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.
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.
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.
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.
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