Fundamentos de los sensores de gas

Juan Blyler | 15 de marzo de 2021

Detectar la presencia de gases nocivos era una necesidad para los primeros mineros, así como para los fabricantes y consumidores al comienzo de la revolución industrial. Uno de los primeros detectores de gas fue una lámpara de seguridad de llama (o lámpara Davy) inventada por el inventor inglés Sir Humphry Davy en 1815. La lámpara Davy se utilizó para detectar la presencia de metano (grisú) en las minas de carbón subterráneas.

Las técnicas de detección de gas de ayer no pueden compararse con los métodos de hoy. La era del Internet de las cosas (IoT) industrial y de consumo ha permitido que las herramientas de detección de gases ricas en sensores se ocupen de una variedad de tipos de gases nocivos, radiactivos y explosivos. Las tecnologías de gas más comunes incluyen espectrómetro de propiedad molecular (MPS), Pellister (perlas de gato), infrarrojo no dispersivo (NDIR), electroquímico (echem) y detector de fotoionización (PID).

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Cada uno de ellos está diseñado para un tipo específico de gas. Por ejemplo, el MPS, Pellister y NDIR se utilizan para detectar varios hidrocarburos (gases inflamables/combustibles). Por el contrario, los sensores echem y PID son mejores para detectar varios gases tóxicos y compuestos orgánicos volátiles (COV).

¿Cómo deberían abordar los ingenieros la tarea de seleccionar e implementar tecnologías de sensores de gas en sus diseños de IoT/IIoT? Para responder a estas preguntas, Design News se reunió con expertos de NevadaNano. Lo que sigue es una parte de esa discusión.

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Design News: ¿Cómo deberían los diseñadores y fabricantes seleccionar el sensor de gas adecuado?

NevadaNano: La selección del sensor correcto se reduce al tipo de gas que necesita medir y al entorno en el que funcionará el sensor. Para gases como el monóxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno, es mejor usar sistemas de sensores de tecnología electroquímica (o echem) de gases tóxicos. La tecnología PID es una buena opción para aquellos gases que los sensores echem no pueden detectar, como el gas benceno tóxico. Para la detección de gases de hidrocarburos (combustibles/inflamables), las opciones incluirían las tecnologías MPS, NDIR y Pellister. Aquí hay un buen conjunto de requisitos de diseño con los que empezar:

1) ¿Qué gas o gases se van a detectar?

2) ¿Cuál es el rango de detección necesario?

3) ¿Qué condiciones o restricciones ambientales podrían afectar el diseño?

Cada uno de estos sistemas de detección de gas mencionados anteriormente tiene sus propias ventajas y desventajas. Es importante comprender estas diferencias antes de seleccionar la tecnología que se utilizará para una aplicación determinada.

Design News: ¿Cómo se utilizan los sensores de gas en la industria?

NevadaNano: Como puede imaginar, hay muchas variables, como los escenarios operativos, que se deben tener en cuenta al seleccionar la tecnología de detección de gas más adecuada. Muchos detectores de gases industriales permiten la detección fija o portátil. Seleccionar el detector de gas industrial correcto requiere una comprensión de las limitaciones y fortalezas de cada tipo de sensor.

Los dispositivos portátiles y de mano se pueden utilizar para la detección de un solo gas o de varios gases. Este último puede incorporar múltiples tecnologías en un solo dispositivo. Este tipo de detectores se utilizan generalmente para la protección de la persona que lleva el dispositivo.

Los detectores fijos son normalmente dispositivos de detección de un solo gas que a menudo están cableados para monitoreo 24/7/365 en una amplia gama de aplicaciones industriales o comerciales.

Design News: ¿Cómo encajan en las plataformas IoT e IIOT?

NevadaNano: Los datos se han convertido en una herramienta clave para el análisis en una amplia gama de aplicaciones. Cuanto mayor sea la cantidad de datos analizados y procesables, más probable será que los usuarios puedan tomar decisiones informadas. Históricamente, los sensores de gas proporcionaban niveles de gas a nivel local. Lo mismo ocurría con los instrumentos portátiles, donde solo el usuario inmediato tendría acceso a los datos. Finalmente, para instrumentos fijos, los niveles de gas estarían aislados a la instalación.

Al incorporar sensores en las plataformas IoT e IIOT, los datos relacionados con los gases (p. ej., los niveles de gases nocivos) se pueden transmitir en todo el mundo y proporcionar datos en tiempo real para monitores portátiles y fijos. Por ejemplo, un simple detector de gas habilitado para Bluetooth y la aplicación correspondiente proporcionarán al usuario local lecturas actualizadas que luego se pueden compartir automáticamente de forma inalámbrica con su supervisor ubicado en otro lugar cercano o a una gran distancia.

Design News: ¿Qué depara el futuro para los sensores de gas?

NevadaNano: La tecnología de detección de décadas de antigüedad todavía se usa hoy y en el futuro previsible. Sin embargo, los avances en sensores están dando lugar a nuevas tecnologías de mercado, como el sensor de gases inflamables del espectrómetro de propiedades moleculares (MPS).

Se están realizando mejoras adicionales para reducir la frecuencia de las calibraciones. Se proporcionarán más datos para incluir las tasas de fuga, la duración de una fuga de gas, la fuente de la fuga de gas y mucho más. Con los MEMS de semiconductores y las mejoras basadas en nanotecnología, el tamaño y el costo de los sensores seguirán disminuyendo. Esta reducción permitirá el despliegue de un mayor número de sensores proporcionando cada vez más datos.

Se están creando nuevas aplicaciones a nivel mundial. El enfoque legislativo para reducir el calentamiento global es un gran impulsor. Por ejemplo, ahora existen restricciones más estrictas contra las fugas de gas en una longitud aparentemente interminable de tuberías de gas natural en todo el mundo. El uso de sensores para identificar posibles fugas de gas metano de dichas tuberías no solo mejora el impacto en el medio ambiente, sino que también ayuda a reducir la pérdida de productos, mejorando así las ganancias de la industria.

La reducción en el costo del sensor, las mejoras en el análisis de datos del sensor junto con una plataforma IoT o IIOT son habilitadores clave para el despliegue de más sensores para más aplicaciones.

John Blyler es editor sénior de Design News y cubre los espacios de electrónica y fabricación avanzada. Con una licenciatura en ingeniería física y una maestría en ingeniería eléctrica, tiene años de experiencia en sistemas de redes de hardware y software como editor e ingeniero en las industrias de fabricación avanzada, IoT y semiconductores. John es coautor de libros relacionados con la ingeniería de sistemas y la electrónica para IEEE, Wiley y Elsevier.

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