Requisitos essenciais para sensores VOC

Robin Mitchell para Mouser Electronics

O termo volátil é usado frequentemente para descrever algo como sensível, perigoso ou explosivo, mas existe muita divergência em seu significado científico. Em termos científicos, volátil refere-se a uma substância que tem uma alta pressão de vapor, de modo que a substância é facilmente transformada de um sólido ou líquido em um gás. O grau em que um composto é considerado volátil é referente a um ambiente à temperatura ambiente e à pressão padrão ao nível do mar. Sendo assim, os compostos orgânicos voláteis (VOCs) são qualquer composto orgânico que tenha alta pressão de vapor.

Embora o termo volátil não signifique necessariamente explosivo ou combustível, a maioria dos VOCs é inflamável e muitos podem ser explosivos em baixas concentrações. Sendo assim, a sensibilidade dos VOCs apresenta aos engenheiros desafios significativos em ambientes expostos a uma fonte de ignição, na qual os VOCs podem ser inflamados por contatos elétricos, interruptores e até mesmo eletricidade estática causada por roupas.

Os VOCs são amplamente encontrados em processos industriais e na natureza. Os exemplos incluem sulfeto de hidrogênio na produção de petróleo e etanol (álcool) na fermentação natural (no entanto, os riscos do etanol são geralmente introduzidos durante a destilação e não durante a fermentação natural).

Os VOCs também podem ser obtidos a partir de meios sintéticos, e esses VOCs são comumente usados como refrigerantes graças à sua alta pressão de vapor. A compressão, o resfriamento e a subsequente vaporização de um VOC podem ser usados para atingir baixas temperaturas, o que torna os VOCs ideais para aplicações como bombas de calor.

Uma ampla variedade de sensores está disponível para medir esses VOCs, e cada tecnologia traz vantagens e desvantagens distintas. A implementação de qualquer tecnologia de sensor VOC exige a consideração significativa do ambiente em que o sensor será usado, bem como da natureza do processo de fabricação.

Aplicações típicas para os sensores VOC

Sem dúvida, uma das aplicações mais críticas para os sensores VOC é o monitoramento de gases explosivos. Um ambiente em que existe o risco de acúmulo de VOCs sempre exigirá um sistema de detecção de gás para alertar as pessoas que estiverem nas proximidades. Por exemplo, a perfuração e a produção de petróleo e gás exigem sistemas de detecção de gás porque a liberação de sulfeto de hidrogênio do processo pode ser fatal para os operários (por explosão ou envenenamento). Os sensores VOC também são úteis para detectar vazamentos de gás. Quando conectado a uma haste portátil ou dispositivo pessoal vestível, um sensor VOC pode ajudar os engenheiros a identificar a fonte potencial de um vazamento.

A presença de VOCs no ar também afeta a qualidade do ar, especialmente no interior dos edifícios. Os gerentes de instalações podem colocar sensores VOC em sistemas de qualidade do ar nos quais o acúmulo de VOCs importantes pode indicar má qualidade do ar. Esse sistema pode então ser vinculado ao sistema de ar condicionado de um edifício e bombear ar fresco.

Finalmente, os sensores VOC são críticos para o monitoramento de gases de escapamento de veículos. Um veículo que queima seu combustível corretamente produzirá apenas dióxido de carbono e água, mas um motor que não funciona de maneira ideal produzirá VOCs (entre outras coisas). As instalações de teste podem usar um sensor VOC para verificar o desempenho e a eficiência de um motor.

Desafios no uso da tecnologia de sensores para medir VOCs

Conforme afirmado anteriormente, os VOCs podem apresentar um risco severo de explosão ou incêndio; sendo assim, qualquer sensor utilizado para medir um VOC precisa fazê-lo sem ignição do VOC. Os sensores que expõem componentes elétricos a VOCs podem gerar uma faísca em condições de falha, e essa faísca pode inflamar o VOC. Portanto, os métodos de detecção direta que expõem os condutores devem incorporar detectores de incêndio (isto é, sistemas que evitam que uma mistura inflamada cause um efeito cascata) ou garantir que não haja formação de faíscas entre os condutores.

Além disso, o potencial de VOCs serem perigosos em baixas concentrações dificulta a detecção nesses níveis. A tentativa de detecção de um composto em níveis de partes por milhão (ppm) apresenta uma infinidade de desafios para um sensor. Os VOCs também são altamente reativos, o que significa que tentar detectar um VOC específico é difícil se o sensor em questão usar ligação química (ou seja, um sensor só reconheceria a presença de um VOC e não a identidade do VOC que está presente)

Tipos de sensores VOC

Sensores semicondutores de óxido-metal
Um dos sensores de gás mais comuns no mercado é o sensor de gás semicondutor de óxido-metal (MOS), que utiliza um método de detecção direta pelo qual os gases sendo detectados fazem contato físico com o material de detecção. Para detectar VOCs, os sensores MOS utilizam um pequeno elemento de aquecimento que oxida o VOC. Este composto oxidado reage com uma camada de óxido-metal (geralmente óxido de estanho) que altera a resistência da camada.

Embora geralmente sejam os mais econômicos e mais fáceis de implementar, esses sensores apresentam vários desafios. Os sensores MOS usam um pequeno aquecedor que requer tempo para aquecer e estar operacional; isso também significa que eles não podem ser ligados e desligados rapidamente. Em segundo lugar, esses sensores podem exigir um tempo de estabilização de até 48 horas antes de serem calibrados, criando desafios ao trabalhar com um produto manufaturado.

Uma vez que reagem com compostos orgânicos e inorgânicos, os sensores MOS oferecem pouca ou nenhuma discriminação (ou seja, detectam a presença de todos os compostos voláteis), resultando em baixa precisão e baixa sensibilidade. Além disso, o uso de um aquecedor integrado para oxidar VOCs apresenta um risco de ignição. Embora muitos sensores MOS incluam gaiolas para prevenir ignição, os sensores MOS danificados podem ser extremamente perigosos para ambientes nos quais frequentemente são esperados vazamentos de VOC.

Sensores de detecção de fotoionização
Os sensores de detecção de fotoionização (PID) utilizam luz de alta frequência para quebrar as moléculas de VOC, e as moléculas quebradas resultantes criam uma corrente elétrica que pode ser medida. Os sensores PID oferecem alto grau de precisão, são sensíveis a concentrações tão baixas quanto 0,5 partes por bilhão (ppb) e reagem em segundos a mudanças nas concentrações.

A seletividade em PIDs pode ser parcialmente obtida com o uso de uma frequência específica de luz, que fornecerá uma quantidade conhecida de energia para cada molécula. Isso é definido pela relação de Planck (E=hf), que afirma que a energia de uma onda eletromagnética está diretamente relacionada à sua frequência. Uma vez que VOCs específicos terão determinadas energias de ativação, um sensor PID irá ignorar os VOCs sob uma determinada energia, mas reagirá para os VOCs acima desse limite.

No entanto, os PIDs podem não funcionar adequadamente em ambientes úmidos e suas aplicações são limitadas em razão da incapacidade de detectar pequenas moléculas de VOC, como o metano. Além disso, os sensores PID em geral trabalham com grupos funcionais, mas não com cadeias de hidrocarbonetos.

Sensores eletroquímicos
Os sensores eletroquímicos são semelhantes aos sensores MOS, visto que oxidam um VOC para produzir uma corrente elétrica. Enquanto os sensores MOS usam um elemento de aquecimento para queimar fisicamente o gás, um sensor eletroquímico usa uma membrana que permite que um VOC disperse (junto com o oxigênio) e combine quimicamente em um local de ativação. Essa camada de difusão remove o risco de explosão e, ao mesmo tempo, permite que o sensor opere em resoluções de até 10 ppb.

Os sensores eletroquímicos são econômicos e têm tempos de resposta de cerca de 30 segundos. Além disso, esses sensores usam uma tensão de base que permite seletividade, o que pode ser ideal para a identificação de um VOC específico. No entanto, sua construção significa que a vida útil desses sensores é curta, menos de dois anos (típico) e eles devem ser substituídos com frequência.       

Sensores inteligentes
Alguns sensores VOC levam as coisas um passo adiante por integrarem inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML). Esses sensores utilizam modelos especialmente treinados que usam os gases detectados como uma entrada e, em seguida, usam essa entrada para ajudar a classificar os VOCs.

Ao realizar a classificação diretamente no sensor, o sensor pode oferecer ao sistema dados mais detalhados e valiosos que podem ser usados para a tomada de decisões. Trazer a inteligência para o sistema também traz o benefício de descarregar os requisitos de computação do restante do sistema.

Sensores de detecção de ionização de chama
Os sensores de detecção de ionização de chama (FID) usam uma chama de hidrogênio colocada entre dois eletrodos. Sob condições nominais, a chama de hidrogênio não produz íons, uma vez que o hidrogênio é totalmente queimado em vapor de água. No entanto, qualquer VOC que queime sob a chama produzirá íons, que podem ser detectados por meio de eletrodos, e o tamanho da corrente resultante representa a concentração do VOC.

Os sensores FIDs têm baixo custo, exigem pouca manutenção e são extremamente robustos para garantir a operação adequada. Além disso, os FIDs são extremamente lineares, uma vez que a corrente produzida é proporcional à concentração de VOC. No entanto, os FIDs são sensores destrutivos; ou seja, o VOC sendo medido é destruído. Sendo assim, os FIDs não podem ser usados em um ambiente em que um VOC deva permanecer inalterado. Eles também apresentam um risco de explosão, por dependerem de uma fonte de hidrogênio que pode vazar se não estiver instalada corretamente.

Sensores fotoacústicos
Os sensores fotoacústicos são baseados no princípio fotoacústico pelo qual a luz absorvida resulta na produção de ondas sonoras. Essencialmente, um sensor fotoacústico utiliza um emissor de radiação infravermelha (IR) para aquecer um gás rapidamente, e as ondas sonoras resultantes produzidas pela absorção da luz infravermelha são detectadas por um pequeno microfone integrado. Os sensores fotoacústicos são raridade, e os que existem são normalmente usados para a detecção de dióxido de carbono. No entanto, existem pesquisas em desenvolvimento para produzir sensores fotoacústicos para uso em aplicações VOC.

Os sensores fotoacústicos apresentam a vantagem de fazer a distinção entre diferentes gases que produzem diferentes ondas sonoras. Além disso, o uso de uma fonte de luz seletiva apresenta uma possibilidade teórica de maior seletividade, visto que alguns gases absorvem comprimentos de onda de luz específicos melhor do que outros.

Considerações para a integração de projeto

Ao incorporar um sensor VOC em uma aplicação, os engenheiros devem considerar uma infinidade de opções de projeto. Ao contrário da maioria dos componentes eletrônicos, os sensores VOC podem ser extraordinariamente sensíveis a produtos químicos, variações de temperatura e umidade no ambiente. Além disso, muitos terão uma aba ou tampa de plástico para evitar danos ao sensor durante a fabricação.

Durante a incorporação de um sensor VOC em um dispositivo, os engenheiros devem considerar a temperatura e a umidade do ambiente. Alguns sensores VOC não funcionarão corretamente quando expostos a temperaturas e umidade extremas, o que pode ser desastroso em aplicações de segurança.

Os gases que podem ser esperados no ambiente também devem ser considerados. Alguns compostos (por exemplo, amônia e óxidos de nitrogênio) podem acionar alarmes falsos em sensores de VOC. Além disso, alguns compostos podem até envenenar um sensor, fazendo com que seu funcionamento deixe de ser confiável se exposto.

Um vez que um sensor de VOC exige exposição ao ambiente monitorado, os engenheiros devem incorporar respiradouros no invólucro do sensor. O sensor e a ventilação também devem ser posicionados de forma que o gás possa fluir facilmente (ou seja, convecção); caso contrário, o ar retido no dispositivo pode resultar em medições falsas.

Os sensores que produzem uma saída analógica devem ser montados longe de circuitos ruidosos, como fontes de alimentação e microcontroladores. Além disso, as linhas analógicas originadas do sensor para um circuito detector não devem permitir que sinais de alta velocidade cruzem as linhas do sensor (consulte as práticas padrão de compatibilidade eletromagnética e interferência eletromagnética).

Outra consideração é como o restante do sistema usará a saída do sensor. Por exemplo, se a saída do sensor for usada como entrada para um modelo de classificação de aprendizado de máquina (ML), uma boa opção pode ser utilizar uma solução que já integre recursos de ML no próprio sensor.

Finalmente, alguns sensores VOC têm aberturas para permitir a difusão do gás para dentro e para fora do sensor. Como essas aberturas devem estar desobstruídas, os engenheiros devem estar muito atentos para protegê-las de bloqueios como poeira.

Escolha do sensor VOC certo

Os sensores MOS são mais adequados para aplicações não críticas devido ao risco potencial (embora improvável) de explosão. Por exemplo, a simplicidade e o baixo custo dos sensores MOS fazem com que eles sejam uma opção atraente para sistemas de qualidade do ar usados para monitorar residências. Além disso, os sensores MOS são suficientemente pequenos para que os engenheiros possam montá-los facilmente dentro de gabinetes de baixo perfil.

Os sensores PID são ideais para aplicações industriais que exigem altos níveis de confiabilidade e segurança. Com capacidade para detectar concentrações mínimas de VOCs, os sensores PID são ideais para alarmes de alerta antecipado. Sua seletividade energética permite que eles ignorem VOCs sob energias específicas; no entanto, eles ainda reagirão a VOCs iguais ou maiores do que sua configuração de energia.

Os sensores eletroquímicos são ideais para uso em ambientes explosivos em razão do uso de uma camada de difusão. Sua capacidade de detectar baixas concentrações também os torna adequados para detectar vazamentos em infraestruturas cruciais, como dutos e plataformas. Mesmo assim, os sensores eletroquímicos devem ser desenvolvidos para permitir a fácil substituição devido à sua curta vida útil.

Alguns sensores, como o sensor de gás AI BME688 da Bosch, melhoram o projeto do sensor por integrar funcionalidade inteligente ao sensor. O BME688 é o primeiro sensor de gás do setor com IA incorporada ao chip, permitindo a detecção e classificação de gases para respostas aprimoradas específicas da aplicação. Esse recurso, combinado com a alta sensibilidade do sensor, baixo consumo de energia e pequeno tamanho, o torna uma solução desejável para aplicações como dispositivos conectados e residências inteligentes.

Conclusão

Os VOCs apresentam aos engenheiros todos os tipos de desafios: eles podem ser um risco de explosão, são difíceis de detectar em pequenas concentrações e são fornecidos em várias formas.

Existe uma grande variedade de sensores VOC, e cada tecnologia apresenta vantagens e desvantagens. Os sensores MOS são ideais para aplicações de baixo custo, mas podem apresentar baixo desempenho em ambientes úmidos e podem ser um risco de explosão. Os sensores PID não oferecem grande seletividade, mas podem responder a mudanças muito repentinas nos níveis de VOCs. Os sensores eletroquímicos fornecem excelente seletividade, mas precisam ser substituídos com frequência.

Durante a implementação de qualquer tecnologia de sensor VOC, os engenheiros devem considerar atentamente o ambiente em que o sensor será usado, bem como a natureza do processo de fabricação do sensor.