Sensor multigás MEMS de última geração

A detecção de gases é uma função crítica, mas a tecnologia não mudou em décadas. Então, quando ouvi falar de um novo tipo de sensor da NevadaNano (Sparks, NV), decidi entrevistar Ben Rogers, seu diretor de engenharia.

Espectrômetro de propriedade molecular

Eles chamam seu sensor, um dispositivo baseado em MEMS, de Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

O Sensor de Gás Inflamável MPS pode detectar e identificar as concentrações de 12 dos gases combustíveis mais comuns, incluindo hidrogênio; o Sensor de Gás Metano MPS foi projetado para monitorar vazamentos de metano para as indústrias de petróleo e gás; o Sensor de Gás Refrigerante MPS detecta refrigerantes de baixo aquecimento global levemente inflamáveis ​​— todos baseados na mesma tecnologia. De acordo com Rogers, seu sensor é muito mais preciso e confiável do que o Pellistor tradicional (sensor de cordão catalítico) e o sensor infravermelho não dispersivo (NDIR). A maioria dos sensores tradicionais tem um revestimento que excita algum tipo de reação química. O problema é que, com o tempo, os locais de detecção que permitem a reação podem ser arruinados. O MPS, no entanto, é uma superfície inerte à base de silício, que não requer nenhuma reação química. Ele aquece, mede as propriedades termodinâmicas do ar e depois esfria novamente, para que possa durar 10 anos ou mais sem qualquer calibração, de acordo com Rogers.

Identificando um gás

O MPS é construído em um pacote de cerca de uma polegada, conforme mostrado na Figura 1. O ar a ser testado entra pela tela de malha na parte superior e colide com uma microplaca de aquecimento suspensa e amarrada, que tem o mesmo diâmetro de um fio de cabelo humano — 100 mícrons de diâmetro. A placa de aquecimento pode ser aquecida até centenas de graus Celsius. A fonte de calor é um aquecedor Joule, no qual uma corrente elétrica é alimentada através de um elemento resistivo, conforme mostrado na figura 1. A corrente entra em uma das amarras, gira e sai nesse traço. “Podemos medir a resistência da placa de aquecimento, que nos dá sua temperatura e também a potência necessária para atingir essa temperatura”, disse Rogers. A relação entre a temperatura da placa e a potência necessária para atingir essa temperatura é uma função da condutividade térmica do ar. Quando o ar contém gases, suas propriedades térmicas mudam. Por exemplo, se o metano estiver presente no ar e a placa de aquecimento for aquecida, uma vez que o metano é termicamente mais condutor do que o ar, é necessária mais energia para manter a placa de aquecimento na temperatura certa do que quando o metano não está presente.

Chave para suas propriedades únicas, o MPS é um dispositivo MEMS, produzido de forma semelhante aos chips de silício:em uma fundição; e por ser um dispositivo MEMS, requer muito pouca energia para operar. “Nunca houve um sensor de combustível antes que pudesse informar a classe de gás que você está detectando. Quando fazemos uma detecção, também fornecemos uma classificação. Por exemplo, o sensor informa a concentração presente e que é hidrogênio, ou um gás médio como o pentano, ou uma mistura de hidrogênio”, disse Rogers. “Os sensores de gás tradicionais nunca tiveram a capacidade de fazer classificação. É isso que nos torna tão precisos:porque podemos ajustar nossa calibração para qualquer gás que esteja lá.”

Concentração

A unidade de concentração que importa é o Limite Explosivo Inferior (LEL), que é a concentração mais baixa (por volume percentual) de um gás no ar capaz de produzir uma chama de fogo na presença de uma fonte de ignição. Como os usuários desejam saber o quão próximo estão de 50% do LEL, a capacidade de identificar qual gás está presente é importante porque o LEL para cada gás é diferente.

A Figura 2 mostra gráficos de concentração fornecida versus concentração relatada. Ele ilustra um dos principais problemas com sensores neste espaço. Um sensor perfeito informa exatamente o que é relatado - ele vai até o meio. Um sensor que super-relata a concentração acionará um alarme muito cedo, dando um falso positivo caro. A subnotificação dá um falso negativo, o que é perigoso. Idealmente, você gostaria que a curva ficasse bem no meio. Como pode ser visto no gráfico à direita, a precisão do sensor MPS está correta para sete gases diferentes.

O que torna o MPS tão preciso é que a calibração é ajustada automaticamente em tempo real pelo software do sensor para qualquer gás presente.

MPS vs Sensores de Gás Tradicionais

Um sensor NDIR é normalmente calibrado para metano, de modo que o gráfico de entregue versus relatado para metano é de um para um (Figura 3, à esquerda). Mas para todos esses outros gases que você normalmente encontra nessas aplicações, ele relatará muito mais do que isso - ele lerá muito alto. E também é propenso a falsos positivos quando a umidade ou a temperatura mudam de forma relativamente rápida. É importante ressaltar que ele não vê hidrogênio, que está se tornando um gás cada vez mais importante em todo o mundo para muitas aplicações.

A pérola catalítica (conta de gato) é o outro sensor neste espaço ( Figura 3, à direita). Quando você o calibra para metano, está correto para metano, mas se você encontrar qualquer um desses outros gases típicos nessas aplicações, a leitura será baixa. Além disso, com o tempo, a conta do gato, que depende de uma reação catalítica, fica facilmente envenenada. Se alguém estiver na mesma sala que este sensor usando creme para as mãos, isso é suficiente para envenená-lo e não funcionar mais.

Ou se você for bombeiro e encerar o caminhão naquele dia, todos os sensores do seu prédio podem estar envenenados. Portanto, requer manutenção frequente e cara - você precisa verificar regularmente - alguns lugares os verificam todos os dias ou todos os meses para evitar que sejam envenenados.

“Conforme mostrado na Figura 2, nosso sensor também segue uma trajetória bem no meio, em termos de concentração entregue versus relatada. Somos altamente precisos para todos esses gases, embora o MPS seja calibrado apenas na fábrica para metano. Mas por causa de como interrogamos o ar, somos realmente capazes de determinar qual gás está presente, o que é sem precedentes”, disse Rogers.

Algoritmos

“Somos bons em duas coisas”, disse Rogers. “Uma está construindo o sensor de placa quente, que levou anos de desenvolvimento. E dois, aprender a falar com aquele fogão.” O dispositivo básico é bastante simples - apenas um resistor aquecido e uma medição de temperatura. Como essa informação é usada é fundamental para o funcionamento do sensor. Os dados provenientes da placa de aquecimento juntamente com os dados provenientes de um sensor ambiental que mede temperatura, pressão e umidade são usados ​​para obter as leituras. “A cada dois segundos, pegamos os dados da placa de aquecimento, pegamos os dados do sensor ambiental e executamos um monte de algoritmos que levaram 15 anos para desenvolver e sair:'é esse gás, é essa concentração' e esse é o truque”, disse Rogers.

A coleta dos mesmos dados, mas alterando os algoritmos, permitiu que a NevadaNano desenvolvesse dezenas de produtos baseados em alterações de software. Por exemplo, há uma nova geração de refrigerantes que reduzem o aquecimento global. Mas muitos desses novos refrigerantes, usados ​​em aparelhos de ar condicionado e refrigeradores, etc., são inflamáveis. Portanto, todos os condicionadores de ar residenciais exigirão sensores de inflamabilidade para evitar uma condição insegura. Com base nas propriedades termodinâmicas dessas moléculas de refrigerante, NevadaNano foi capaz de criar um produto exclusivamente adequado para essa espécie específica de gás ou múltiplo, apenas fazendo uma alteração no software. Então, em cerca de um mês eles tinham um novo produto Alpha e começaram a lançá-lo e mostrá-lo às pessoas.

Calibração

Perguntei a Rogers se eles precisavam calibrar cada sensor para um gás específico. Ele respondeu que depende de qual gás precisa ser detectado. Para os gases inflamáveis ​​padrão, eles usam metano como gás de calibração na fábrica. “Uma vez que mostramos o metano do sensor, não precisamos calibrá-lo para hidrogênio, butano, propano – ele também detecta intuitivamente todos os outros gases.” Assim, por exemplo, eles não precisam necessariamente usar hidrogênio na fábrica para calibrar um sensor específico para hidrogênio.

Aplicativos

Perguntei então a Rogers sobre aplicações típicas. “Somos apenas o sensor – somos aquele pequeno dispositivo em forma de balde que é conectado a um sistema detector. Por exemplo, se você fosse a uma refinaria hoje e olhasse nas paredes, veria muitas dezenas de dispositivos que parecem medidores de energia elétrica.” Eles têm vários sensores conectados a eles, provavelmente incluindo um sensor de sulfeto de hidrogênio, um sensor de oxigênio, um sensor de monóxido de carbono e um sensor de gás inflamável, como o MPS.

Bombeiros e outros socorristas que entram em um prédio normalmente usam o que é chamado de sensor de quatro gases – um pequeno dispositivo do tamanho de um telefone celular que fica no ombro e tem quatro sensores de gás, incluindo um MPS.

Resumindo

Segundo Rogers, o MPS é a tecnologia mais inovadora para detecção de gás em mais de 30 anos. Supera as deficiências das tecnologias existentes; é estável em amplas faixas de operação, incluindo mudanças rápidas de temperatura e umidade; é preciso para uma lista de gases inflamáveis ​​comuns (incluindo hidrogênio). Além disso, o MPS pode ser usado para ambientes com gases múltiplos ou desconhecidos presentes e é intrinsecamente seguro, robusto e imune a envenenamento.

Este artigo foi escrito por Ed Brown, editor da Sensor Technology. Para mais informações, visite aqui .