SENSOR DE GAS.

Un sensor de gases de multiples usos adaptado para su utilización en una atmósfera oxidante,

que comprende: una fibra óptica (1) que tiene una zona de detección sensible a la temperatura (3) y una capa reactiva asociada (2) dispuesta sobre una superficie externa de la fibra óptica (1) en al menos una posición a lo largo de la longitud de la fibra, caracterizado porque la capa reactiva (2) esta adaptada pata generar un cambio de temperatura cuando se pone en contacto con un gas que va a ser detectado y comprende un material ceramico que comprende óxido de wolframio u óxido de vanadio, y un catalizador seleccionado del grupo que consiste en metales y óxido metalicos catalfticos y, porque la que la zona de detección sensible a la temperatura (3) comprende una zona o zonas de detección seleccionada de rejillas de Bragg de fibra 6ptica (FBG) , rejillas de Bragg de periodo largo (LPG) o de rejillas de Bragg inclinadas. (TBG) .

Sensor de gas La presente invenci6n se refiere a sensores para la detecci6n de gas y para medidas de concentraciones de gas; en particular, se refiere a un sensor de fibra 6ptica para la medida de concentraciones de gas en una atm6sfera oxidante tal como aire.

Convencionalmente, la medida de concentraciones de gas es posible usando celdas electroqufmicas, pelistores, sensores semiconductores o sensores 6pticos.

Los pelistores son sensores catalfticos puntuales. Estan hechos de dos bobinas de platino; el elemento de detecci6n y el elemento de compensaci6n. Ambas bobinas estan recubiertas con materiales ceramicos aglomerados; para el elemento de detecci6n se anaden catalizadores de metales nobles. Cuando un gas combustible se pone en contacto con el elemento de detecci6n de gas, dicho gas es oxidado y la reacci6n genera calor, lo que conduce a un aumento de la temperatura de la bobina de platino de detecci6n mientras que no se produce cambio de temperatura en el elemento de compensaci6n. La elevaci6n de la temperatura es directamente proporcional a la concentraci6n del gas y, puesto que el valor de la resistencia del alambre de platino es dependiente del cambio de temperatura, la concentraci6n de gas se mide mediante un sencillo puente de Wheatestone. La diferencia de potencial entre el elemento de detecci6n (detector) y el elemento de compensaci6n (compensador) refleja la concentraci6n del gas.

Los sensores semiconductores estan hechos de una pelfcula semiconductora sensible. Cuando la pelfcula sensible se pone en contacto con una mezcla de gases, uno o varios de los gases de la mezcla pueden ser adsorbidos sobre la superficie de la pelfcula. Cuando la interacci6n s6lido-gas adsorbido es suficientemente fuerte, los electrones se pueden transferir, originado una modificaci6n del numero de portadores de carga (electrones y huecos) . Los gases adsorbidos actuan, de este modo, como agentes dopantes de la superficie y modifican consecuentemente la conductividad del material semiconductor. Mediante el equilibrio de adsorci6n, existe una relaci6n entre la conductividad y la concentraci6n de un gas dado. Por lo tanto, la medida de la conductividad de una pelfcula semiconductora permite la detecci6n de un gas particular. Cuando los gases adsorbidos son receptores de electrones (02, S02 y N02, por ejemplo) , se produce una transferencia electr6nica desde la pelfcula a las moleculas adsorbidas. El numero de huecos asf como la conductividad de la pelfcula aumenta para semiconductores de tipo p mientras que, en el caso de semiconductores de tipo n, el numero de electrones y la conductividad de la pelfcula disminuye. 0tros gases tales como NH , H2 y C0 actuan como donadores de electrones. En este caso, la conductividad de los semiconductores de tipo n aumenta mientras que la conductividad de los semiconductores de tipo p disminuye. Para aumentar la sensibilidad de los sensores semiconductores, la capa de semiconductores puede presentar una estructura porosa o estar depositada como una pelfcula delgada.

Tanto los pelistores como los sensores semiconductores requieren suministro electrico. Por lo tanto, los sensores 6pticos se usan ventajosamente en ambientes en los que la electricidad no esta permitida. Los sensores 6pticos tambien tienen la gran ventaja de estar miniaturizados, ya que la fibra 6ptica esta hecha de dos cilindros concentricos (el nucleo en el que la luz es guiada mediante reflexiones totales internas rodeado por un recubrimiento) con un diametro total de 125 micr6metros. Los sensores de fibra 6ptica son particularmente interesantes en comparaci6n con otras tecnologfas tales como pelistores o sensores semiconductores debido a que ofrecen ventajas unicas tales como inmunidad a las interferencias electromagneticas, peso ligero, flexibilidad, estabilidad, tolerancia a altas temperaturas e incluso durabilidad frente a los ambientes de alta radicaci6n. Una unica fibra 6ptica tambien puede ofrecer detecci6n distribuida o quasi-distribuida, lo cual no es posible con pelistores y sensores semiconductores que proporcionan medidas puntuales.

Los sensores de fibra 6ptica se pueden subdividir en sensores extrfnsecos e intrfnsecos. En los sensores extrfnsecos, la fibra 6ptica se usa s6lo para propagar la luz hacia un sensor externo. Inversamente, los sensores intrfnsecos hacen uso de la propia fibra 6ptica como sistema de detecci6n. Los sensores intrfnsecos se pueden usar de diversas formas En una de las formas, se deposita un material sensible en el extremo de una fibra 6ptica en la que se inyecta una luz monocromatica a traves de un distribuidor. La senal reflejada por el extremo de la fibra es monitorizada y refleja la concentraci6n de gas. Realmente, la capa sensible se escoge de de tal manera que el gas que va a ser detectado origine una modificaci6n de su fndice de refracci6n, una modificaci6n del espectro de fluorescencia o una modificaci6n de la polarizaci6n de la luz reflejada. Como para el caso de los pelistores y los sensores semiconductores, este tipo de sensores de fibra 6ptica s6lo permite medidas puntuales.

En otro forma, se usa el campo evanescente asociado a la propagaci6n de la luz en la fibra 6ptica. La onda evanescente puede acoplar luz del nucleo al recubrimiento. Por lo tanto, si el recubrimiento es localmente retirado y reemplazado por una capa sensible capaz de absorber la energfa del campo evanescente (absorci6n evanescente) , para crear fluorescencia en la regi6n que rodea al nucleo (excitaci6n evanescente) o acoplar la fluorescencia del

E087362

medio circundante con la luz transmitida por el nucleo de la fibra (colecci6n evanescente) , se puede detectar una modificaci6n de la senal transmitida la cual se puede relacionar con la concentraci6n del gas.

En una forma adicional, se puede generar una modulaci6n local del fndice de refracci6n del nucleo de la fibra mediante una sensibilizaci6n ultravioleta para crear una rejilla de fibra 6ptica.

Entre las rejillas de fibra 6ptica, las mas a menudo usadas son las denominadas rejillas de Bragg de fibra 6ptica uniformes (FBG) ya que la modulaci6n del nucleo de la fibra se caracteriza por una periodicidad constante. Estas actuan como espejos selectivos en longitud de onda, reflejando algunas longitudes de onda alrededor de la longitud de onda Bragg definida por la siguiente ecuaci6n:

ABragg = 2 neffA

en la que neff es el fndice de refracci6n efectivo del nucleo de la fibra y A es la periodicidad de la modulaci6n del fndice de refracci6n. Estos parametros son sensibles a las perturbaciones externas tales como la temperatura y la tensi6n mecanica axial que afectan a la fibra que contiene la rejilla. El resultado es un desplazamiento, sin modificaci6n de la forma, de los espectros reflejado y transmitido. Por lo tanto, la informaci6n acerca de la perturbaci6n externa esta codificada por la longitud de inda en el espectro reflejado y transmitido. El orden de magnitud del desplazamiento de la longitud de onda Bragg en respuesta a un cambio de temperatura es de 10 pic6metros por grado centfgrado (pm/oC) alrededor de 1550 nm, mientras que la sensibilidad a la tensi6n axial es del orden de 1 pm/I£ (1 I£ corresponde a un alargamiento de 1 Im de una fibra 6ptica de 1 m de longitud) . La respuesta de las rejillas de Bragg de fibra 6ptica a las perturbaciones externas es lineal y sin histeresis. Las longitudes de onda en cualquier lado de la longitud de onda Bragg son transmitidas sin modificaci6n a traves del sensor. Esta propiedad permite la multiplexaci6n de muchos sensores a lo largo de una unica fibra 6ptica y da origen a una detecci6n quasidistribuida: la fuente 6ptica y el receptor pueden estar compartidos entre todas las unidades de detecci6n Los sensores de gases que utilizan rejillas de Bragg de fibra 6ptica han sido implementados depositando un capa sensible sobre la rejilla. La capa tiene la propiedad de dilatarse en presencia del gas que va a ser detectado, originado una tensi6n axial medida por la rejilla. Por ejemplo, se han usado recubrimientos de poliimida para medir los niveles de humedad y se han usado recubrimientos de paladio para detectar concentraciones de hidr6geno. Sin embargo, las rejillas de Bragg de fibra 6ptica recubiertas con Pd tienen la desventaja de tener un tiempo de respuesta muy largo lo que origina un efecto de histeresis entre las respuestas obtenidas para concentraciones de hidr6geno crecientes y decrecientes. Ademas, el comportamiento de dichos sensores en ambientes oxidantes (por ejemplo, aire) no es conocido, ya que todos los estudios previos mostraban resultados de experimentos realizados en un ambiente de nitr6geno y principalmente dedicados a aplicaciones aeroespaciales.

Existen... [Seguir leyendo]

1. Un sensor de gases de multiples usos adaptado para su utilizaci6n en una atm6sfera oxidante, que comprende: una fibra 6ptica (1) que tiene una zona de detecci6n sensible a la temperatura ( ) y una capa reactiva asociada (2) dispuesta sobre una superficie externa de la fibra 6ptica (1) en al menos una posici6n a lo largo de la longitud de la fibra, caracterizado porque la capa reactiva (2) esta adaptada pata generar un cambio de temperatura cuando se pone en contacto con un gas que va a ser detectado y comprende un material ceramico que comprende 6xido de wolframio u 6xido de vanadio, y un catalizador seleccionado del grupo que consiste en metales y 6xido metalicos catalfticos y, porque la que la zona de detecci6n sensible a la temperatura ( ) comprende una zona o zonas de detecci6n seleccionada de rejillas de Bragg de fibra 6ptica (FBG) , rejillas de Bragg de periodo largo (LPG) o de rejillas de Bragg inclinadas. (TBG) .

2. Un sensor de gases segun la reivindicaci6n 1, en el que la capa reactiva (2) esta adaptada para generar calor cuando se pone en contacto con el gas que va a ser detectado.

. Un sensor de gases segun la reivindicaci6n 1 6 2, en el que la capa reactiva (2) esta adaptada para generar un aumento de temperatura de al menos 100ºC en menos de 0 segundos despues de haber sido puesta en contacto con el gas que va a ser detectado.

4. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, en el que el catalizador comprende uno o mas materiales seleccionados del grupo que consiste en Pt, Pd, Au, Rh, Ru, Ag, Cu, Ni, Fe, Cr, Zn0, Mn02, Co 04, Fe20 , W0, V205, Cr20 , Cr0 , Cu0, Cu20, Ti02, Al20, Si02 y zeolitas.

5. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, en el que la capa reactiva (2) consiste esencialmente en W0 y Pt en una relaci6n at6mica de Pt/W de entre 0, 0 y 0, 20.

6. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, en el que la capa reactiva (2) comprende adicionalmente un material adaptado para absorber longitudes de onda en la regi6n infrarroja del espectro.

7. Un sensor de gases segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se coloca una capa adicional directamente bajo la capa reactiva (2) , comprendiendo dicha capa adicional un material adaptado para absorber longitudes de onda en la regi6n infrarroja del espectro.

8. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, en el que la zona de detecci6n sensible a la temperatura comprende una pluralidad de rejillas de Bragg de fibra 6ptica uniformes (FBG) separadas dispuestas a lo largo de la fibra 6ptica.

9. Un sensor de gases segun la reivindicaci6n 8, en el que la capa reactiva (2) es discontinua y recubre cada rejilla de Bragg de fibra 6ptica separada.

10. Un sensor de gases segun la reivindicaci6n 8 6 9, en el que al menos una rejilla de Bragg de fibra 6ptica de referencia esta dispuesta a lo largo de la fibra 6ptica, estando dicha rejilla de Bragg de fibra 6ptica de referencia colocada adyacente a una rejilla de Bragg, y en el que la rejilla de Bragg de fibra 6ptica de referencia no esta recubierta por la capa reactiva.

11. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, en el que la zona de detecci6n sensible a la temperatura esta dispuesta para acoplar exteriormente luz del nucleo de la fibra al recubrimiento de la fibra.

12. Un sensor de gases segun la reivindicaci6n 11, en el que la zona de detecci6n sensible a la temperatura comprende rejillas de periodo largo (LPG) o rejillas de periodo corto inclinadas (TBG) o una combinaci6n de rejillas de periodo largo (LPG) y rejillas de Bragg de fibra 6ptica uniformes (FBG)

1 . Un sensor de gases segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 6 11 a 12, en el que la capa reactiva (2) esta presente sobre sustancialmente toda la superficie externa de la fibra 6ptica.

14. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, que comprende ademas un equipo de tratamiento de senales adaptado para detectar cambios en la zona de detecci6n sensible a la temperatura y para proporcionar una indicaci6n de la situaci6n y/o los valores de concentraci6n del un gas que va a ser detectado.

15. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, adaptado para detectar un gas que esta presente en la atm6sfera circundante en una cantidad inferior a 1, 5%.

16. Un sensor de gases segun cualquier reivindicaci6n precedente, en el que el sensor de gases es un sensor de gas hidr6geno configurado para detectar hidr6geno en aire.

E0873628.

2. 11-2011

17. Un fibra 6ptica (1) que tiene una zona de detecci6n sensible a la temperatura y una capa reactiva asociada (2) colocada sobre una superficie externa de la fibra 6ptica (1) en al menos una posici6n a lo largo de la longitud de la fibra, caracterizada porque la capa reactiva esta adaptada para generar un cambio de temperatura mediante una reacci6n reversible cuando se pone en contacto con un gas que va a ser detectado en la atm6sfera circundante, y comprende un material ceramico que comprende 6xido de wolframio u 6xido de vanadio, y un catalizador seleccionado del grupo que consiste en metales y 6xidos metalicos catalfticos, y porque la zona de detecci6n sensible a la temperatura ( ) comprende una zona o zonas de detecci6n seleccionadas de rejillas de Bragg de fibra 6ptica (FBG) , rejillas de Bragg de periodo largo (LPG) y rejillas de Bragg inclinadas (TBG) .

E0873628.

2. 11-2011 E0873628.

2. 11-2011