Método de análisis de un gas y nariz artificial.

Método de análisis de un gas y nariz artificial.

El método de análisis se realiza mediante una nariz artificial que comprende al menos un sensor,

y comprende detectar una muestra del gas a analizar y modular adaptativamente al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor en función de una señal obtenida de la detección del sensor y de una medida de eficiencia. La nariz artificial comprende al menos un sensor de olor y medios de procesamiento adaptados para modular adaptativamente al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor en función de una señal obtenida de la detección del sensor y de una medida de eficiencia. La incorporación de estrategias de modulación adaptativa confiere a la nariz artificial de la invención unas reducidas dimensiones, por tanto, alta portabilidad, un amplio rango de aplicabilidad y un coste de producción reducido.

MÉTODO DE ANÁLISIS DE UN GAS Y NARIZ ARTIFICIAL OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método de análisis de un gas mediante una nariz artificial y a una nariz artificial bioinspirada de aplicación general, que utiliza estrategias de modulación adaptativa de los parámetros del sensor dirigida por el objetivo dado a la nariz. La incorporación de dichas estrategias confiere a la nariz artificial de la invención unas reducidas dimensiones, por tanto, alta portabilidad, un amplio rango de aplicabilidad y un coste de producción reducido.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las narices electrónicas son máquinas diseñadas para efectuar la detección y discriminación de olores con precisión. Una definición generalmente aceptada de un sistema olfativo artificial fue dada por Gardner y Bartlett en 1994 (Oxford Press): "instrumento que comprende una agrupación de sensores químicos con sensibilidades parcialmente solapadas junto a un sistema de reconocimiento de patrones, capaz de analizar y reconocer aromas simples o complejos".

Los orígenes de la nariz electrónica se remontan a los años 60, cuando la compañía Bacharac Inc., construyó un primer dispositivo. En la década de los 80, surgen dos grupos de investigadores, en la Universidad de Warwick en Gran Bretaña y en el Argonne Nacional Laboratory (ANL) en Estados Unidos, debiéndose las primeras publicaciones a Krishna Persaud y George Dodd (1982).

Desde entonces se han venido produciendo avances que han dado lugar a la fabricación comercial de narices electrónicas para su uso en distintos campos: agroindustria, contaminación ambiental, seguridad, medicina, etc.

En las narices electrónicas se distinguen generalmente tres módulos: de detección, electrónico y de procesamiento. En el módulo de detección se incluyen los sensores encargados de traducir de manera directa o indirecta la presencia de un olor en señales eléctricas. Cuando entran en contacto con componentes volátiles presentes en el gas, los sensores reaccionan,

experimentando un cambio físico en sus propiedades. La respuesta del sensor se recibe en el módulo electrónico, que transforma la señal en un valor digital. Los valores se analizan a continuación en el módulo de procesamiento, que se encarga de realizar el reconocimiento y/o la clasificación de las señales registradas.

El método de funcionamiento de una nariz artificial comprende una etapa de aprendizaje o entrenamiento, en la que se somete a la nariz artificial al análisis de una serie de muestras reconocidas para construir modelos de referencia. En una etapa posterior de adquisición del olor, la nariz artificial es capaz de reconocer nuevas muestras a partir de los modelos de referencia.

Existen muchos tipos de sensores olfativos basados en diferentes principios físicos: quimiorresistivos, quimiocapacitivos, potenciométricos, gravimétricos, ópticos, acústicos, térmicos, poliméricos, amperimétricos, cromatográficos, espectrométricos, de efecto de campo, etc.

Los sensores quimiorresistivos son los más extendidos debido a su pequeño tamaño y su fácil integración en un circuito eléctrico. En el estado de la técnica se emplean matrices que combinan sensores de este tipo, que ofrecen ciertas características ventajosas al basar en ellos el diseño de una nariz electrónica comercial. Sin embargo, las matrices de sensores o componentes multisensor presentan también claras desventajas económicas, de fiabilidad, de estabilidad a lo largo del tiempo y de miniaturización.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Las desventajas presentes en el estado de la técnica mencionadas anteriormente se superan mediante un método de análisis de un gas según la reivindicación 1 y una nariz artificial según la reivindicación 13. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la presente invención.

En un primer aspecto inventivo se presenta un método de análisis de un gas mediante una nariz artificial que comprende al menos un sensor, comprendiendo el método:

(a) detectar mediante al menos un sensor una muestra del gas a analizar, y

(b) modular adaptativamente al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor en función de una señal obtenida de la detección del sensor y de una medida de eficiencia.

En una realización preferida, la modulación adaptativa de al menos un parámetro se realiza mediante una función de retroalimentación que modifica al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor.

En una realización preferida, la medida de eficiencia se determina a partir de la comparación de la señal obtenida de la detección con al menos una segunda señal. La segunda señal puede ser una señal teórica o de referencia, o puede ser una segunda señal obtenida mediante una detección.

En una realización preferida, la medida de eficiencia se determina a partir de la comparación de la señal obtenida de la detección con al menos un valor umbral.

La modulación de al menos un parámetro puede realizarse en función de medidas de eficiencia de reconocimiento de olores y/o discriminación de olores y/o clasificación de olores y/o en una etapa de aprendizaje.

La modulación adaptativa de los parámetros puede ser discreta (respondiendo a eventos específicos detectados en la adquisición de la señal), o continua (durante todo el proceso de adquisición). La activación de la modulación se inicia dependiendo de la tarea asignada a la nariz. Para el problema de reconocimiento de olores, la modulación de los parámetros se activa preferentemente cuando se determina que no se identifica un olor con los parámetros actuales del sensor. Para el problema de discriminación entre odorantes similares, la modulación de los parámetros se activa preferentemente cuando se determina que la señal de un odorante no proporciona suficientes características discriminantes con los parámetros actuales del sensor. Eventos típicos que definen la necesidad de iniciar una nueva modulación son la saturación de la señal o la llegada a un estado estacionario de la misma cuando todavía no se ha alcanzado el objetivo de la tarea asignada a la nariz.

La modulación adaptativa de al menos un parámetro puede realizarse durante una etapa de entrenamiento de la nariz artificial o durante la etapa de adquisición del olor por parte de la nariz artificial.

En una realización preferida, el parámetro a modular es el caudal de gas que incide sobre el sensor y/o la temperatura de calefacción.

Los parámetros a modular se seleccionan en función del tipo de sensor, que puede ser cualquier sensor olfativo. En el caso de usar un sensor quimiorresistivo, dos parámetros susceptibles de modularse adaptativamente son la temperatura de calefacción del sensor y el caudal de gas que incide sobre el sensor (sniffing). Para un sensor óptico puede modularse por ejemplo el caudal, la longitud de onda incidente en la superficie sensitiva y la longitud del camino óptico. En sensores quimiocapacitivos, el caudal y la amplitud (en tensión e intensidad) de la señal en frecuencia utilizada son susceptibles de modularse para determinar la capacidad eléctrica del sensor. En sensores gravimétricos QCM (quartz cristal micro balance) se puede variar el caudal y la frecuencia de resonancia base del conjunto modulando el módulo de Young con un pretensado piezoeléctrico. En sensores gravimétricos SAW (Surface acoustic wave) se puede modular el caudal y el tipo de pulso que se propaga (onda cuadrada, senoidal, rampa...). En sensores potenciométricos se puede modular el caudal y la presión de trabajo con objeto de variar de manera controlada la presión parcial del gas en la solución.

En un segundo aspecto inventivo se presenta una nariz artificial que comprende:

- uno o varios sensores olfativos, y

- medios de procesamiento adaptados para modular adaptativamente al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor en función de una señal obtenida de la detección del sensor y de una medida de eficiencia.

La nariz artificial según el segundo aspecto inventivo está adaptada para realizar el método según el primer aspecto inventivo y sus distintas realizaciones.

Ventajosamente, la nariz artificial de la invención puede estar basada en un único sensor, adaptado para trabajar en diferentes regímenes obtenidos a partir de la aplicación de estrategias consistentes en la modulación adaptativa de al menos un parámetro que afecta al funcionamiento y, por consiguiente, a la sensibilidad del sensor. Así, la nariz artificial de la invención tiene dimensiones y peso muy inferiores a los dispositivos olfativos considerados... [Seguir leyendo]

1. Método de análisis de un gas caracterizado porque se realiza mediante una nariz artificial que comprende al menos un sensor, y porque comprende las siguientes etapas:

detectar mediante al menos un sensor una muestra del gas a analizar, y modular adaptativamente al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor en función de una señal obtenida de la detección del sensor y de una medida de eficiencia.

2. Método de análisis de un gas según la reivindicación 1, caracterizado porque la modulación del al menos un parámetro se realiza mediante una función de retroalimentación que modifica el al menos un parámetro en función de la medida de eficiencia.

3. Método de análisis de un gas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la medida de eficiencia se determina a partir de la comparación de la señal obtenida de la detección con al menos una segunda señal.

4. Método de análisis de un gas según la reivindicación 3, caracterizado porque la segunda señal es una señal de referencia.

5. Método de análisis de un gas según la reivindicación 3, caracterizado porque la segunda señal es una segunda señal obtenida de una detección.

6. Método de análisis de un gas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la medida de eficiencia se determina a partir de la comparación de la señal obtenida de la detección con al menos un valor umbral.

7. Método de análisis de un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la modulación de al menos un parámetro se realiza en función de medidas de eficiencia de reconocimiento y/o discriminación y/o clasificación y/o aprendizaje de la señal obtenida de la detección.

8. Método de análisis de un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la modulación adaptativa de al menos un parámetro es discreta.

9. Método de análisis de un gas según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7,

caracterizado porque la modulación adaptativa de al menos un parámetro es continua.

10. Método de análisis de un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la modulación de al menos un parámetro se realiza durante una etapa de entrenamiento de la nariz artificial.

11. Método de análisis de un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la modulación de al menos un parámetro se realiza durante una etapa de adquisición de la nariz artificial.

12. Método de análisis de un gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el parámetro a modular es el caudal de aire que incide sobre el sensor y/o la temperatura de calefacción.

13. Nariz artificial caracterizada porque comprende:

- al menos un sensor (10) de olor y

- medios de procesamiento (12) adaptados para modular adaptativamente al menos un parámetro que afecta al régimen de funcionamiento del sensor (10) en función de una señal obtenida de la detección del sensor y de una medida de eficiencia.

14. Nariz artificial según reivindicación 13 caracterizada porque el sensor (10) es un sensor de una única superficie sensitiva.

15. Nariz artificial según la reivindicación 13 ó 14 caracterizada porque el sensor (10) es un sensor quimiorresistivo.

16. Nariz artificial según una de las reivindicaciones 13-15 caracterizada porque los medios de procesamiento (12) están adaptados para modular el caudal de aire que incide sobre el sensor y/o la temperatura de calefacción.

17. Nariz artificial según una de las reivindicaciones 13-16 caracterizada porque los medios de procesamiento comprenden un microcontrolador, un PC o un PLC.