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Il rilevamento dei gas è una funzione fondamentale ma la tecnologia non è cambiata da decenni. Quindi, quando ho sentito parlare di un nuovissimo tipo di sensore di NevadaNano (Sparks, NV), ho deciso di intervistare Ben Rogers, il loro direttore dell'ingegneria.

Chiamano il loro sensore, un dispositivo basato su MEMS, Molecular Property Spectrometer™ (MPS™).

Il sensore di gas infiammabili MPS è in grado di rilevare e identificare le concentrazioni di 12 dei gas combustibili più comuni, compreso l'idrogeno; il sensore di gas metano MPS è progettato per monitorare le perdite di metano per le industrie del petrolio e del gas; il sensore di gas refrigerante MPS rileva refrigeranti leggermente infiammabili a basso riscaldamento globale, tutti basati sulla stessa tecnologia. Secondo Rogers, il loro sensore è molto più preciso e affidabile del tradizionale Pellistor (sensore catalitico) e del sensore a infrarossi non dispersivo (NDIR). La maggior parte dei sensori tradizionali ha un rivestimento che eccita una sorta di reazione chimica. Il problema è che col tempo i siti di rilevamento che consentono la reazione possono rovinarsi. L'MPS, invece, è una superficie inerte a base di silicio, che non richiede alcuna reazione chimica. Si riscalda, misura le proprietà termodinamiche dell'aria e poi si raffredda nuovamente, quindi può durare per 10 anni o più senza alcuna calibrazione, secondo Rogers.

L'MPS è integrato in un pacchetto di circa un pollice, come mostrato nella Figura 1. L'aria da testare entra attraverso lo schermo a rete nella parte superiore e colpisce una micro piastra riscaldante sospesa e fissata, che ha lo stesso diametro di un capello umano — 100 micron di diametro. La piastra riscaldante può essere riscaldata fino a centinaia di gradi Celsius. La fonte del calore è un riscaldatore Joule, in cui una corrente elettrica viene alimentata attraverso un elemento resistivo, come mostrato nel riquadro della Figura 1. La corrente entra in uno dei cavi, gira intorno ed esce su quella traccia. "Possiamo misurare la resistenza della piastra riscaldante, che ci fornisce la sua temperatura e anche la potenza necessaria per raggiungere quella temperatura", ha affermato Rogers. Il rapporto tra la temperatura della piastra e la potenza necessaria per raggiungere tale temperatura è funzione della conducibilità termica dell'aria. Quando l'aria contiene gas, le sue proprietà termiche cambiano. Ad esempio, se nell'aria è presente metano e la piastra viene riscaldata, poiché il metano è termicamente più conduttivo dell'aria, è necessaria più energia per mantenere la piastra alla giusta temperatura rispetto a quando il metano non è presente.

Fondamentale per le sue proprietà uniche, l'MPS è un dispositivo MEMS, prodotto in modo simile ai chip di silicio: in una fonderia; e poiché è un dispositivo MEMS, richiede pochissima energia per funzionare. “Non è mai esistito prima un sensore di combustibile in grado di dirti la classe di gas che stai rilevando. Quando effettuiamo un rilevamento, forniamo anche una classificazione. Ad esempio, il sensore segnala la concentrazione presente e che si tratta di idrogeno, o di un gas medio come il pentano, o di una miscela di idrogeno”, ha affermato Rogers. “I sensori di gas tradizionali non hanno mai avuto la capacità di effettuare la classificazione. Questo è ciò che ci rende così precisi: perché possiamo regolare la nostra calibrazione per qualunque gas sia presente."

L'unità di concentrazione che conta è il limite inferiore di esplosività (LEL), che è la concentrazione più bassa (in percentuale di volume) di un gas nell'aria in grado di produrre un lampo di fuoco in presenza di una fonte di accensione. Poiché gli utenti vogliono sapere quanto sono vicini al 50% del LEL, la capacità di identificare quale gas è presente è importante perché il LEL per ciascun gas è diverso.

La Figura 2 mostra i grafici della concentrazione erogata rispetto alla concentrazione riportata. Illustra uno dei maggiori problemi con i sensori in questo spazio. Un sensore perfetto ti dice esattamente cosa viene riportato: si trova proprio al centro. Un sensore che riporta una concentrazione eccessiva attiverà un allarme troppo presto, dando un costoso falso positivo. La sottosegnalazione dà un falso negativo, il che è pericoloso. Idealmente vorresti che la curva fosse proprio al centro. Come si può vedere nel grafico a destra, la precisione del sensore MPS è adeguata per sette gas diversi.