NIR y NDIR: dos sensores de infrarrojos para la madera y para el aire

El mismo principio, dos usos distintos

Los enlaces químicos vibran a frecuencias concretas y absorben la radiación infrarroja que coincide con ellas. Midiendo cuánta luz se absorbe en cada longitud de onda se sabe qué hay en una muestra y en qué cantidad. A partir de ahí, los caminos se separan:

• NIR (infrarrojo cercano, de 780 a 2.500 nm) analiza todo un espectro para caracterizar materiales sólidos o líquidos.
• NDIR (infrarrojo no dispersivo) mira una sola banda del infrarrojo medio para medir la concentración de un gas.

NIR: la huella química de un material

En el infrarrojo cercano no aparecen las vibraciones fundamentales, sino sus sobretonos y bandas de combinación, mucho más débiles. Casi todas proceden de enlaces con hidrógeno: C-H, O-H y N-H. Como referencia orientativa, el primer sobretono del C-H está hacia 1.700 nm y el segundo hacia 1.200 nm; el agua, a través del O-H, marca bandas intensas hacia 1.450 y 1.940 nm; el N-H, propio de las proteínas, aparece hacia 1.500 nm.

Estas bandas son anchas y se solapan, así que no se interpreta un pico aislado: se compara el espectro completo, que funciona como una huella del material. Su gran ventaja es que se mide por reflexión, en segundos y sin preparar ni destruir la muestra.

Quimiometría: del espectro al dato

Para pasar de una curva a una respuesta hace falta un modelo estadístico, que se entrena con muestras de referencia medidas por un método de laboratorio:

• Pretratamiento: derivadas y normalizaciones que eliminan efectos de la rugosidad o la distancia.
• PCA (análisis de componentes principales): resume cientos de longitudes de onda en unas pocas variables, agrupa muestras parecidas y detecta las anómalas.
• PLS (mínimos cuadrados parciales): relaciona el espectro con un valor numérico, como la humedad.
• Clasificación: PLS-DA, SVM u otros algoritmos asignan cada espectro a una clase.

El modelo solo es fiable dentro del rango de muestras con el que se calibró y debe validarse con un conjunto independiente.

Madera: especie y humedad

Con una buena biblioteca de referencia, la espectroscopía NIR distingue especies o tipos de madera de aspecto parecido, porque la proporción de celulosa, hemicelulosas, lignina y extractivos cambia la forma del espectro. Los estudios publicados con PLS-DA alcanzan aciertos por encima del 90 % en conjuntos de especies conocidas.

La humedad se mide a través de las bandas del agua, con buena precisión por debajo del punto de saturación de las fibras (en torno al 25-30 %). Hay que tener en cuenta que la humedad también deforma el espectro y puede confundir al clasificador de especies, así que conviene incluir muestras con distintas humedades en la calibración. La temperatura y el estado de la superficie, en bruto o cepillada, también influyen.

NDIR: CO₂ con una lámpara, un tubo y un filtro

El CO₂ tiene una banda de absorción fundamental muy intensa en torno a 4,26 µm, donde el vapor de agua apenas interfiere. Un sensor NDIR tiene una fuente infrarroja pulsada, un tubo o cámara óptica por donde circula el aire, un filtro interferencial centrado en esa banda y un detector, normalmente una termopila. Según la ley de Beer-Lambert, la intensidad cae de forma exponencial con la concentración y la longitud del camino: I = I₀·e^−k·c·L. Por eso los módulos compactos pliegan el camino óptico con espejos.

La lámpara y la óptica envejecen. Los sensores de doble haz añaden un segundo detector con un filtro de referencia, hacia 3,9 µm, que el CO₂ no absorbe: el cociente entre ambos canales compensa la deriva. Los de un solo canal recurren a la autocalibración ABC: suponen que el valor mínimo registrado en un periodo de unos 7 u 8 días corresponde a aire exterior, unos 400 ppm, y corrigen poco a poco. Funciona en oficinas que se ventilan por la noche, pero falsea la medida en salas ocupadas o cerradas siempre, invernaderos o cámaras: allí debe desactivarse y calibrarse a mano.

Un sensor de calidad del aire típico mide de 400 a 5.000 ppm con una precisión de ±(30 a 50 ppm + 3 a 5 % de la lectura). Como mide densidad de moléculas, conviene compensar la presión atmosférica o la altitud. Y como la lámpara consume en cada pulso, en equipos con pila hay que administrar bien el consumo.

Calidad del aire de una sala

El CO₂ en interiores no es tóxico a estas concentraciones, pero indica si el aire exhalado se renueva. El aire exterior ronda hoy los 420-430 ppm. Como orientación:

• Por debajo de 800 ppm: buena ventilación.
• De 800 a 1.000 ppm: aceptable; conviene vigilar.
• De 1.000 a 1.400 ppm: ventilación insuficiente.
• Por encima de 1.500 ppm: renovar el aire cuanto antes.

En España, el RITE clasifica la calidad del aire interior por el exceso de CO₂ sobre el exterior: 350 ppm para IDA 1, 500 para IDA 2 (oficinas y aulas), 800 para IDA 3 y 1.200 para IDA 4. El sensor debe ir a la altura de respiración, lejos de puertas, ventanas y rejillas, y sus datos pueden enviarse por Zigbee o LoRa o leerse con una placa de desarrollo.

NIR frente a NDIR