Scegliere sensori piroelettrici a film sottile per il rilevamento di fiamme e l'analisi dei gas

La crescente preoccupazione per i gas serra nell'ambiente, insieme alla necessità di misurare l'inquinamento atmosferico e rilevare gli incendi, rende l'identificazione e la misurazione dei gas una tematica di grande interesse per molti. Vediamo come i progettisti possono risolvere questi problemi utilizzando sensori piroelettrici passivi idonei per il rilevamento di gas e fiamme.

Rilevamento a infrarossi (IR)

La capacità di rilevare i gas presenti nell'ambiente è una funzione utile, specie nel caso di gas pericolosi per l'ambiente come l'anidride carbonica (CO₂) e il monossido di carbonio (CO). Questa stessa tecnologia può essere applicata al rilevamento delle fiamme, dato che in esse sono presenti principalmente questi stessi gas. Questi gas, insieme al vapore acqueo, agli idrocarburi (H-C) come il metano (CH₄) e a molti altri, presentano spettri di assorbimento significativi nell'intervallo IR medio.

La radiazione IR ha componenti spettrali comprese tra quelle delle microonde e della luce visibile, con lunghezze d'onda tra 0,76 μm e 1 mm. Questo intervallo è segmentato in tre sottoregioni distinte: onde corte, o IR vicino, che coprono lunghezze d'onda comprese tra 0,76 e 3 μm; onde medie, o IR medio, nella gamma di lunghezze d'onda comprese tra 3 e 14 μm, e onde lunghe, o IR lontano, che coprono lunghezze d'onda comprese tra 14 μm e 1 mm.

La maggior parte dei gas di interesse ha spettri di assorbimento nell'intervallo IR medio (Figura 1).

Figura 1: Picchi di assorbimento IR associati a diversi gas nell'intervallo spettrale dell'IR medio. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

I principali gas emessi dalle fiamme libere sono CO₂ e CO, quindi per rilevare le fiamme è possibile applicare la stessa tecnologia basata sugli infrarossi.

Rilevamento IR

Le radiazioni IR possono essere rilevate in diversi modi. Nella gamma del vicino infrarosso è possibile utilizzare i fotodiodi. Altri metodi tradizionali includono l'uso di termopile, ovvero termocoppie che rispondono alla radiazione termica producendo una tensione proporzionale alla variazione di temperatura dovuta all'energia IR.

Più recentemente, nei segmenti di spettro dall'IR medio all'IR lontano sono utilizzati i sensori che sfruttano l'effetto piroelettrico. Con effetto piroelettrico si intende la capacità di alcuni materiali cristallini di generare una tensione attraverso le facce del cristallo quando vengono riscaldati o raffreddati. Il sensore può essere visualizzato come un condensatore che si autocarica quando viene sottoposto a radiazioni IR. I sensori piroelettrici hanno un vantaggio rispetto alle termopile, in quanto il loro tempo di risposta è più veloce e hanno un rapporto segnale/rumore (SNR) superiore e una maggiore sensibilità in quanto più reattivi. I fotodiodi, soprattutto quando si misurano lunghezze d'onda IR maggiori, per ottenere un buon SNR devono essere raffreddati. I sensori piroelettrici, invece, hanno il vantaggio di non dover essere raffreddati nei segmenti di spettro da IR medio a lontano.

Per creare sensori IR è possibile utilizzare materiali piroelettrici come lo zirconato di piombo (PZT) o il tantalato di litio (LiTaO₃). Possono essere utilizzati in forma bulk o come strutture ibride a film sottile. I dispositivi piroelettrici bulk presentano generalmente una reattività e un SNR inferiori rispetto a quelli basati sulla tecnologia a film sottile.

I sensori piroelettrici a film sottile includono generalmente un amplificatore ad alto guadagno per bufferizzare i dispositivi piroelettrici (Figura 2).

Figura 2: Il contenitore di un sensore piroelettrico a film sottile comprende il die del sensore, un amplificatore ad alto guadagno e un filtro ottico IR integrato. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

L'amplificatore è implementato come amplificatore operazionale CMOS a basso rumore con una resistenza di retroazione fino a 10 GΩ. Il segnale di uscita è centrato a metà della tensione di alimentazione. Il sensore offre una risposta stabile e rapida che opera su un ampio campo di frequenza.

Il filtro ottico serve a limitare l'intervallo delle lunghezze d'onda a cui risponde il sensore. Fondamentalmente, questi filtri hanno il compito di sintonizzare il sensore su specifiche lunghezze d'onda IR.

Applicazioni dei sensori piroelettrici a film sottile

I sensori piroelettrici a film sottile nella gamma dell'infrarosso medio sono utilizzati in numerose applicazioni, tra cui il rilevamento di fiamme e l'analisi dei gas, nonché l'analisi di carburanti e oli, la sicurezza alimentare e il monitoraggio ambientale.

Nelle applicazioni di rilevamento delle fiamme, i sensori IR misurano la radiazione infrarossa proveniente dalla fiamma. La fiamma è avvolta da gas caldi come CO₂ e CO. La fiamma e il suo involucro gassoso non sono statici, ma sfarfallano a frequenze tipicamente comprese tra 1 e 15 Hz. I sensori IR monitorano la gamma spettrale dei gas emessi alla frequenza di sfarfallamento, consentendo così un rilevamento preciso della fiamma libera.

Le caratteristiche fondamentali per il rilevamento delle fiamme sono il campo visivo (FoV) e la gamma dinamica, indicata dall'SNR. Questi parametri devono quanto più ampi possibile. Il rilevamento della fiamma è autoeccitato dalla sorgente della fiamma e in genere utilizza solo sensori IR a canale singolo.

L'analisi IR dei gas si basa sull'assorbimento di una sorgente IR da parte del gas selezionato. Il processo viene detto spettroscopia IR non dispersiva (NDIR). Un emettitore IR è la fonte di energia IR a banda larga, che comprende la lunghezza d'onda di assorbimento. Vengono utilizzati due sensori IR: uno filtrato per misurare la lunghezza d'onda di assorbimento del gas selezionato e quello secondario filtrato a una lunghezza d'onda di non assorbimento per fornire un segnale di riferimento (Figura 3).

Figura 3: Schema semplificato di una configurazione per l'analisi dei gas che utilizza sensori piroelettrici a film sottile. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

Una sorgente a corpo nero pulsata, modulata a una frequenza di 30-100 Hz, riempie il tubo di gas con una gamma adeguata di lunghezze d'onda IR. I gas presenti nel tubo assorbono l'energia IR in base alla loro struttura atomica. Ad esempio, la CO₂ assorbe energia con una lunghezza d'onda di 4,26 μm. Come lunghezza d'onda di riferimento ne è stata scelta una vicina di 3,9 μm che non viene assorbita dalla CO₂. Il canale di riferimento monitora qualsiasi variazione di potenza della sorgente IR. Per ridurre le interferenze, un filtro ottico di blocco limita la gamma di lunghezze d'onda viste dai sensori a quelle associate all'assorbimento del gas e alla lunghezza d'onda del canale di riferimento.

I quattro gas monitorati più spesso sono ossigeno (O), CO, CO₂ e ossido di azoto (NO). I sensori IR offrono vantaggi significativi rispetto ai metodi alternativi, ad esempio lunga durata, risposta rapida, nessuna necessità di calibrazione e capacità di rilevare e identificare un'ampia gamma di gas.

Sensori piroelettrici a film sottile

Queste informazioni potrebbero essere di grande utilità nella progettazione del vostro sensore piroelettrico. Se vi state chiedendo quali sono i dispositivi disponibili, Broadcom offre sensori a infrarossi già pronti per l'uso, basati sulla sua tecnologia a infrarossi PZT a film sottile. Dispone di rilevatori IR analogici a canale singolo e doppio sensibili a lunghezze d'onda discrete dell'infrarosso medio e destinati ad applicazioni di rilevamento di fiamme e analisi dei gas.

I sensori sono confezionati in contenitori TO-39 e sono adatti all'uso esterno nei settori dell'industria pesante, del petrolio e del gas, delle infrastrutture e della protezione delle foreste, dove oltre a FoV e SNR è importante anche questa caratteristica (Figura 4).

Figura 4: Esempi di contenitori TO-39 dei sensori piroelettrici a film sottile a canale singolo e doppio. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

I sensori hanno una reattività nominale di 150.000 V/W e presentano un SNR di 10.000. Utilizzano tutti rail di alimentazione singoli compresi tra 2,7 e 8 V e hanno una temperatura di funzionamento tra -40 e +85 °C (Tabella 1).

Sensori piroelettrici a canale singolo a film sottile

Sensori piroelettrici a due canali a film sottile

Tabella 1: Le principali caratteristiche spettrali dei sensori piroelettrici a film sottile a canale singolo e doppio di Broadcom. (Tabella per gentile concessione di Art Pini)

I limiti di lunghezza d'onda dei filtri ottici utilizzati sono specificati dalla lunghezza d'onda centrale e dalla larghezza di banda a metà potenza del filtro o dalle lunghezze d'onda di cut-on e cut-off del filtro passa-banda. I modelli a due canali, destinati alle applicazioni di analisi dei gas, sono filtrati per rilevare gas specifici e una lunghezza d'onda di riferimento adiacente. Ad esempio, il sensore a due canali AFBR-S6PY0234 ha una finestra di analisi filtrata a 4,26 µm per il rilevamento di CO₂ e una finestra di riferimento a una lunghezza d'onda di 3,91 µm, che rientra nell'intervallo tra i picchi di assorbimento di CO e CH₄ come mostrato nella Figura 1. Ha inoltre una costante di tempo breve di 12 ms per un rilevamento rapido della fiamma.

L'interfacciamento dei sensori è relativamente facile: un semplice amplificatore non invertente fornisce un guadagno passabanda per pilotare in modo adeguato i circuiti successivi (Figura 5).

Figura 5: Diagramma schematico di una semplice interfaccia di un amplificatore per un sensore IR piroelettrico a film sottile a due canali. (Immagine per gentile concessione di Broadcom)

Questo amplificatore fornisce 25 dB di guadagno di tensione alla componente c.a. del segnale di uscita del sensore in una gamma di frequenze passa banda da 1 a 50 Hz. A corrente continua (0 Hz), l'amplificatore è un inseguitore di tensione a guadagno unitario. Al di sopra dei 50 Hz, il livello di uscita diminuisce lentamente fino ad arrivare al guadagno unitario.

Conclusione

Se siete alla ricerca di una soluzione per il rilevamento dei gas, i sensori analogici Broadcom sono dispositivi semplici e a basso numero di componenti in configurazioni a canale singolo o doppio. Sono caratterizzati da specifiche ad alte prestazioni intrinseche alla loro struttura PZT piroelettrica a film sottile, tra cui il rilevamento in modalità corrente con una reattività di 150 kV/W, una risposta stabile nell'intero intervallo di sfarfallamento della fiamma da 3 a 15 Hz, una costante di tempo breve di 12 ms per un rapido rilevamento della fiamma e un SNR elevato di 10.000. La loro alta reattività supporta livelli di potenza operativa più bassi per una maggiore durata della sorgente IR, rendendoli componenti ideali per i sistemi di rilevamento di gas e fiamme.