IT201800005135A1 - Sistema leggero, compatto, a basso consumo per l’analisi di gas. - Google Patents

Description

Sistema leggero, compatto, a basso consumo per l’analisi di gas

La presente invenzione concerne un sistema leggero, compatto, a basso consumo per l’analisi di gas.

Più in particolare l’invenzione riguarda un sistema per l’analisi di gas di tipo spettroscopico, basato su componenti a geometria planare che, oltre a consentire facilità ed economicità di produzione, permettono l’impiego di uno schema di disposizione a pila, estremamente compatto, a sua volta semplice ed economico da assemblare; detto sistema, grazie alle ridottissime dimensioni, si rende ideale per l’accoppiamento diretto con sistemi di rilevazione e micro-sistemi di pompaggio esistenti o la produzione assieme a questi ultimi in un unico sistema integrato.

L’invenzione si riferisce al campo del controllo ambientale in senso lato ed in particolare del controllo di gas, e deve intendersi riferita anche al controllo degli ambienti di lavoro e di produzione, in particolare di produzione industriale.

È noto che il controllo ambientale, per essere efficace, necessita di un insieme di azioni mirate a garantire la disponibilità di un quadro aggiornato dello stato di qualità dell’ambiente e della sua evoluzione; ciò al fine di creare una base conoscitiva necessaria per le politiche ambientali e per una corretta informazione al pubblico. Il controllo ambientale è generalmente effettuato da diverse istituzioni presenti sul territorio, che possono utilizzare metodiche, protocolli di raccolta e misura di campioni ambientali tra loro diversificati.

L’analisi dei gas non è limitata a sole finalità di controllo ambientale perché può (e spesso deve) essere inserita, per ragioni di controllo e ottimizzazione, in qualunque processo produttivo che contempli la produzione finale o intermedia di materiali gassosi, come possono essere, solo per citarne due, la combustione e la raffinazione.

I metodi di cui la chimica analitica si avvale per determinare la composizione di miscele gassose sono sostanzialmente due: il metodo a combustione e a il metodo a cromatografia.

Il metodo a combustione è un metodo per determinare la formula minima di un composto che può essere bruciato facilmente. Il campione viene preliminarmente pesato e bruciato in corrente di ossigeno gassoso, dando luogo a prodotti di risulta. Tali prodotti vengono fatti assorbire da particolari sostanze. L’aumento della massa di questi assorbitori corrisponde alle rispettive quantità dei prodotti di reazione. Gli atomi di ossigeno eventualmente presenti in forma di CO2 e di H2O provengono sia dagli eventuali atomi di ossigeno presenti nel composto, ma anche dall’ossigeno gassoso usato, nel qual caso la quantità di ossigeno deve essere calcolata indirettamente.

È il metodo oggi meno interessante perché richiede dispositivi poco maneggevoli, l’utilizzo di combustibile e di costante manutenzione (bruciatori e assorbitori).

I metodi a cromatografia sono più pratici e moderni: rappresentano una tecnica di analisi chimica strumentale (di cui sono state sviluppate molte varianti) che consente di separare tra loro i componenti presenti in una miscela e, inoltre, di identificarne la natura e determinarne la concentrazione. La caratteristica peculiare di questa ampia classe di metodi analitici sta nella loro capacità separativa, che li connota e li distingue dalle altre tecniche. Una volta realizzata la separazione, l’identificazione dei composti e la determinazione della loro concentrazione può essere realizzata con tecniche e strumentazioni di varia natura (per esempio, di tipo spettroscopico o elettrochimico). La separazione dei componenti si basa sul principio della separazione tra fasi: in tutti i metodi cromatografici, la miscela viene disciolta in una fase (un liquido, un gas o un fluido supercritico) che viene fatta fluire (ed è perciò detta fase mobile) attraverso un’altra fase tenuta fissa (fase stazionaria). In ragione della diversa affinità relativa che i vari componenti possiedono per le due fasi, essi tenderanno a fissarsi più o meno rapidamente e più o meno fortemente alla fase stazionaria, e perciò si posizioneranno in zone distinte di quest’ultima: i componenti che mostrano maggiore affinità per la fase stazionaria si raggrupperanno nella regione iniziale di questa, gli altri via via più avanti, in modo da risultare alla fine separati. Nelle tecniche cromatografiche oggi in uso, una volta che le sostanze sono state separate lungo la fase stazionaria, esse vengono recuperate per eluizione, cioè facendo fluire lungo quest’ultima una corrente di fase mobile, costituita da un solvente o da una miscela di più solventi di polarità opportuna o da un gas nel caso della gascromatografia, qui di interesse, e condotte verso il rilevatore.

Le tecniche di rivelazione sono di vario tipo: spettroscopia di assorbimento nell’ultravioletto o nell’infrarosso, fosforescenza, misura dell’indice di rifrazione, diffusione della luce (previa nebulizzazione dell’eluito), metodi elettrochimici (amperometria, voltammetria, conduttometria).

Nell’analisi dei gas, la più utilizzata è la spettroscopia di assorbimento nell’ultravioletto/visibile, anche detta spettroscopia UV/Vis. Essa riguarda i fenomeni di assorbimento delle radiazioni luminose della regione dello spettro elettromagnetico appartenenti al campo del visibile (350 – 700 nm) e del vicino ultravioletto (200 – 350 nm). Viene interessato anche l’UV lontano (10 – 200 nm), anche se in questo caso si opera sotto vuoto o in atmosfera di gas inerte, perché l’ossigeno atmosferico coprirebbe i segnali delle altre sostanze. L’assorbimento di questi tipi di radiazioni da parte delle molecole è in grado di produrre delle transizioni energetiche degli elettroni esterni della molecole, sia impegnati che non impegnati in un legame. Per effettuare analisi qualitative si fa uso di raggi policromatici a spettro continuo, poi separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). In pratica, le singole radiazioni monocromatiche di tale raggio si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà in modo diverso, cioè con diversa intensità, le diverse radiazioni. Riportando perciò i valori registrati in un grafico lunghezza d’onda-assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. Per il fatto che ogni sostanza ha il suo spettro di assorbimento, l’esame di tali spettri permette di identificare una sostanza (per confronto diretto con campioni noti o tramite banche dati di spettri) o di controllarne il grado di purezza.

Per eseguire analisi quantitative si fa uso di raggi monocromatici, cioè costituiti da radiazioni di una sola frequenza. In pratica, date le difficoltà di avere raggi dotati di questa proprietà, si impiegano fasci di radiazioni comprendenti una banda molto ristretta dello spettro, ossia fasci quasi monocromatici. Le determinazioni quantitative sono basate sul fatto che, quando una radiazione attraversa una soluzione (o una miscela), viene assorbita più o meno intensamente a seconda della concentrazione; in altre parole l’assorbimento dipende dalla concentrazione. Disponendo, quindi, di strumenti in grado di misurare l’assorbimento, si risale facilmente alla concentrazione.

Gli analizzatori così concepiti sono, però, di norma, ingombranti e pesanti. Limitando lo spettro delle sostanze rilevabili e miniaturizzando gli apparati elettronici possono essere resi portatili.

Può essere considerato un terzo metodo l’impiego di sensori elettrochimici, che sostanzialmente trasducono la presenza di un elemento chimico in un segnale elettrico. Essi sono costituiti tipicamente da:

- elettrodo sensibile (anodo), detto anche elettrodo di lavoro;

- elettrodo di accumulo (catodo);

- elettrodo di riferimento;

- elettrolita; e

- membrana.

Attraverso una piccola apertura, il gas in esame si diffonde all’interno del sensore, attraversando una membrana igroscopica, che evita il passaggio di vapor acqueo.

Questo approccio consente il passaggio di un adeguato flusso di gas, che andrà a reagire con l’elettrodo di rilevamento per produrre un segnale elettrico sufficiente, evitando la fuoriuscita dell’elettrolita presente nel sensore. Il gas che si diffonde attraverso la barriera reagisce con la superficie dell’elettrodo di rilevamento, provocando la reazione di ossidazione e/o riduzione; l’elettrolita presente all’interno del sensore agevola il passaggio della carica ionica da un elettrodo all’altro. Queste reazioni cambiano in base alla natura del gas da misurare, per questo la scelta del tipo di materiale che costituisce l’elettrodo risulta fondamentale per la sensibilità del sensore; in generale gli elettrodi sono composti da metalli nobili, come il platino o l’oro, e possono anche essere costituiti da leghe. Tra gli elettrodi di catodo e anodo viene posta una resistenza, che consente il passaggio di una corrente proporzionale alla concentrazione del gas. Questa tipologia di sensori consente di convertire, quindi, la concentrazione di un gas in un flusso di corrente elettrica. Alcuni di questi sensori, per funzionare, hanno la necessità di avere applicata esternamente una differenza di potenziale, che dovrebbe rimanere costante. Questa tensione, logicamente, non rimane costante, a causa delle continue reazioni di ossidoriduzione che avvengono nel sensore. Per avere quindi un corretto funzionamento, viene posto tra l’anodo e il catodo e all’interno dell’elettrolita, l’elettrodo di riferimento ad una ben determinata tensione ottenuta da una misura tra catodo e anodo in un ben noto set sperimentale. Nella maggior parte dei casi, l’elettrodo di riferimento e quello di rilevamento vengono connessi tramite un ponte esterno alla camera di reazione.

Tale metodo ha consentito una miniaturizzazione dei dispositivi, ma rimane ovviamente molto più selettivo degli altri due, cioè il singolo sensore è sensibile ad un numero molto limitato di sostanze.

Ovviamente, questo sensore necessita di un circuito elettrico di alimentazione e di un dispositivo elettronico di lettura del segnale misurato, che con la tecnologia attuale possono essere miniaturizzati.

La Tabella 1 riepiloga alcune caratteristiche delle tre metodiche, in particolare si evidenzia come i dispositivi a più grande risoluzione (cioè ampia gamma di sostanze rilevabili) e sensibilità siano molto costosi e ingombranti.

Tabella 1.

Le metodiche fin qui esaminate prevedono comunque uno stadio (e un dispositivo) di separazione analitica, in cui le specie vengono discriminate, e uno stadio di riconoscimento della specie, che viene individuata (qualitativamente) ed eventualmente misurata (in quantità).

Ad esempio, alcune metodiche molto selettive, che si basano sull’alterazione di alcune grandezze tipicamente elettriche di un sostrato, quando questo assorbe o entra in contatto con una particolare specie, effettuano la separazione analitica mediante le caratteristiche fisiche (tipo porosità, viscosità) o chimiche (tipo ossidazione) del sostrato, che può risultare permeabile, adesivo, reagente ad alcune sostanze e non ad altre. Il riconoscimento può avvenire, ad esempio, verificando una variazione di tensione elettrica ai capi del sostrato, che segnala la presenza della specie e, se il fenomeno di accoppiamento lo consente, una misura di tale variazione può dare indicazioni sulla quantità presente.

Nel caso della cromatografia, la fase di riconoscimento viene affidata ad uno spettrofotometro.

Con la spettrofotometria si misura la luce (o la radiazione elettromagnetica in genere) assorbita o emessa dalla miscela, sotto particolari condizioni note (irraggiamento, combustione, elettrizzazione, ecc.), in quanto gli elementi chimici lasciano una impronta caratteristica nello spettro della radiazione.

Sono disponibili molti generi di spettrofotometri. Tra le distinzioni più importanti adottate per classificarli vi sono gli intervalli di lunghezze d’onda nei quali operano (e quindi numero e specie di elementi chimici rilevabili), le tecniche di misurazione che adottano, le modalità secondo le quali acquisiscono uno spettro e le sorgenti dell’intensità luminosa variabile per la cui misura sono stati progettati.

Infine, può essere utile considerare anche la spettrofotometria astronomica, i cui progressi hanno richiesto lo sviluppo di dispositivi per la cattura della luce estremamente sensibili (attualmente discriminano il singolo fotone) e tecniche di estrazione dei dati dagli spettri acquisiti molto affidabili (sostanzialmente software e librerie di spettri). A differenza della gascromatografia, la spettrometria astronomica funziona con lo spettro emissivo, cioè intercettando i fotoni emessi dalle specie che si vogliono rilevare, e i relativi dispositivi non prevedono uno stadio di separazione analitica. La separazione è concettualmente sempre presente, ma avviene direttamente sul dato acquisito, cioè sulla distanza tra le righe di emissione.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire dispositivi poco ingombranti rispetto a quelli disponibili in commercio, economici e a grande risoluzione e sensibilità, combinando la spettrometria ad emissione (che ha virtualmente la gamma più ampia e non necessita del dispositivo di separazione analitica), nei limiti della tecnologia sviluppata in campo astronomico (che ha virtualmente la massima sensibilità), con tecniche di micro- o nanofabbricazione, per realizzare uno strumento di ridotte dimensioni in grado di analizzare piccole quantità di gas.

Non sono oggetto dell’invenzione i dispositivi di alimentazione e di acquisizione dello spettro in sé, che sono utilizzabili in combinazione con la soluzione proposta, da intendere sia come riferimento di massima per i limiti di ingombro raggiungibili dalla tecnologia già commercializzata, sia come categoria di dispositivi all’interno dei quali l’invenzione può essere integrata per realizzare strumenti ancora più compatti, tipo SOC (System On Chip) o SBC (Single-Board Computer).

I dispositivi di cui sopra sono micro- o nanofabbricati ed è evidente che eventuali componenti aggiuntivi devono essere concepiti per quel tipo di fabbricazione, per raggiungere sia gli obiettivi di ingombro sia quelli di economicità di produzione automatica. L’invenzione si propone quindi di configurare e disegnare in maniera non ovvia questi componenti atti allo scopo.

Secondo la presente invenzione viene quindi proposto un sistema per l’analisi di gas che possa riassumere le seguenti caratteristiche:

- alta sensibilità;

- ampia gamma di rilevazione;

- elevato grado di miniaturizzazione;

- semplicità costruttiva;

- economicità;

- specificità per le miscele di gas aria/inquinanti; e

- versatilità del campo d’impiego.

Questo rende il sistema per l’analisi di gas secondo la presente invenzione ideale per alcuni tipi di applicazione, come può essere la sua installazione, vista la compattezza e leggerezza, su un drone, in grado di effettuare, in continuo ed online, misure semi-quantitative di inquinanti definiti ad una certa distanza da un emettitore. Oppure può essere installato come sistema di allarme, in un sistema di areazione, per individuare l’aumento di concentrazione di monossido di carbonio in ambiente, o di altra sostanza di controllo, o su una caldaia o bruciatore per ottimizzare la combustione.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di fornire un sistema per l’analisi di gas che permetta di superare i limiti dei sistemi secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell’invenzione è che detto sistema per l’analisi di gas possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell’invenzione è quello di proporre un sistema per l’analisi di gas che sia semplice, sicuro ed affidabile.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un sistema per l’analisi di gas, comprendente un primo elettrodo e un secondo elettrodo, rispettivamente collegati a mezzi di applicazione di corrente elettrica, che definiscono una tensione tra detto primo elettrodo e detto secondo elettrodo, detto primo elettrodo e detto secondo elettrodo essendo disposti in un contenitore, con almeno un passaggio per l’entrata e/o l’uscita di un gas, insieme ad un elemento di acquisizione dello spettro luminoso, caratterizzato dal fatto che detto primo elettrodo è puntiforme o approssimabile a tale rispetto a un piano e detto secondo elettrodo è piano.

In particolare, secondo l’invenzione, detto secondo elettrodo è disposto tra un primo strato dielettrico di sigillatura, trasparente, e un secondo strato dielettrico di sigillatura.

Alternativamente, secondo la presente invenzione, detto secondo elettrodo e detto secondo strato dielettrico di sigillatura sono entrambi trasparenti e detto elemento di acquisizione dello spettro luminoso è disposto sul lato opposto a detto primo elettrodo rispetto a detto secondo elettrodo; oppure detto secondo elettrodo è riflettente e detto elemento di acquisizione dello spettro luminoso è disposto sullo stesso lato di detto primo elettrodo rispetto a detto secondo elettrodo.

Inoltre, sempre secondo la presente invenzione, detto elemento di acquisizione dello spettro luminoso è scelto tra una testa di spettrometro a CCD, una sonda in fibra ottica o qualunque altro dispositivo atto a raccogliere ed elaborare l’informazione luminosa, in particolare una successione di strati in successione, con un reticolo diffrattivo trasmissivo e una matrice di sensori di immagine (tipo CCD o APS); in cui il reticolo diffrattivo trasmissivo produce lo spettro luminoso che viene proiettato direttamente su detta matrice di sensori, e preferibilmente tra detto reticolo diffrattivo trasmissivo e detta matrice di sensori di immagine è presente un elemento di accomodamento ottico.

Alternativamente, secondo l’invenzione, detto elemento di acquisizione dello spettro luminoso comprende una successione di strati, con uno o più filtri selettivi per la luce e uno o più fotodiodi, che rilevano la presenza di luce nella banda del rispettivo filtro.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra una vista in sezione di un sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 2 mostra una vista prospettica del sistema di analisi di gas della figura 1,

- la figura 3 mostra una vista prospettica del sistema di analisi di gas della figura 1, privato delle pareti di contenimento dei componenti,

- la figura 4 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una prima forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 5 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una prima forma alternativa di realizzazione dell’elemento di acquisizione dello spettro luminoso del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 6 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una seconda forma alternativa di realizzazione dell’elemento di acquisizione dello spettro luminoso del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 7 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una seconda forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 8 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una terza forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 9 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una quarta forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 10 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una quinta forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione,

- la figura 11 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una sesta forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione, e

- la figura 12 mostra una rappresentazione schematica dei componenti di una settima forma di realizzazione del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione.

Il sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione mira a fornire lo stadio di separazione analitica e lo stadio di misurazione che costituiscono il cuore di un analizzatore di gas. Il sistema, come descritto nel seguito, può effettuare misure di gas singoli o miscele (ad esempio aromatici, CO, CO2), in continuo, funzionando online. Lo strumento, per essere completo, deve essere corredato di un sistema di alimentazione elettrica, di alimentazione del gas e di analisi dei dati, qui non discussi perché non oggetto di innovazione, per i quali, in prima battuta, si prevede l’utilizzo di quanto già disponibile allo stato dell’arte. Le peculiarità dell’invenzione consentono però o di abbinarla a sistemi di alimentazione e analisi esistenti particolarmente compatti o, attraverso tecniche di micro-/nano- fabbricazione, di integrarla direttamente per realizzare i cosiddetti SOC o SBC.

Ai fini della comprensione dell’invenzione, è importante notare che il metodo spettroscopico, di per sé non nuovo, viene utilizzato nell’analisi dei gas per lo più in presenza di una fonte di luce, che illumina il provino; nel caso della spettroscopia astronomica, invece, è il provino stesso (stella o altro ammasso) ad emettere la luce da analizzare. L’invenzione mira ad eliminare, prima di tutto, la necessità di un dispositivo illuminante distinto e di ottenere l’informazione dallo spettro emesso dal provino. L’emissione può avvenire con l’elettrizzazione ad alta tensione del gas, a cui fa seguito una scarica elettrica associata a bagliore; lo spettro luminoso del bagliore contiene le informazioni cercate. Anche questo fenomeno non è nuovo, ma il metodo spettroscopico può però essere implementato con una grande varietà di componenti e disposizioni geometriche. Quelle proposte secondo la presente invenzione si basano essenzialmente su elementi a geometria planare, impilati in una struttura compatta, la cui non ovvietà risulta dalla combinazione dei seguenti fattori:

- utilizzo di elettrodi trasparenti o riflettenti, cioè con caratteristiche specificatamente ottiche che esulano dalla normale definizione di elettrodo;

- analogo utilizzo di dielettrici trasparenti o riflettenti, cioè con caratteristiche specificatamente ottiche, che esulano dalla normale definizione di dielettrico, ovvero utilizzo di un componente ottico anche per funzionalità elettrica;

- impiego di componenti realizzati con materiali funzionalizzati, cioè trattati con opportuni processi al fine di conferire funzionalità aggiuntive al componente originario;

- particolare scelta dei cammini ottici (minor numero di riflessioni: una o nessuna), per catturare la maggiore quantità di luce emessa.

Facendo riferimento alle figure 1-4, il sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione prevede una successione di strati: un primo elettrodo 10 puntiforme (o approssimabile a tale rispetto a un piano), un primo strato dielettrico 11 piano trasparente (che può essere o meno in contatto con l’elettrodo 10 puntiforme); un secondo elettrodo 12 piano trasparente; un secondo dielettrico 13 piano trasparente; e un elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso.

Gli strati si trovano all’interno di una cameretta 15 (o di un tubo) con un’entrata 16 ed un’uscita 17 per il passaggio del gas. L’applicazione di un opportuno impulso di corrente elettrica ad alta tensione ma bassissima corrente, tra il primo elettrodo 10 puntiforme e il secondo elettrodo 12 piano, provoca la scarica a bagliore del gas tra di essi, la cui luce può essere analizzata spettroscopicamente per ricavare informazioni sulla composizione del gas.

La luce emessa, infatti, attraversa il supporto costituito dal primo dielettrico 11, dal secondo elettrodo 12 piano e dal secondo dielettrico 13, che sono trasparenti, e giunge, debolmente attenuata al ricettacolo dell’elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso, dove viene raccolta dal sensore. Il secondo elettrodo 12 piano risulta sigillato dai dielettrici 11 e 13, in modo che non sia in contatto con il gas e non possa dare luogo a scariche verso altri elementi del sistema; in questa maniera, il contatto elettrico del gas avviene solo attraverso il primo elettrodo 10 puntiforme.

Il secondo elettrodo 12 piano trasparente, inoltre, a differenza di altre realizzazioni, consente di collocare l’elemento di cattura della luce immediatamente sotto il punto di emissione e allineato con la direzione di massima emissione. Se le pareti interne della cameretta 15 (o del tubo) sono riflettenti, anche parte della luce emessa nelle altre direzioni può essere raccolta e giungere all’elemento di acquisizione dello spettro luminoso. Questi accorgimenti consentono di massimizzare la quantità di luce e quindi minimizzare le dimensioni del dispositivo e il consumo di energia elettrica. Inoltre, lo schema proposto consente una realizzazione robusta ed estremamente semplice e compatta del sistema di analisi di gas dell’invenzione, con componenti facili ed economici da produrre, essendo tutti, a parte l’elettrodo 10 puntiforme, planari e lisci. La struttura a sandwich consente anche la realizzazione attraverso tecniche di deposizione dei materiali, come per la micro-/nano- fabbricazione. Poiché, come spiegato nel descrivere le soluzioni della tecnica nota, con tali tecniche già si producono sistemi di alimentazione elettrica e di cattura delle immagini e del gas, diventerebbe possibile realizzare un SOC o un SBC per l’analisi dei gas ad ampio spettro.

Riguardo alla scarica, è da rilevare che le informazioni luminose potrebbero essere ottenute anche dalla luce emessa da una scarica ad arco, che richiede però tensioni più elevate ed un passaggio di corrente inizialmente più intenso e che provoca erosione degli elettrodi. La scarica a bagliore è quindi preferibile per le più favorevoli condizioni di esercizio e il più basso consumo energetico: anche per questo motivo il secondo elettrodo 12 piano si trova al di sotto di un primo strato dielettrico 11, per impedire la formazione di un cammino per la scarica ad arco, che altrimenti andrebbe evitata prevedendo un circuito di controllo elettronico.

L’elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso può essere una testa di spettrometro a CCD (come quella mostrata nelle figure 1 e 3) o una sonda in fibra ottica o qualunque altro dispositivo atto a raccogliere ed elaborare l’informazione luminosa. Data la geometria planare, l’elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso può essere realizzato con una successione di strati come quella mostrata nella Figura 5, in cui sono mostrati, in successione, un reticolo diffrattivo trasmissivo 18, un elemento di accomodamento ottico 19 e una matrice 20 di sensori di immagine (tipo CCD o APS); in cui il reticolo diffrattivo trasmissivo 18 produce lo spettro luminoso che viene proiettato direttamente (salvo accomodamento ottico) sul CCD o APS e da lì acquisito. In questo caso, lo spettro viene prodotto completamente nella banda e nella risoluzione consentita dal reticolo diffrattivo trasmissivo 18.

A titolo esemplificativo, utilizzando substrati di vetro e tecniche a film sottile, si può fabbricare un dispositivo secondo la presente invenzione con:

- un reticolo diffrattivo trasmissivo 18 con uno strato litografato di SU-8 depositato via “spincoating”, il cui spessore è dell’ordine di qualche micrometro. Oppure, si può realizzare la stessa struttura depositando e litografando la geometria del reticolo, su uno strato di metallo dell’ordine di 300nm come il cromo, l’alluminio e una lega di titanio e tungsteno;

- un elemento 19 di accomodamento ottico, in questo caso, non servirebbe, poiché il sensore 20 di immagine e il reticolo diffrattivo trasmissivo 18 sono fabbricati su facce opposte dello stesso substrato di supporto;

- la matrice di sensori 20 di immagine che può essere fabbricata come array di fotodiodi p-i-n in a-Si:H il cui spessore totale è dell’ordine di 0.5 micrometri.

Nel caso lo spettro completo non sia necessario, ma solo un insieme di righe discrete, l’elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso può essere realizzato con una successione di strati come quella mostrata nella figura 6, che comprende: uno o più filtri 21, 22, 23, 24, selettivi per la luce; uno o più fotodiodi 25; dove uno strato contenente uno o più filtri 21, 22, 23, 24 selettivi affiancati trasmette la luce ad uno o più fotodiodi 25 corrispondenti, che rilevano la presenza di luce nella banda del filtro. In queste realizzazioni alternative (schematizzate nelle figure 7 e 8), l’elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso cattura la luce emessa dall’elettrodo 10 puntiforme e trasmessa da una serie di strati 11, 12, 13, trasparenti.

A titolo esemplificativo, i filtri selettivi 21, 22, 23, 24 per la luce possono essere fabbricati depositando, sulla superficie dalla quale proviene la luce, una serie di strati di materiale ad indice di rifrazione differente, in modo da creare un filtro dielettrico. Per quanto riguarda i fotodiodi 25, possono essere fabbricati come fotodiodi in silicio amorfo idrogenato.

Come mostrato in figura 9, il secondo elettrodo 12’ piano può essere riflettente, invece che trasparente. In questo caso, l’elemento 14’ di acquisizione dello spettro luminoso sarà posizionato alle spalle del primo elettrodo 10 puntiforme, secondo lo schema base mostrato in figura 9. L’elemento 14 di acquisizione dello spettro luminoso può essere dettagliato come nei casi precedenti e dare luogo alle realizzazioni alternative di figura 10 e 11.

A titolo esemplificativo, l’elettrodo 12’ riflettente può essere realizzato con uno strato di metallo depositato via “Magnetron Sputtering”, utilizzando cromo, alluminio o lega di titanio tungsteno, oppure tramite PVD, come nel caso del cromo e dell’alluminio.

Lo schema proposto e mostrato in figura 9 consente una realizzazione robusta ed estremamente semplice e compatta del sistema di analisi di gas secondo la presente invenzione, con componenti facili ed economici da produrre.

Inoltre, gli strati di materiale dielettrico 11, 13’ o altro supporto possono essere funzionalizzati con metallizzazioni trasparenti o opache, deposizioni di materiale o incisioni, ad ulteriore riduzione del numero di componenti da assemblare, degli ingombri e del peso. In particolare, il primo dielettrico 11 può essere metallizzato per ottenere anche il secondo elettrodo 12 piano trasparente o anche il secondo elettrodo 12’ piano riflettente, oppure opportunamente funzionalizzato può svolgere anche il compito di reticolo diffrattivo 18 (trasmissivo o riflettente) per la generazione dello spettro del bagliore emesso.

Una particolare realizzazione, mostrata nella figura 12, prevede la funzionalizzazione della faccia inferiore del secondo dielettrico di sigillatura con filtri selettivi 21, 22, 23, 24, consentendo l’eliminazione anche dello strato di accomodamento ottico 18 a supporto di questi ultimi, come in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata.. In questa forma di realizzazione, il supporto può essere realizzato, a titolo esemplificativo, in vetro o plastica.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema di analisi di gas, comprendente un primo elettrodo (10) e un secondo elettrodo (12), rispettivamente collegati a mezzi di applicazione di corrente elettrica che definiscono una tensione tra detto primo elettrodo (10) e detto secondo elettrodo (12), detto primo elettrodo (10) e detto secondo elettrodo (12) essendo disposti in un contenitore (15), con almeno un passaggio (16, 17) per l’entrata e/o l’uscita di un gas, insieme ad un elemento (14) di acquisizione dello spettro luminoso, caratterizzato dal fatto che detto primo elettrodo (10) è puntiforme o approssimabile a tale rispetto a un piano e detto secondo elettrodo (12) è piano.
2. 2) Sistema di analisi di gas secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto secondo elettrodo (12) è disposto tra un primo strato dielettrico (11) di sigillatura, trasparente, e un secondo strato dielettrico (13) di sigillatura.
3. 3) Sistema di analisi di gas secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto secondo elettrodo (12) e detto secondo strato dielettrico (13) di sigillatura sono entrambi trasparenti e che detto elemento (14) di acquisizione dello spettro luminoso è disposto sul lato opposto a detto primo elettrodo (10) rispetto a detto secondo elettrodo (12).
4. 4) Sistema di analisi di gas secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto secondo elettrodo (12) è riflettente e che detto elemento (14) di acquisizione dello spettro luminoso è disposto sullo stesso lato di detto primo elettrodo (10) rispetto a detto secondo elettrodo (12).
5. 5) Sistema di analisi di gas secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto elemento (14) di acquisizione dello spettro luminoso è scelto tra una testa di spettrometro a CCD, una sonda in fibra ottica o qualunque altro dispositivo atto a raccogliere ed elaborare l’informazione luminosa.
6. 6) Sistema di analisi di gas secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto elemento (14) di acquisizione dello spettro luminoso comprende una successione di strati in successione, con un reticolo diffrattivo trasmissivo (18) e una matrice (20) di sensori di immagine (tipo CCD o APS); in cui il reticolo diffrattivo trasmissivo (18) produce lo spettro luminoso che viene proiettato direttamente su detta matrice (20) di sensori.
7. 7) Sistema di analisi di gas secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che tra detto reticolo diffrattivo trasmissivo (18) e detta matrice (20) di sensori di immagine è presente un elemento di accomodamento ottico (19).
8. 8) Sistema di analisi di gas secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, caratterizzato dal fatto che detto elemento (14) di acquisizione dello spettro luminoso comprende una successione di strati, con uno o più filtri (21, 22, 23, 24) selettivi per la luce e uno o più fotodiodi (25), che rilevano la presenza di luce nella banda del rispettivo filtro.