RESUMEN

En las mediciones industriales, existen medidores IR, entre los cuales se destacan los sensores piroeléctricos, por sus bajos costos y su fácil implementación, habitualmente es usado como detector de movimiento biológico, debido al desprendimiento de IR de los cuerpos, pero en este paper la atención se centra en una aplicación para la detección de gases CO2. El sensor utilizado es un elemento piroeléctrico con ventana selectiva a 4.3 ım de la firma Infratech LME-501 compensado en temperatura. Se ha dispuesto en el interior de un tubo de aluminio de 10 mm de diámetro interior y una longitud de 15 cm. En el otro extremo se tiene una lámpara de incandescencia de 12V y 100 mA, alimentada intermitentemente a 12V estabilizado. El amplificador se usa con una ganancia casi unitaria, protegiendo que la impedancia del conversor no afecte la medida del sensor piroeléctrico. El margen de medida para una resolución de 1mV es de 60dB y se utiliza un microcontrolador PIC16F877A para realizar la compensación por temperatura y el control de la lámpara de 12V, mostrando los cambios en una pantalla LCD, con lo cual se aprovecha al máximo el potencial del sensor a un bajo costo.

INTRODUCCION

El sensor piroeléctrico es utilizado en muchas aplicaciones, ya sea como detector de movimiento o como medidor de gases, en ambos casos se basa en la detección IR a través de una pequeña ventana, estas radiaciones excitan al sensor y le hacen generar un voltaje o corriente en función de la radiación capturada, basando en esto se presenta a continuación la circuitería utilizada y el basamento implementar un sensor pyroeléctrico en aplicaciones de detección de CO2.

I. EFECTO PIROELÉCTRICO

El efecto piroeléctrico es análogo al piezoeléctrico, pero en lugar de la aparición de cargas eléctricas cuando se deforma un material, aquí se trata de la aparición de cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura. Estas cargas son debidas al cambio de su polarización espontánea al variar la temperatura. Recibió este nombre de D. Brewster en 1824, pero es conocido desde hace más de 2000 años.

Si el cambio de temperatura, , es uniforme en todo el material, el efecto piroeléctrico se describe mediante el coeficiente piroeléctrico, , que es un vector, de la forma:
donde es la polarización espontánea.
Este efecto se aplica sobre todo a la detección de radiación térmica a temperatura ambiente. Para ello se disponen dos electrodos metálicos en dirección perpendicular a la de polarización, formándose un condensador que actúa como sensor térmico. Cuando el detector absobe radiación cambia su temperatura y con ella su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del condensador.
Si el área donde incide la radiación es A y el grosor del detector, b, es suficientemente pequeño para poder suponer que los gradientes de temperatura en él son despreciables, la carga inducida será

donde DT es el incremento de temperatura experimentado por el detector. La tensión obtenida será

Cuando la radiación incidente es pulsante y tiene una potencia Pi, la tensión obtenida en el condensador es

donde Rv es la denominada sensibilidad en tensión y viene dada por


donde:
a es la fracción de la potencia incidente que se convierte en calor
P es el coeficiente piroeléctrico del material
t es la constante de tiempo térmica
CE es el calor específico volumétrico
e es la constante dieléctrica
w es la pulsación de la radiación incidente


La dependencia frecuencial de Rv es, pues, de tipo paso bajo. Para sensores comerciales decrece a partir de frecuencias del orden de 0,1 Hz.

La corriente de cortocircuito equivalente es


donde Ri es la responsividad en corriente, que viene dada por


Ri es plana para radiaciones de frecuencia mayor que la determinada por la constante térmica del material.

II. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA.

El CO2 es posible determinarlo por absorción infrarroja mediante instrumentos sencillos y de bajo coste.

Figura 1. Absorción en la banda del infrarrojo. El CO2 presenta una banda de absorción suficientemente separada para poderse medir sin interferencias con otros elementos presentes en la atmósfera (longitudes de onda en mm).

Sensor de CO2
El CO2 presenta una banda de absorción a 4.3 mm suficientemente alejada de las bandas de absorción de otras posibles componentes gaseosas del gas volcánico. A estas longitudes de onda es posible utilizar un sensor piroeléctrico de estado sólido dotado de un filtro selectivo que se encuentra fácilmente en el mercado. El efecto piroeléctrico consiste en el desplazamiento de cargas en el seno de un semiconductor cuando este recibe radiación infrarroja pero que al aumentar su temperatura vuelve al estado original. Por este motivo es necesario interrumpir periódicamente el haz infrarrojo que ilumina al sensor. De este modo a la salida obtendremos una señal periódica correspondiente al movimiento periódico de las cargas. Para facilitar su manejo, los fabricantes de sensores piroeléctricos dotan a estos de un amplificador integrado para la adaptación de impedancias. Las primeras realizaciones exigían una fuente intensa de infrarrojos a 4.3 mm y un dispositivo mecánico para interrumpir el haz. El aumento de la sensibilidad y estabilidad de los sensores piroeléctricos hace que hoy sea posible utilizar una pequeña lámpara incandescente que se ilumina periódicamente durante unos pocos segundos.

Figura 2. Fundamento de un sensor de CO2: 1 tubo de medida por el que se hace circular el gas, 2 lámpara emisora de infrarrojos, 3 sensor piroeléctrico.

Dispositivo de medida
El sensor utilizado es un elemento piroeléctrico con ventana selectiva a 4.3 mm de la firma Infratech LME-501 compensado en temperatura. Se ha dispuesto en el interior de un tubo de aluminio de 10 mm de diámetro interior y una longitud de 15 cm. En el otro extremo se tiene una lámpara de incandescencia de 12V y 100 mA, alimentada intermitentemente a 12V estabilizados. Esta lámpara está montada en el interior de un cono realizado en aluminio que actúa como reflector. En algunos casos es conveniente situar dos pequeñas láminas de vidrio de forma que el sensor y la lámpara no entren en contacto directamente con el gas. Hay que tener presente que la intercalación de estas láminas supone una pérdida de energía y debe compensarse utilizando una lámpara más potente. Es muy importante cuidar la perfecta alineación del sensor y de la lámpara.

Figura 3. Respuesta espectral de sensores piroeléctricos Infratech. A es un filtro de banda estrecha (90 nm) centrado en 4.3 mm específico para la detección del CO2 (LME-501), B corresponde a un filtro más ancho (600 nm) centrado en 4.4 mm (P2613-12) y C es el filtro usado habitualmente para los detectores de presencia, que responde bien a la radiación del cuerpo humano.
El sensor de infrarrojo y la lámpara emisora se montan sobre dos pequeños circuitos impresos que se sujetan a las dos piezas de metacrilato que sirven también de soporte al tubo. En estas dos placas de circuito impreso se colocan dos pequeños conectores que facilitan la sustitución de la lámpara. También se ha colocado un sensor LM35C para medir la temperatura del gas. La salida de LM35C va directamente al conversor analógico digital de 16 bits, mientras que para el sensor piroeléctrico debe incluirse un filtro pasa altos con una frecuencia de corte de 0.2 Hz para evitar el alto nivel de offset que presentan estos componentes. Este filtro se ha realizado mediante un amplificador operacional (OPA119). Si se utilizan conversores analógico digitales de alta resolución y alta impedancia de entrada es posible conectar el sensor directamente a la entrada del conversor.
El sistema está controlado por un PIC16F877A con el cual se cuenta con 8 canales de conversión A/D, cada uno de 10 bits. Todo el sistema se alimenta a 12 V.

Figura 4. Realización práctica de un sensor IR de CO2. El diseño debe contemplar dos condiciones importantes: evitar que el sensor piroeléctrico se caliente por efecto de la lámpara emisora y que el sistema presente muy buena estabilidad mecánica para permitir su transporte sin desajustes. 1 cámara, 2 entrada / salida del gas, 3 soportes, 4 radiador, 5 sensor piroeléctrico, 6 sensor temperatura, 7 soporte lámpara, 8 lámpara, 9 cierres vidrio y 10 placas de circuito impreso para facilitar las conexiones a los sensores y a la lámpara.

El periodo de encendido y apagado de la lámpara depende de las constantes del sensor y de las características de la lámpara empleada, por ello es conveniente realizar varios ensayos hasta conseguir la máxima señal de salida. En general se obtienen buenos resultados con ciclos de 5 a 10 segundos. La longitud de la cámara es un compromiso entre el tipo de fuente a utilizar y la gama de valores que se desea cubrir. Disminuyendo la longitud de la cámara se reduce el margen dinámico, pero se aumenta la resolución a elevadas concentraciones. Un tubo de longitud comprendida entre 150 y 250 mm presenta buenas cualidades para niveles de CO2 de 500 a 10000 ppm. Valores inferiores a 500 ppm no tienen sentido ya que están demasiado próximos al atmosférico.

Figura 5. La señal obtenida a la salida de un sensor piroeléctrico disminuye cuando recibe radiación infrarroja hasta alcanzar un mínimo, empezando a aumentar a pesar de que la lámpara sigue encendida. Al apagar la lámpara la señal aumenta rápidamente hasta alcanzar un máximo a partir del cual vuelve a disminuir.

III. FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR PIROELECTRICO.

Los sensores piroeléctricos se construyen mediante un elemento semiconductor, en el cual se produce un desplazamiento de cargas cuando sobre él incide radiación infrarroja. Sin embargo en poco tiempo el sensor vuelve a su condición de equilibrio. Por este motivo es sólo sensible a cambios en la intensidad de la radiación infrarroja. La utilización práctica se hace interrumpiendo el haz infrarrojo mediante un dispositivo mecánico o bien utilizando una fuente intermitente. En este caso se utiliza una lámpara de incandescencia que se ilumina durante dos segundos cada dos segundos. El periodo de encendido y apagado de la lámpara depende de las características del sensor y lámpara utilizados.

El mejor rendimiento se consigue ajustando el periodo hasta lograr la máxima diferencia entre el máximo y el mínimo. La diferencia entre el máximo y el mínimo es proporcional a la intensidad de la radiación recibida. Para la medida del CO2 deberá utilizarse un sensor piroeléctrico que posea un filtro pasa banda centrado en la longitud de onda de absorción de 4,3 um. En este caso, cuando no hay CO2 en el sistema se obtiene el máximo voltaje (Vo) a la salida del sistema. La presencia de CO2 absorberá parte de radiación infrarroja y la señal será un valor menor V. Para un haz lineal que atraviesa una longitud x, la intensidad I recibida responde a la ley de atenuación de Beer-Lambert

Siendo I0 la intensidad recibida sin absorción (en el vacío). En la práctica el comportamiento del sensor difiere de este modelo debido a que el haz infrarrojo utilizado no se puede considerar lineal, sino que es la superposición de uchos caminos con múltiples reflexiones en las paredes de la cámara.

Figura 6.Respuesta de un medidor de CO2 que utiliza un sensor piroeléctrico con filtro centrado en 4.3 mm. Obsérvese que a bajas concentraciones es donde el sistema plantea mayores problemas de calibración y compensación por temperatura.

La relación entre el contenido en CO2 dado como presión parcial y la señal proporcionada por el sensor se obtiene mediante una calibración, respondiendo a una función del tipo:

donde a y b son dos constantes determinadas experimentalmente. Io es la intensidad sin gas (se puede obtener haciendo el vacío en la cámara) e I la intensidad obtenida en la medida del gas. El problema radica en que la determinación de I se realiza a partir de un voltaje proporcionado por el sensor en la forma:

I = K V

K varía fuertemente con la temperatura (.2%/ºC). Por este motivo hay que disponer un termómetro muy próximo al sensor piroeléctrico y poder corregir por temperatura. Como ejemplo del orden de magnitud de las constantes mostramos una función de calibración a 25ºC

El CO2 viene dado en moles % y V debe expresarse en mV.

Figura 7. Electrónica asociada al sensor de CO2 por absorción de infrarrojos: S sensor piroeléctrico con ventana dotada de filtro a 4.3 mm,, T sensor de temperatura, mC microcontrolador, Tr transistor, R2 resistencia para limitación de corriente. L lámpara.

Electrónica
La electrónica asociada es muy simple si se utilizan conversores de alta resolución, alta impedancia de entrada y que incorporen ya un filtro pasa bajos. De esta forma es posible conectar directamente los sensores piroeléctrico y de temperatura a la entrada del conversor. Así se requiere sólo un microcontrolador, que es el encargado de gestionar todo el sistema, un conversor analógico digital para el sensor piroeléctrico y otro para el termómetro. Además, se deberá incluir un transistor para el encendido periódico de la lámpara fuente de infrarrojos, una resistencia serie para limitar la corriente en la base del transistor y otra para cargar adecuadamente la salida del sensor piroeléctrico. Es conveniente utilizar un transistor MOS como el IFR630 para controlar el encendido de la lámpara. Como sensor de temperatura se puede utilizar un LM35C que da directamente la salida en grados centígrados con un factor de escala de 10mV/ºC. El microcontrolador es un PIC16F877A, que al ser de tecnología flash puede re-programarse fácilmente e incluir los parámetros de calibración directamente en memoria. Además se requiere un sistema de alimentación que proporcione 5V para la electrónica y 12V para la lámpara.
El sistema proporciona directamente una salida RS232 para la conexión a la unidad de adquisición de datos.

Figura 8. Todo el sistema se monta dentro de una caja moderadamente impermeable (IP65) en uno de cuyos laterales se dispone el tubo para la entrada del gas (G), el conector para la salida delos datos, entrada de las señales de control y la alimentación (C). Además se incorpora un pequeño ventilador para obligar al gas a circular por la cámara y extraer el calor disipado en los componentes electrónicos y especialmente por la lámpara. El sensor (S) se coloca en uno de los laterales y la electrónica (E) en el otro.

El microprocesador proporciona una salida serie compatible RS232 a 9600 baudios, 8 bits, sin paridad después de cada ciclo de medida. De esta forma es fácil conectar el sensor a cualquier sistema de adquisición de datos. El sistema transmite directamente las lecturas del conversor analógico digital, en formato binario. De esta forma se reduce el tráfico de datos, se simplifica la operación del sistema de adquisición de datos y los factores de calibración se aplican posteriormente, lo que permite conservar los datos originales sin manipulación. El formato de cada ráfaga es el siguiente

El contenido en CO2 y la temperatura se obtienen aplicando las correspondientes fórmulas de traducción.

siendo Vg la salida del conversor analógico digital para la medida del gas. Vt es la salida para el conversor para la medida de la temperatura. En general, estos sistemas funcionan conectados a un módulo de adquisición de datos o a un enlace telemétrico lento, a un dato por hora o incluso menos. No siendo rentable utilizar un Pc para estas funciones, especialmente por el elevado consumo en corriente que requieren.

IV. ACONDICIONAMIENTO

Figura 9. Acondicioandor para el sensor pyroelectrcio mediante amplificador no inversor de ganacia 1.047.

El amplificador se usa con una ganancia casi unitaria, protegiendo que la impedancia del conversor afecte la medida del sensor piroeléctrico.
El margen de medida para una resolución de 1mV. está expresado por la siguiente ecuación

Si el margen de tensiones de entrada Vme entonces el intervalo de cuantificación es.


Y el margen dinámico de la entrada del conversor viene dado por.

Dado que a la salida del CAD hay 2n estados y el menor cambio es 1 (que corresponde al bit menos significativo, LSB—Least Significant Bit—), el margen dinámico de la salida es:

6n=60
n=10, esto significa que se puede usar un conversor de 10bits y se mantiene la resolución deseada y por lo cual, también se justifica el uso del microcontrolador.

Calibración
La calibración de un sensor de CO2 requiere conocer por lo menos dos puntos ya que debemos determinar dos constantes. La solución ideal es utilizar una colección de gases patrón (mezcla de CO2 y otro gas como Ar) y hacer el ajuste por mínimos cuadrados

Otra posibilidad es utilizar como referencia un sensor ya calibrado y ensayar con varias proporciones de CO2 en el aire de una cámara donde se colocan los dos sensores. Debe tenerse cuidado en homogenizar bien la mezcla de gases. Si se dispone de una bomba de vacío se puede determinar directamente el cero de CO2 y en tal caso ya sólo se requiere una medida del sistema con contenido conocido de CO2 para realizar una primera calibración del sistema. Supongamos que disponemos de las siguientes medidas:

El parámetro b viene dado por

obtiene en función de b,

con los valores del ejemplo queda a = 6136510 , b = -0.0007434457 la diferencia entre los valores típicos y los aquí obtenidos se debe a que se han utilizado directamente cuentas del conversor analógico digital en vez de milivoltios y ppm en vez de porcentaje. Evidentemente, de cuantos más puntos se disponga mejor resultará la calibración del sistema, especialmente si se tiene la precaución de elegir los puntos en la gama de valores donde se espera que trabaje el sensor. Muchas veces nos debemos limitar a utilizar el contenido medio de CO2 en el aire (primer punto) y suponer que el oxígeno se consume completamente en una combustión en ambiente cerrado.

V. CONCLUSIONES

El amplificador operacional debe tener los mínimos valores de enw , inw , fce y fci, se deben establecer los valores de las resistencias Rn y Rp tan pequeñas como sea posible, y con ello reducir el ruido generado por las fuentes de intensidad. Limitar la anchura de banda equivalente de ruido al valor mínimo que sea posible, de manera que los efectos del ruido se minimicen al máximo ni afecte la medición y cuantización realizada por el ADC.
Es importante observar que aunque no se esta utilizando un conversor de alta resolución la ventana del margen dinámico se cierra y se consigue el mismo efecto por lo cual se puede utilizar un microcontrolador de bajo costo, para implementar este tipo de solución.

VI. RECOMENDACIONES

• Realizar pruebas con microcontroladores que posean un adc con mayor resolución.
• Realizar pruebas con amplificadores operaciones con parámetros que generen menos perturbaciones al sistema y ruido
• Utilizar las misma bases para detección de otros tipos de gases y comparar donde es mas eficiente.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

1.Electronics for pyroelectric detector for motion sensor. PerkinElmer Optoelectronics.Aplication notes. 2008.
2. Aplication of fase response dual colour pyroelectric detector with integrated opamp in a low NDIR gas monitor. Infratech GMBH, gostritzer Str.61-63,01217 dresden.
3. Pyroelectric detector. Introduction notes.Infratech GMBH, gostritzer Str.61-63,01217 dresden.