AES_7 2023

Ottobre 2023 n Automazione e Strumentazione Approfondimenti 38 SENSORI Tipi di sensori VOC I sensori per la misurazione dei VOC possono essere di tipi differenti: a semiconduttore ossido di metallo, a rilevamento con fotoionizzazione, elettrochimici, intelligenti, a ionizzazione di fiamma, fotoacustici. Sensori a semiconduttore ossido di metallo Uno dei sensori di gas più comuni sul mercato è il sensore di gas a metallo ossido semiconduttore (MOS), che utilizza un metodo di rilevamento diretto in cui i gas da rilevare entrano in contatto fisico con il materiale. Per rilevare i VOC, i sen- sori MOS utilizzano un piccolo elemento riscal- dante che ossida il VOC. Questo composto ossi- dato reagisce con uno strato di ossido metallico (generalmente l’ossido di stagno), che modifica la resistenza dello strato. Sebbene questi sensori siano spesso i più eco- nomici e i più facili da realizzare, essi presen- tano numerose sfide. I sensori MOS utilizzano un piccolo riscaldatore che richiede tempo per riscaldarsi e diventare operativo; ciò significa anche che non possono essere accesi e spenti rapidamente. In secondo luogo, questi sensori possono richiedere fino a 48 ore di tempo di assestamento prima di poter essere calibrati, il che genera delle criticità quando si opera con un prodotto fabbricato. Dal momento che i sen- sori MOS reagiscono con i composti organici e inorganici, essi offrono una discriminazione minima o nulla (cioè rilevano la presenza di tutti i composti volatili), con conseguente scarsa accuratezza e bassa sensibilità. Inoltre, l’uti- lizzo di un riscaldatore integrato per ossidare i VOC comporta un rischio di accensione. Mentre molti sensori MOS includono gabbie per pre- venire l’accensione, i sensori MOS danneggiati possono essere estremamente pericolosi per gli ambienti nei quali ci si aspettano perdite fre- quenti di VOC. Sensori di rilevamento a fotoionizzazione I sensori di rilevamento a fotoionizzazione (PID) utilizzano luce ad alta frequenza per rompere le molecole VOC, le quali danno origine a una cor- rente elettrica misurabile. I sensori PID offrono un livello di accuratezza elevato, sono sensibili a concentrazioni di appena 0,5 parti per miliardo (ppb) e reagiscono in pochi secondi a modifiche nella concentrazione. La selettività dei PID può essere raggiunta par- zialmente utilizzando una frequenza di luce specifica, che fornisce a ciascuna molecola un determinato quantitativo di energia. Quest’ultimo è definito dalla legge di Planck (E=hf), la quale afferma che l’energia di un’onda elettromagne- tica è direttamente correlata alla sua frequenza. Essendo i VOC caratterizzati da energie di attiva- zione specifiche, un sensore PID ignorerà i VOC a una determinata energia ma reagirà a quelle al di sopra di questo limite. Tuttavia, i PID potrebbero non funzionare corret- tamente in ambienti umidi, e le loro applicazioni sono limitate a causa dell’incapacità di rilevare piccole molecole di VOC come il metano. Inoltre, i sensori PID generalmente lavorano con gruppi funzionali, ma non con catene di idrocarburi. Sensori elettrochimici I sensori elettrochimici sono simili ai sensori MOS, in quanto ossidano un VOC per produrre una corrente elettrica. Mentre i sensori MOS uti- lizzano un elemento riscaldante per bruciare fisi- camente il gas, i sensori elettrochimici utilizzano una membrana che permette al VOC di diffon- dersi (insieme all’ossigeno) e di combinarsi chi- micamente in un sito di attivazione. Questo strato di diffusione rimuove il rischio di esplosione e consente al sensore di funzionare con risoluzioni fino a 10 ppb. L’Intelligenza Artificiale e l’elevata sensibilità del sensore BME688 di Bosch lo rendono una soluzione particolarmente interessante per applicazioni IoT