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, the 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 Refrigerant Il sensore di gas rileva refrigeranti a basso riscaldamento globale leggermente infiammabili, 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 la rete a maglie nella parte superiore e colpisce una micropiastra riscaldante sospesa e legata, che ha lo stesso diametro di un capello umano, 100 micron di diametro. La piastra riscaldante può essere riscaldata fino a centinaia di gradi Celsius. La fonte di calore è un riscaldatore Joule, in cui una corrente elettrica viene alimentata attraverso un elemento resistivo come mostrato nell'inserto della Figura 1. La corrente entra da uno dei cavi, gira intorno e esce su quella traccia. "Possiamo misurare la resistenza della piastra riscaldante, che ci fornisce la sua temperatura e anche la potenza impiegata per raggiungere quella temperatura", ha affermato Rogers. La relazione tra la temperatura della piastra e la potenza richiesta per raggiungere quella temperatura è una funzione della conduttività termica dell'aria. Quando l'aria contiene gas, le sue proprietà termiche cambiano. Ad esempio, se nell'aria è presente metano e la piastra riscaldante viene riscaldata, poiché il metano è più conduttivo termicamente dell'aria, sarà necessaria più energia per mantenere la piastra riscaldante alla giusta temperatura rispetto a quando non è presente metano.
La chiave delle sue proprietà uniche è che 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 esempio, il sensore segnala la concentrazione presente e che si tratta di idrogeno, o di un gas medio come il pentano, o di una miscela di idrogeno", ha affermato Rogers. "I sensori di gas tradizionali non hanno mai avuto la capacità di effettuare una classificazione. Ecco cosa ci rende così precisi: perché possiamo regolare la nostra calibrazione per qualsiasi gas presente".

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 decine di prodotti basati su modifiche software. Ad esempio, esiste una nuova generazione di refrigeranti a basso riscaldamento globale. Ma molti di questi nuovi refrigeranti, utilizzati in unità di aria condizionata e frigoriferi, ecc., sono infiammabili. Pertanto, tutti i condizionatori residenziali richiederanno sensori di infiammabilità per prevenire condizioni non sicure. Sulla base delle proprietà termodinamiche di quelle molecole di refrigerante 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 gas specifico. Mi ha risposto che dipende da quale gas deve essere rilevato. Per i gas infiammabili standard, usano il metano come gas calibrante in fabbrica. "Una volta mostrato il metano al sensore, non dobbiamo calibrarlo su idrogeno, butano, propano: rileva intuitivamente anche tutti gli altri gas". Quindi, ad esempio, non devono necessariamente usare l'idrogeno in fabbrica per calibrare un sensore specifico per l'idrogeno.

APPLICAZIONI

Ho poi chiesto a Rogers quali fossero le applicazioni tipiche. "Siamo solo il sensore, siamo quel piccolo dispositivo a forma di secchio che viene collegato a un sistema di rilevazione. Ad esempio, se oggi andassi in una raffineria e guardassi intorno alle pareti, vedresti decine di dispositivi che sembrano contatori di energia elettrica". Hanno più sensori collegati, probabilmente tra cui un sensore di acido solfidrico, un sensore di ossigeno, un sensore di monossido di carbonio e un sensore di gas infiammabili 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.