¿Por qué hay tanta variedad de detectores de gases?

Hay varios tipos de sensores de gas que funcionan diferentes entre sí y dependen del tipo de tecnología o su principio de funcionamiento. Dependiendo de su modo de operación, existen dos grupos generales de sensores de gas: el primer grupo lo conforman sensores que funcionan por medio de absorción, reacciones químicas y de contacto con el gas; el segundo grupo lo conforman sensores que funcionan con base en emisiones infrarrojas o ultrasónicas. Por otro lado, los sensores (independientemente de su configuración y funcionamiento) pueden agruparse de acuerdo al tipo de gas que detectan: los sensores que detectan gases combustibles generalmente son sensores catalíticos e infrarrojos, mientras que para la detección de gases tóxicos generalmente se emplean sensores electroquímicos y de semiconductores de óxido metal (MOS -Metal Oxide Semiconductor).

Tipos de sensores

Sensores electroquímicos (más comunes).

Se usan en la determinación de la concentración de oxígeno (O2) y para gases tóxicos como el monóxido de carbono (CO), sulfuro de hidrógeno (H2S), cloro (Cl2), óxidos de nitrógeno (NO, NO2 ó NOX), entre otros. Funcionan a través de señales eléctricas cuando se detecta un gas. En general, estos tipos de detectores son muy sensibles y emiten señales de advertencia a través de corrientes eléctricas. Estos sensores tienen dos electrodos divididos por una capa de electrolitos, la cual puede ser líquida, sólida o en forma de gel. Cuando el gas entra en el sensor a través de una membrana y la tensión de polarización está aplicada a los electrodos, se presenta una reacción de reducción-oxidación que genera una corriente eléctrica directamente proporcional a la concentración de gas.

Los semiconductores de óxido metálico (MOS)

Se utilizan para detectar gases tóxicos. Y funcionan a través de una película sensible al gas que está compuesta de óxidos de estaño o tungsteno. La película sensible reacciona con los gases, activando el dispositivo cuando hay niveles tóxicos presentes; está compuesta principalmente por cristales de óxido-metal del tipo n – normalmente es dióxido de estaño (SnO2), óxido de indio (InO3), óxido de wolframio (WO3), entre otros. Estos sensores son muy eficientes ya que pueden operar en un rango amplio de ambientes húmedos. La reacción química ocurre cuando el gas hace contacto con el sensor provocando que la resistencia eléctrica en el sensor decrezca. En los sensores que usan el dióxido de estaño, la sensibilidad para diferentes gases varía con la temperatura, por lo que hay un filamento que se calienta por medio de una corriente eléctrica. Ofrecen menor precisión y repetibilidad que los electroquímicos.


Sensores infrarrojos (IR).

Funcionan con emisores y receptores de luz infrarroja. Si un gas se encuentra en el ambiente, éste interfiere con la potencia de transmisión entre el emisor y el receptor. Esta alteración determina qué tipo de gas se encuentra presente.

El funcionamiento de estos sensores se basa en el principio de que el gas absorbe energía de la emisión a una determinada longitud de onda -normalmente en el rango de los infrarrojos- Los gases que puede detectar este tipo de sensor son aquellos que contengan más de un tipo de átomo, como dióxido de carbono (CO2) o metano (CH4) ya que absorben la radiación infrarroja (sin embargo está diseñado para poder captar todos los gases explosivos). Los gases con un sólo tipo de átomo, como el hidrógeno (H2), no pueden. Cuando los gases pasan entre el emisor y el receptor, el gas absorbe parte de la radiación infrarroja y la menor intensidad de la emisión es detectada por el receptor. La concentración del gas detectado es proporcional a la cantidad de luz infrarroja absorbida.

Los sensores IR son los de mayor vida útil a diferencia de cualquier otro (entre 7 y 10 años sin pérdida de las propiedades ni desviación respecto a su configuración de fábrica). Son los sensores más estables que existen en el mercado.



Sensores ultrasónicos.

Estos usan emisiones ultrasónicas para detectar cambios en el ruido de fondo del ambiente en donde se encuentren, principalmente para detectar fugas en tuberías -la fuga de un gas genera un sonido ultrasónico en un rango promedio entre los 25 kHz y los 10 MHz-. 

Sensores catalíticos.

A estos sensores también suelen llamarlos pellistores -palabra formada por la combinación de las palabras en inglés pellet y resistor-. Su funcionamiento es por la oxidación del gas vía catalítica. Dado que estos son los sensores de gas más asequibles para el público en general, se ahondará un poco más en su configuración y en su funcionamiento. Vida útil de entre 2 y 3 años (mucho menor a la IR para gases combustibles).
Estos sensores están compuestos por dos bobinas de platino, ambas encapsuladas en un material cerámico de alumina. Uno de estos encapsulados está cubierto de un material catalizador -normalmente de paladio- que causa y acelera la oxidación del elemento (esta parte es conocida como elemento detector) mientras que el otro encapsulado no tiene ese material para la oxidación del gas (esta parte se conoce como elemento de referencia), por lo que es inerte.
El principio de operación de este sensor consiste en la oxidación del gas en la superficie del elemento catalítico por medio de calor generado a partir de una corriente eléctrica que circula por la bobina. La corriente pasa por la espiras hasta alcanzar una temperatura entre los 450°C y los 550°C, permitiendo la oxidación del gas. Cuando este gas ha sido oxidado -esto es, que se ha quemado- provoca un incremento superior de temperatura en la bobina tratada y no en la otra, ocasionando un desajuste en el circuito mediante la variación de la resistencia eléctrica, ya que el incremento de la temperatura en el elemento detector provoca un aumento en su resistencia eléctrica mientras que en el elemento de referencia su resistencia eléctrica permanecerá sin cambios.



El desajuste ocurre en un circuito con una configuración llamada puente Wheatstone. Este está formado por ambos elementos. Una resistencia variable es ajustada para mantener un balance del circuito cuando el sensor se encuentre en un ambiente con aire. Cuando, además del aire hay un gas, sólo la resistencia del elemento detector se incrementa, causando un desajuste en el circuito que proporciona una diferencia de potencial.

Los sensores catalíticos son sensibles y pueden funcionar indeseablemente (interferencia cruzada) en presencia de gases inhibidores tales como dióxido de azufre (SO2), ácido sulfhídrico (H2S), compuestos halogenados, etc. También el catalizador puede sufrir envenenamiento si se encuentra en el aire vapores de silicio, grasas, ésteres de fosfato, ácidos, entre otros.

Los sensores contienen una malla de hilos de acero y debajo de esta malla se encuentra confinado el elemento de sensado. La importancia de esta malla radica en los siguientes aspectos: Sirve como filtro al retener las partículas suspendidas que se encuentren en el ambiente, permitiendo solamente el paso de compuestos gaseosos. Protege las bobinas encapsuladas. Es una malla anti-explosión que mantiene al sensor intacto a altas temperaturas.

Sensores PID (Detectores de Fotoionización).

Utilizado principalmente para la detección de Compuestos Orgánicos Volátiles (VOCs). Miden a partir de mil millones de partes por millón (ppb) hasta 15000 partes por millón (ppm). Son los detectores más eficientes y asequibles. Resolución en ppm o ppb o mg/m3 o µg/m3.

Detector de iones que utiliza fotones de alta energía, por medio de una lámpara ultravioleta (UV), para romper las moléculas de los compuestos en forma de iones cargados positivamente cuando llegan al detector. La luz UV excita las moléculas, dando como resultado la pérdida temporal de electrones y la formación de iones con carga positiva. El gas adquiere carga eléctrica y los iones producen una corriente eléctrica, que es la señal de salida del detector.
Cuanto mayor sea la concentración del componente, más iones se producirán, y mayor será la corriente.

Previo a la selección definitiva del PID, se deberá seleccionar el tipo de lámpara del detector en función del potencial de ionización del compuesto a muestrear (unidad electrón Volt)

·  Lámpara de 9,8 eV. (Vida útil aproximada de entre 12 y 18 meses)
·  Lámpara de 10,6 eV. (Vida útil aproximada de entre 2 y 3 años)
·  Lámpara de 11,7 eV. (Vida útil aproximada de entre 3 y 6 meses)

Potencial de Ionización: Energía necesaria para separar un electrón (en su estado fundamental) de un átomo, de un elemento en estado de agregación gaseoso.

El equipo no reacciona ante la presencia de compuestos de potencial de ionización mayor o gases tales como oxígeno, nitrógeno u argón, entre otros. El gas pasa por la lámpara como aire puro sin alterar la concentración en el display.

General

Los detectores son de aplicación esencial para la seguridad doméstica, comercial e industrial. Los detectores de gas se utilizan en talleres de soldadura, para detectar combustibles y tóxicos, en plantas nucleares para detectar combustibles. También se usan comúnmente para detectar vapores peligrosos en plantas de tratamiento de aguas residuales. También son muy eficientes en espacios confinados donde no hay ocupación continua de los empleados. Tales espacios incluyen tanques, fosas, recipientes y contenedores de almacenamiento. Los detectores también pueden colocarse en un sitio para detectar toxinas antes de la entrada del ocupante.

Aunque los detectores de gas son generalmente una tecnología confiable, con algunos modelos que pueden durar hasta cinco años, su función adecuada depende generalmente del mantenimiento del usuario, la inspección de la batería y la calibración. La calibración es un procedimiento de seguridad que se ejecuta para garantizar que los detectores estén midiendo el nivel correcto de gas. Además, la vida útil de los detectores de gas también depende a menudo de la cantidad de vapores de gas a los que están expuestos. Los sensores contaminados pueden no registrar niveles peligrosos de gas, por lo que la calibración frecuente es esencial.

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