prodotto adatto in modo univoco a quella particolare specie di gas o multiplo, semplicemente apportando una modifica al software. Quindi, nel giro di circa un mese hanno avuto un nuovo prodotto Alpha e hanno iniziato a tirarlo fuori e mostrarlo alla gente.

TARATURA

Ho chiesto a Rogers se avevano bisogno di calibrare ogni sensore per un particolare gas. Ha risposto che dipende da quale gas deve essere rilevato. Per i gas infiammabili standard, utilizzano il metano come gas di calibrazione in fabbrica. "Una volta che abbiamo mostrato il metano del sensore, non dobbiamo quindi calibrarlo su idrogeno, butano, propano: rileva intuitivamente anche tutti gli altri gas". Quindi, per esample, non devono necessariamente utilizzare l'idrogeno in fabbrica per calibrare un sensore specifico per l'idrogeno.

APPLICAZIONI

Ho quindi chiesto a Rogers delle applicazioni tipiche. “Siamo solo il sensore: siamo quel piccolo dispositivo a forma di secchio che viene collegato a un sistema di rilevazione. Ad esempioample, se dovessi andare in una raffineria oggi e dare un'occhiata alle pareti, vedresti molte dozzine di dispositivi che sembrano dei misuratori di potenza." Hanno più sensori collegati, probabilmente incluso un sensore di acido solfidrico, un sensore di ossigeno, un sensore di monossido di carbonio e un sensore di gas infiammabile come l'MPS.
I vigili del fuoco e altri soccorritori che corrono in un edificio in genere indossano quello che viene chiamato un sensore a quattro gas, un piccolo dispositivo delle dimensioni di un telefono cellulare che si trova sulla loro spalla e ha quattro sensori di gas, incluso un MPS.

Riassumendo

Secondo Rogers, l'MPS è la tecnologia più innovativa per la rilevazione dei gas da oltre 30 anni. Supera le carenze delle tecnologie esistenti; è stabile in ampi intervalli operativi, compresi rapidi cambiamenti di temperatura e umidità; è accurato per un elenco di gas infiammabili comuni (incluso l'idrogeno). Inoltre, l'MPS può essere utilizzato per ambienti con presenza di gas multipli o sconosciuti ed è intrinsecamente sicuro, robusto e immune all'avvelenamento.

Questo articolo è stato scritto da Ed Brown, editore di Sensor Technology. Per maggiori informazioni visita qui