Elección de sensores piroeléctricos de película fina para la detección de llamas y el análisis de gases

La creciente preocupación por los gases de efecto invernadero en el medioambiente, junto con la necesidad de medir la contaminación atmosférica y detectar incendios, hace que la identificación y la medición de gases sea un área de gran interés para muchos. Veamos cómo los diseñadores pueden resolver estos problemas mediante el uso de sensores piroeléctricos pasivos adecuados para la detección de gases y llamas.

Detección por infrarrojos (IR)

La capacidad de detectar gases en el entorno es una función útil. Es especialmente útil en la detección de gases sensibles para el medioambiente, como el dióxido de carbono (CO₂) y el monóxido de carbono (CO). Esta misma tecnología puede aplicarse a la detección de llamas, ya que estos mismos gases son los principales presentes en las llamas abiertas. Estos gases, junto con el vapor de agua, los hidrocarburos (H-C) como el metano (CH₄), y varios otros tienen espectros de absorción significativos en el intervalo del infrarrojo medio.

La radiación IR tiene componentes espectrales entre los de las microondas y la luz visible y abarca las longitudes de onda entre 0.76 micrómetros (mm) y 1 milímetro (mm). Este intervalo se segmenta en tres subregiones distintas: onda corta, o IR cercano, que cubre longitudes de onda de 0.76 a 3 micrómetros (μm); onda media, o IR medio, en el intervalo de longitudes de onda de 3 a 14 μm, y onda larga, o IR lejano, que cubre longitudes de onda de 14 μm a 1 mm.

La mayoría de los gases de interés tienen espectros de absorción en el intervalo del IR medio (Figura 1).

Figura 1: Picos de absorción IR asociados a diferentes gases que se producen en el intervalo espectral del IR medio. (Fuente de la imagen: Broadcom)

Los principales gases emitidos en las llamas abiertas son CO₂ y CO, por lo que puede aplicarse la misma tecnología IR para detectar llamas.

Detección de IR

La radiación IR puede detectarse de diversas maneras. En el intervalo del IR cercano se pueden usar fotodiodos. Otros métodos tradicionales incluyen el uso de termopilas, que son pilas de termopares que responden a la radiación térmica para producir un voltaje proporcional al cambio de temperatura debido a la energía IR.

Más recientemente, en los segmentos espectrales del IR medio al IR largo se utilizan sensores que aprovechan el efecto piroeléctrico. El efecto piroeléctrico es la capacidad de ciertos materiales cristalinos de generar un voltaje a través de las caras del cristal cuando se calientan o enfrían. El sensor puede visualizarse como un condensador que se autocarga cuando se somete a radiación IR. Los sensores piroeléctricos tienen la ventaja sobre las termopilas de que tienen un tiempo de respuesta más rápido, una relación señal/ruido (SNR) superior y son más sensibles debido a su mayor capacidad de respuesta. Los fotodiodos, especialmente cuando miden longitudes de onda IR más largas, necesitan refrigeración para conseguir una buena SNR. Los sensores piroeléctricos no necesitan refrigeración en los segmentos espectrales del IR medio al IR largo, lo que les confiere una ventaja.

Los materiales piroeléctricos, como el circonato de plomo (PZT) o el tantalato de litio (LiTaO₃), pueden utilizarse para crear sensores IR. Pueden utilizarse a granel o como estructuras híbridas de película fina. Los dispositivos piroeléctricos a granel suelen presentar una menor capacidad de respuesta y una SNR inferior a la de los dispositivos basados en técnicas de película fina.

Los sensores piroeléctricos de película fina suelen incluir un amplificador de alta ganancia para amortiguar los dispositivos piroeléctricos (Figura 2).

Figura 2: El empaque de un sensor piroeléctrico de película fina incluye el molde del sensor, un amplificador de alta ganancia y un filtro IR óptico integrado. (Fuente de la imagen: Broadcom)

El amplificador se implementa como un amplificador operacional de semiconductores de metal - óxido complementario o CMOS de bajo ruido (amplificador operacional) con una resistencia de realimentación de hasta 10 gigaohmios (GΩ). La señal de salida se centra en la mitad del voltaje de alimentación. El sensor ofrece una respuesta estable y rápida que opera en una amplia gama de frecuencias.

El filtro óptico se utiliza para limitar el intervalo de longitudes de onda en el que el sensor responde. Estos filtros básicamente sintonizan el sensor a longitudes de onda IR específicas.

Aplicaciones de los sensores piroeléctricos de película fina

Los sensores piroeléctricos de película fina en el intervalo IR medio se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como la detección de llamas y el análisis de gases, así como el análisis de combustibles y aceites, la seguridad alimentaria y la vigilancia medioambiental.

En las aplicaciones de detección de llamas, los sensores IR miden la radiación IR procedente de la llama. La llama se cubre de gases calientes, como CO₂ y CO. La llama y su envoltura gaseosa no son estáticas; parpadean a frecuencias que suelen oscilar entre 1 y 15 hercios (Hz). Los sensores IR controlan la gama espectral de los gases emitidos a la velocidad de parpadeo, lo que permite una detección precisa de la llama abierta.

Las características clave para la detección de llamas son el campo de visión (FoV) y el rango dinámico, indicado por la SNR. Estos parámetros deben ser lo más amplios posible. La detección de llamas se autoexcita con la fuente de las llamas y generalmente solo utiliza sensores IR de un canal.

El análisis IR de gases se basa en la absorción de una fuente IR por el gas seleccionado. El proceso se denomina espectroscopia IR no dispersiva (NDIR). Un emisor IR es la fuente de energía IR de banda ancha, que incluye la longitud de onda de absorción. Se utilizan dos sensores IR: uno filtrado para medir la longitud de onda de absorción del gas seleccionado y uno secundario filtrado a una longitud de onda de no absorción para proporcionar una señal de referencia (Figura 3).

Figura 3: Se muestra un diagrama simplificado de una configuración de análisis de gases que utiliza sensores piroeléctricos de película fina. (Fuente de la imagen: Broadcom)

Una fuente pulsada de cuerpo negro, modulada a una frecuencia de 30 a 100 Hz, llena el tubo de gas con una gama adecuada de longitudes de onda IR. Los gases del tubo absorberán la energía IR en función de su estructura atómica. Por ejemplo, el CO₂ absorbe energía con una longitud de onda de 4.26 μm. Se selecciona como longitud de onda de referencia una cercana, de 3.9 μm, que el CO₂ no absorbe. El canal de referencia controla cualquier variación en la potencia de la fuente IR. Para reducir las interferencias, un filtro óptico de bloqueo restringe la gama de longitudes de onda vistas en los sensores a aquellas asociadas con la absorción del gas y la longitud de onda del canal de referencia.

Los cuatro gases más comunes que se monitorean son el oxígeno (O), el CO, el CO₂ y el óxido de nitrógeno (NO). Los sensores IR ofrecen ventajas significativas sobre otros métodos alternativos, como una larga vida útil, una respuesta rápida, la no necesidad de calibración y la capacidad de detectar e identificar una amplia gama de gases.

Sensores piroeléctricos de película fina

Con esta información, quizá le interese empezar a diseñar su propio sensor piroeléctrico. Si se pregunta qué dispositivos hay disponibles, Broadcom ofrece sensores IR listos para usar basados en su propia tecnología IR de película fina de PZT. Dispone de detectores IR analógicos de uno y dos canales sensibles a longitudes de onda discretas del IR medio y destinados a aplicaciones de detección de llamas y análisis de gases.

Los sensores están empacados en latas TO-39 y son idóneos para su uso en exteriores en los sectores de la industria pesada, el petróleo y el gas, las infraestructuras y la protección forestal, donde esta es una característica importante, junto con el FoV y la SNR (Figura 4).

Figura 4: Ejemplos del empaque TO-39 de los sensores piroeléctricos de película fina de uno y dos canales. (Fuente de la imagen: Broadcom)

Los sensores tienen una capacidad de respuesta nominal de 150,000 voltios por vatio (V/W) y una SNR de 10,000. Todos los sensores utilizan un único carril de alimentación de entre 2.7 y 8 voltios y tienen una temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C (Tabla 1).

Sensores piroeléctricos de película fina de un canal

Sensores piroeléctricos de película fina de dos canales

Tabla 1: Se muestran las características espectrales clave de los sensores piroeléctricos de película fina de uno y dos canales Broadcom. (Fuente de la tabla: Art Pini)

Los límites de longitud de onda de los filtros ópticos utilizados se especifican mediante la longitud de onda central y el ancho de banda de media potencia del filtro o las longitudes de onda inferior y superior del filtro de banda pasante. Los modelos de dos canales, destinados a aplicaciones de análisis de gases, están filtrados para detectar gases específicos, así como una longitud de onda de referencia adyacente. Por ejemplo, el sensor AFBR-S6PY0234 de dos canales tiene una ventana de análisis filtrada a 4.26 µm para la detección de CO₂ y una ventana de referencia a una longitud de onda de 3.91 µm, que se sitúa en el intervalo entre los picos de absorción de CO y CH₄ mostrados en la figura 1. También tiene una constante de tiempo rápida de 12 milisegundos (ms) para una detección rápida de las llamas.

La interconexión de los sensores es relativamente sencilla; un simple amplificador no inversor proporciona una ganancia de banda pasante para proporcionar un accionamiento adecuado a los circuitos subsiguientes (Figura 5).

Figura 5: Se muestra un diagrama esquemático de una sencilla interfaz de amplificación para un sensor IR piroeléctrico de película fina de dos canales. (Fuente de la imagen: Broadcom)

Este amplificador proporciona 25 decibelios (dB) de ganancia de voltaje al componente de CA de la señal de salida del sensor en una gama de frecuencias de paso de banda de 1 a 50 Hz. Con CC (0 Hz), el amplificador es un seguidor de voltaje de ganancia unitaria. Más allá de 50 Hz, el nivel de salida disminuye lentamente hasta la ganancia unitaria.

Conclusión

Si busca una solución de detección de gases, los sensores analógicos Broadcom son dispositivos sencillos y de bajo recuento de componentes en configuraciones de uno o dos canales. Presentan especificaciones de alto rendimiento inherentes a su construcción piroeléctrica de película fina de PZT, incluida la detección en modo de corriente con una capacidad de respuesta de 150 kV/W, una respuesta estable en todo el intervalo de parpadeo de la llama de 3 a 15 Hz, una constante de tiempo rápida de 12 ms para una detección rápida de las llamas y una alta SNR de 10,000. Su alta capacidad de respuesta admite niveles de potencia de funcionamiento más bajos para prolongar la vida útil de la fuente de IR, lo que los convierte en componentes ideales para sistemas de detección de gases y llamas.