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La detección química, como muchas otras áreas del diseño electrónico, evoluciona rápidamente. Las aplicaciones no solo cambian a medida que abarcan desde la HVAC hasta el monitoreo de seguridad de instalaciones industriales, sino que los tipos de productos químicos que miden deben adaptarse a medida que las regulaciones cambian con el tiempo.
Recientemente, NevadaNano anunció su última solución para la detección de propano para aire acondicionado, máquinas expendedoras, secadoras de ropa y estantes de refrigeración comercial. Echemos un vistazo a cómo este dispositivo y esta empresa proporcionan ejemplos de cómo los sensores químicos están cambiando con el tiempo.

El sensor R-290 de NevadaNano se puede implementar en varias aplicaciones de propano; aire acondicionado, máquinas expendedoras, rejillas de refrigeración comercial y secadoras de ropa. Imagen utilizada por cortesía de NevadaNano Systems, Inc.

Adaptación a los nuevos estándares de refrigerantes

Los refrigerantes tradicionales como los clorofluorocarbonos (CFC) GWP o el potencial de calentamiento global es una medida utilizada por instituciones internacionales como la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) para evaluar el impacto de los materiales en el calentamiento global. Según la EPA, "los clorofluorocarbonos (CFC), los hidrofluorocarbonos (HFC) … a veces se denominan gases de alto GWP porque, para una determinada cantidad de masa, atrapan sustancialmente más calor que el CO2".
Bob Christensen, director sénior de desarrollo comercial de NevadaNano Systems, declaró: "Casi 200 países de todo el mundo han resuelto eliminar los refrigerantes de hidrofluorocarbonos que agotan la capa de ozono y tienen un alto potencial de calentamiento global".
Como tal, se están buscando nuevas alternativas con menor GWP, incluido el propano R-290. NevadaNano cita el GWP del R-290 como 3. Compare esto con los miles o decenas de miles promediados por los CFC y otros refrigerantes similares. En el comunicado de prensa de este sensor, NevadaNano mencionó específicamente al R410, un hidrofluorocarbono (HFC) que compite con el R-290 como un reemplazo viable para el refrigerante R-22 ahora prohibido por el Protocolo de Montreal, que tiene un GWP de 3.900.
La compensación con el R-290 es que los contenedores de propano completamente sellados ocasionalmente tienen una fuga, lo que brinda una oportunidad potencial de ignición. Es posible que algunas fugas no sean enormemente peligrosas, pero incluso la menor cantidad de propano podría reducir los niveles de refrigerantes, haciendo que las unidades de HVAC trabajen más. Un sistema que trabaja más duro consume energía eléctrica excesiva, lo que aumenta los costos y también aumenta el impacto en el medio ambiente.
NevadaNano afirma que el R-290 es un refrigerante alternativo adecuado y presenta su sensor más reciente como una forma precisa de abordar la detección de fugas para una implementación más segura.

Integración de la espectrometría de propiedades moleculares en sensores

MPS es un término patentado que significa espectrómetro de propiedades moleculares. NevadaNano describe MPS como su esfuerzo por integrar múltiples sensores químicos complementarios en un solo chip de silicio.
Uno de los beneficios de su diseño MEMS (sistemas microelectromecánicos) es que el CI del sensor evita la necesidad de mantenimiento durante toda su vida útil de 10 a 15 años. Durante este tiempo, NevadaNano informa que el dispositivo informa con precisión 0-100% LEL (límite inferior de explosividad).

NevadaNano diseñó el sensor para ofrecer medición en tiempo real que tiene una compensación incorporada por factores ambientales, incluida la temperatura, la presión y la humedad. Imagen utilizada por cortesía de NevadaNano Systems, Inc.

El dispositivo de NevadaNano tiene un sensor de refrigerante, un transductor MEMS que actúa como una membrana micromecanizada con un calentador Joule integrado y un termómetro de resistencia. Los calentadores resistivos permiten el control de la temperatura dentro del dispositivo y ayudan al sensor a limpiar después de analizar cada muestra de aire para detectar una fuga.
El sensor tiene como objetivo ofrecer flexibilidad de diseño mediante la introducción de micro voladizos, puntos versátiles que permiten a los sensores MPS detectar los cambios más pequeños en el elemento estructural desde la frecuencia vibratoria. Para sistemas más grandes, una serie de sensores basados ​​en MPS se pueden conectar y monitorear eléctricamente gracias al elemento piezoeléctrico que ayuda al sistema a encontrar la frecuencia de resonancia, así como los signos de estrés mecánico.

Una "nariz voladora" para aplicaciones militares de EE. UU.

Las aplicaciones de sensores químicos de NevadaNano van más allá de los sensores estacionarios integrados en los sistemas HVAC.
A veces vuelan.
La Universidad de Utah se asoció con NevadaNano en 2015 a través del "Laboratorio DARC" del profesor Kam K. Leang (donde DARC significa "Diseño, Automatización, Robótica y Control"). El proyecto se conocía oficialmente como el programa "Autónomo centinela ambiental de amplio espectro", pero extraoficialmente se lo denominó "nariz voladora", ya que tenía como objetivo crear un cuadricóptero capaz de detectar la presencia de sustancias químicas en el aire.

Una iteración de 2015 del quadcopter de "nariz voladora" del laboratorio DARC de la Universidad de Utah. Captura de pantalla modificada utilizada por cortesía de la Universidad de Utah

El objetivo del proyecto es permitir que los drones autónomos lleven a cabo un mapeo químico en tiempo real de las columnas químicas en el aire. Los datos del sistema transmitirían información de forma inalámbrica a un puesto de mando central para proporcionar inteligencia procesable en tiempo real. Esto agregaría otra capa de protección al usuario al eliminar el riesgo de interacción humana en áreas de alto riesgo.
El proyecto fue admitido en el programa STTR (Small Business Technology Transfer) a través del Departamento de Defensa del Ejército de los EE. UU. En 2014. Dos años después, en 2016, el proyecto recibió fondos federales y pasó a la fase II de STTR. Esta designación generalmente significa que la investigación inicial de la Fase I fue lo suficientemente prometedora como para justificar una mayor investigación, una distinción que generalmente viene con una subvención de alrededor de $ 750,000 para su uso durante dos años de investigación.
La versión actual del programa, en la que NevadaNano figura como investigador asociado oficialmente, ha alcanzado la Fase II a través del patrocinio de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Y concluirá en diciembre de 2022. El objetivo a largo plazo, como se indicó en 2016, es crear drones autónomos. capaz de movimiento de enjambre para recopilar datos precisos a gran escala.

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¿Ha construido alguna vez un sistema de detección de sustancias químicas? ¿Qué criterios observa con más frecuencia al seleccionar sensores químicos? Comparta sus experiencias y lecciones aprendidas en los comentarios a continuación.