Prácticas correctas e incorrectas en el uso de los sensores de COV

Robin Mitchell para Mouser Electronics

El término "volátil" a menudo se utiliza para describir algo como sensible, peligroso o explosivo, pero su significado científico es algo divergente. En términos científicos, "volátil" se refiere a una sustancia que tiene una alta presión de vapor, de modo que la sustancia se convertirá fácilmente de sólido o líquido a gas. El grado en que un compuesto se considera volátil está relacionado con un entorno a temperatura ambiente y presión estándar al nivel del mar. Como tal, los compuestos orgánicos volátiles (COV) son cualquier compuesto orgánico que tiene una alta presión de vapor.

Aunque el término "volátil" no necesariamente significa explosivo o inflamable, la mayoría de los COV son inflamables y muchos pueden ser explosivos en concentraciones bajas. Debido a esto, la sensibilidad de los COV presenta a los ingenieros desafíos significativos en entornos expuestos a una fuente de ignición, donde los COV pueden encenderse por contactos eléctricos, interruptores e incluso la electricidad estática causada por la ropa.

Los COV son ampliamente encontrados en procesos industriales y en la naturaleza. Ejemplos incluyen el sulfuro de hidrógeno en la producción de petróleo y el etanol (alcohol) en la fermentación natural (sin embargo, los riesgos asociados al etanol suelen presentarse durante la destilación y no a través de la fermentación natural).

Los COV también pueden ser obtenidos de manera sintética, y estos COV son comúnmente utilizados como refrigerantes debido a su alta presión de vapor. La compresión, enfriamiento y posterior vaporización de un COV puede ser utilizada para obtener bajas temperaturas, lo que hace que los COV sean ideales para aplicaciones como bombas de calor.

Una amplia variedad de sensores está disponible para medir estos COV y cada tecnología tiene ventajas y desventajas distintas. La implementación de cualquier tecnología de sensor de COV requiere una consideración significativa del entorno en el que se utilizará, así como de la naturaleza del proceso de fabricación.

Aplicaciones típicas para sensores de COV

Con mucho, una de las aplicaciones más críticas de los sensores de COV es la supervisión de gases explosivos. Un entorno que conlleve el riesgo de acumulación de COV siempre requerirá un sistema de detección de gases para alertar a cualquiera que se encuentre cerca. Por ejemplo, la perforación y producción de petróleo y gas requieren sistemas de detección de gases porque la liberación de sulfuro de hidrógeno del proceso puede ser mortal para los trabajadores (ya sea por una explosión o por envenenamiento). Los sensores de COV también son útiles para detectar fugas de gas. Cuando se conecta a una varita portátil o a un dispositivo personal para llevar puesto, un sensor de COV puede ayudar a los ingenieros a identificar la fuente potencial de una fuga.

La presencia de COV afecta también la calidad del aire, especialmente en el interior de los edificios. Los administradores de instalaciones pueden colocar sensores de COV en sistemas de calidad del aire donde la acumulación de COV clave pueda indicar una mala calidad del aire. Luego, dicho sistema puede estar vinculado al sistema de aire acondicionado del edificio y permitir la entrada de aire fresco.

Finalmente, los sensores de COV son fundamentales para monitorear los gases de escape de los vehículos. Un vehículo que quema su combustible correctamente solo producirá dióxido de carbono y agua, pero un motor que no funcione de manera óptima producirá COV (entre otras cosas). Las instalaciones de prueba pueden utilizar un detector de COV para verificar el rendimiento y la eficiencia de un motor.

Desafíos en el uso de la tecnología de sensores para medir COV

Como se mencionó anteriormente, los COV pueden presentar un grave riesgo de explosión o incendio; por lo tanto, cualquier sensor utilizado para medir COV debe hacerlo sin encender el COV. Los sensores cuyos componentes eléctricos están expuestos pueden generar una chispa en condiciones de falla, y dicha chispa podría encender el COV. Por lo tanto, los métodos de detección directa que exponen conductores deben incorporar disipadores de fuego (es decir, sistemas que eviten que una mezcla encendida cause un efecto en cascada) o asegurarse de que no puedan formarse chispas entre los conductores.

Además, el potencial de que los COV sean peligrosos en concentraciones bajas dificulta la detección a estos niveles. Intentar detectar un compuesto en niveles de partes por millón (ppm) presenta una multitud de desafíos para un detector. Los COV también son altamente reactivos, lo que significa que es difícil detectar un COV específico si el detector en cuestión utiliza una unión química (es decir, un detector solo reconocería la presencia de un COV, pero no cuál COV está presente).

Tipos de sensores de COV

Sensores basados en semiconductores de óxido metálico
Uno de los sensores de gas más comunes en el mercado es el sensor de gas de semiconductor de óxido metálico (MOS), que utiliza un método de detección directa en el cual los gases bajo detección hacen contacto físico con el material de detección. Para detectar COV, los sensores MOS utilizan un pequeño elemento calefactor que oxida el COV. Este compuesto oxidado posteriormente reacciona con una capa de óxido metálico (generalmente óxido de estaño), lo que cambia la resistencia de la capa.

Si bien estos sensores suelen ser los más económicos y fáciles de implementar, también presentan numerosos desafíos. Los sensores MOS utilizan un pequeño calentador que necesita tiempo para calentarse y volverse operativo; esto también significa que no se pueden encender y apagar rápidamente. En segundo lugar, estos sensores pueden requerir hasta 48 horas de tiempo de reposo antes de poder ser calibrados, lo que crea desafíos al trabajar con un producto fabricado.

Debido a que los sensores MOS reaccionan con compuestos orgánicos e inorgánicos, ofrecen poca o ninguna discriminación (es decir, detectarán la presencia de todos los compuestos volátiles), lo que lleva a una baja precisión y baja sensibilidad. Además, utilizar un calentador incorporado para oxidar los COV presenta un riesgo de ignición. Aunque muchos sensores MOS incluyen gabinetes para evitar la ignición, los sensores MOS dañados podrían ser extremadamente peligrosos en entornos en lo que es frecuente esperar fugas de COV.

Sensores de detección de fotoionización
Los sensores de detección de fotoionización (PID) utilizan luz de alta frecuencia para descomponer las moléculas de COV, y las moléculas resultantes se rompen creando una corriente eléctrica que se puede medir. Los sensores PID ofrecen un alto grado de precisión, son sensibles a concentraciones tan bajas como 0.5 partes por mil millones (ppb) y reaccionan a los cambios en las concentraciones en cuestión de segundos.

La selectividad en los sensores PID puede lograrse parcialmente mediante el uso de una frecuencia específica de luz, que proporcionará una cantidad conocida de energía a cada molécula. Esto está definido por la relación de Planck (E=hf), que establece que la energía de una onda electromagnética está directamente relacionada con su frecuencia. Debido a que COV específicos tendrán ciertas energías de activación, un sensor PID ignorará los COV por debajo de una energía particular, pero reaccionará para aquellos por encima de este límite.

Sin embargo, los sensores de detección de fotoionización (PID) podrían no funcionar correctamente en entornos húmedos, y sus aplicaciones se ven limitadas debido a su incapacidad para detectar pequeñas moléculas de COV como el metano. Además, los sensores PID generalmente funcionan con grupos funcionales, pero no con cadenas de hidrocarburos.

Sensores electroquímicos
Los sensores electroquímicos son similares a los sensores MOS en el sentido de que oxidan un COV para producir una corriente eléctrica. Mientras que los sensores MOS utilizan un elemento calefactor para quemar físicamente el gas, un sensor electroquímico utiliza una membrana que permite que un COV se disperse (junto con el oxígeno) y se combine químicamente en un sitio de activación. Esta capa de difusión elimina el riesgo de explosión al tiempo que permite que el sensor funcione con resoluciones de hasta 10 ppb (partes por mil millones).

Los sensores electroquímicos son rentables y tienen tiempos de respuesta de alrededor de 30 segundos. Además, estos sensores utilizan un voltaje base que permite la selectividad, lo que puede ser ideal para identificar un COV específico. Sin embargo, su estructura implica que tienen una vida útil corta de menos de dos años (en general) y deben reemplazarse con frecuencia.       

Sensores inteligentes
Algunos sensores de COV van un paso más allá al integrar inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML). Estos sensores utilizan modelos especialmente entrenados que toman los gases detectados como información y luego utilizan esa información para ayudar a clasificar los COV.

Al realizar la clasificación directamente en el sensor, este puede proporcionar al sistema datos más detallados y valiosos que se pueden utilizar para la toma de decisiones. Llevar la inteligencia al sistema también tiene la ventaja de descargar los requisitos de procesamiento del resto del sistema.

Sensores de detección de ionización en llama
Los sensores de detección de ionización en llama (FID) utilizan una llama de hidrógeno colocada entre dos electrodos. En condiciones normales, la llama de hidrógeno no produce iones ya que el hidrógeno se quema completamente en vapor de agua. Sin embargo, cualquier COV que se queme bajo la llama producirá iones, que pueden ser detectados a través de los electrodos, y el tamaño de la corriente resultante representa la concentración del COV.

Los FID son de bajo costo, requieren un mantenimiento mínimo y son extremadamente resistentes para garantizar un funcionamiento adecuado. Además, los FID son extremadamente lineales en el sentido de que la corriente producida es proporcional a la concentración de COV. Sin embargo, los FID son sensores destructivos, es decir, el COV que se está midiendo es destruido. Como tal, los FID no se pueden utilizar donde sea necesario dejar el COV sin alterar. También introducen un riesgo de explosión, ya que dependen de una fuente de hidrógeno que podría escapar si no se instala correctamente.

Sensores fotoacústicos
Los sensores fotoacústicos se basan en el principio fotoacústico según el cual la luz absorbida da lugar a la generación de ondas sonoras. Esencialmente, un sensor fotoacústico utiliza un emisor de infrarrojos (IR) para calentar rápidamente un gas, y las ondas sonoras resultantes producidas por la absorción de la luz IR son detectadas con un pequeño micrófono integrado. Los sensores fotoacústicos son poco comunes, y aquellos que existen suelen utilizarse para la detección de dióxido de carbono. No obstante, actualmente se están llevando a cabo investigaciones para desarrollar sensores fotoacústicos destinados a aplicaciones de detección de COV.

Los sensores fotoacústicos tienen grandes ventajas en el sentido de que pueden distinguir entre diferentes gases que producen diferentes ondas sonoras. Además, el uso de una fuente de luz selectiva presenta una posibilidad teórica de una mayor selectividad, ya que algunos gases absorberán mejor longitudes de onda de luz específicas que otros.

Consideraciones para la integración del diseño

Cuando se incorpora un sensor de COV en una aplicación, los ingenieros deben considerar una multitud de opciones de diseño. A diferencia de la mayoría de los componentes electrónicos, los sensores de COV pueden ser extraordinariamente sensibles a los productos químicos, las variaciones de temperatura y la humedad en el entorno. Además, muchos tendrán una pestaña o cubierta de plástico para evitar daños al sensor durante la fabricación.

Cuando se incorpora un sensor de COV en un dispositivo, los ingenieros deben considerar la temperatura y la humedad del entorno. Algunos sensores de COV no funcionarán correctamente cuando se exponen a temperaturas y humedad extremas, lo que puede ser desastroso en aplicaciones de seguridad.

También se deben considerar los gases que se pueden esperar en el entorno. Algunos compuestos (como el amoníaco y los óxidos de nitrógeno) pueden causar falsas alarmas en los sensores de COV. Además, algunos compuestos incluso pueden contaminar un sensor, lo que significa que su funcionamiento ya no será confiable si se expone a ellos.

Dado que un detector de COV requiere exposición al entorno monitoreado, los ingenieros deben incorporar aberturas en la carcasa del sensor. El detector y la abertura también deben posicionarse de manera que el gas pueda fluir fácilmente a través de ellos (es decir, por convección); de lo contrario, el aire atrapado en el dispositivo podría dar lugar a mediciones incorrectas.

Los sensores que producen una salida analógica deben montarse lejos de circuitos ruidosos, como fuentes de alimentación conmutadas y microcontroladores. Además, las líneas analógicas que van desde el sensor hasta un circuito de detección no deben permitir que señales de alta velocidad crucen las líneas del sensor (consulte las prácticas estándar de compatibilidad electromagnética e interferencia electromagnética).

Otra consideración es cómo el resto del sistema utilizará los resultados del sensor. Por ejemplo, si los resultados del sensor se utilizarán como información para un modelo de clasificación de ML, puede ser una buena opción utilizar una solución que ya integre capacidades de ML en el propio sensor.

Finalmente, algunos sensores de COV tienen aberturas que permiten que el gas se disperse dentro y fuera del sensor. Debido a que estas aberturas deben estar despejadas, los ingenieros deben prestar mucha atención para evitar que sufran de obstrucciones como el polvo.

Cómo seleccionar el sensor de COV correcto

Los sensores MOS son más adecuados para aplicaciones no críticas debido al riesgo potencial (aunque poco probable) de explosión. Por ejemplo, la simplicidad y el bajo costo de los sensores MOS los convierten en una opción atractiva para sistemas de calidad del aire utilizados para monitorear hogares. Además, los sensores MOS son lo suficientemente pequeños como para que los ingenieros puedan instalarlos fácilmente dentro de gabinetes discretos.

Los sensores PID son ideales para aplicaciones industriales que requieren altos niveles de confiabilidad y seguridad. Con su capacidad para detectar concentraciones mínimas de COV, los sensores PID son ideales para alarmas de detección temprana. Su selectividad energética les permite ignorar COV bajo energías específicas; sin embargo, aún seguirán reaccionando ante COV iguales o superiores al nivel de energía configurado.

Los sensores electroquímicos son ideales para su uso en entornos explosivos debido a que cuentan con una capa de difusión. Su capacidad para detectar bajas concentraciones también los hace adecuados para detectar fugas en infraestructuras cruciales como tuberías y plataformas petrolíferas. Sin embargo, los sensores electroquímicos deben diseñarse para ser fácilmente reemplazables debido a su corta vida útil.

Algunos sensores, como el Bosch BME688 AI Gas Sensor, mejoran el diseño del sensor al integrar funcionalidades inteligentes en el propio sensor. El BME688 es el primer sensor de gas de la industria con inteligencia artificial incorporada en el chip, lo que permite la detección y clasificación de gases para respuestas mejoradas específicas de la aplicación. Esta característica, combinada con la alta sensibilidad del sensor, el bajo consumo de energía y su pequeño tamaño, lo convierte en una solución conveniente para aplicaciones como dispositivos conectados y hogares inteligentes.

Conclusión

Los COV presentan a los ingenieros todo tipo de desafíos: pueden representar un riesgo de explosión, son difíciles de detectar en concentraciones pequeñas y vienen en muchas formas diferentes.

Existe una amplia variedad de sensores de COV, y cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas. Los sensores MOS son ideales para aplicaciones de bajo costo, pero pueden tener un rendimiento deficiente en entornos húmedos y presentar riesgo de explosión. Los sensores PID no ofrecen una gran selectividad, pero pueden responder a cambios muy bruscos en los niveles de COV. Los sensores electroquímicos proporcionan una excelente selectividad, pero deben reemplazarse con frecuencia.

Al implementar cualquier tecnología de sensor de COV, los ingenieros deben considerar cuidadosamente el entorno en el que se utilizará, así como la naturaleza del proceso de fabricación del sensor.