
Un detector de gas es un dispositivo que detecta la presencia de gases en un espacio determinado, generalmente como parte de un sistema de seguridad. Este detector puede activar una alarma para alertar a los operarios en la zona donde se produce la fuga, dándoles la oportunidad de evacuar. Este tipo de dispositivo es importante porque muchos gases pueden ser perjudiciales para la vida orgánica, como la humana o la animal.
Los detectores de gas se pueden usar para detectar gases combustibles , inflamables y tóxicos , así como la falta de oxígeno . Este tipo de dispositivo se usa ampliamente en la industria y se puede encontrar en lugares como plataformas petrolíferas para monitorear procesos de fabricación y tecnologías emergentes como la fotovoltaica . También se pueden usar en la extinción de incendios .
La detección de fugas de gas es el proceso de identificar fugas de gas potencialmente peligrosas mediante sensores . Además, se puede realizar una identificación visual utilizando una cámara térmica. Estos sensores suelen emplear una alarma sonora para alertar a las personas cuando se ha detectado un gas peligroso. La exposición a gases tóxicos también puede ocurrir en operaciones como pintura, fumigación, llenado de combustible, construcción, excavación de suelos contaminados, operaciones de vertederos, entrada a espacios confinados, etc. Los sensores comunes incluyen sensores de gas combustible, detectores de fotoionización, sensores puntuales infrarrojos , sensores ultrasónicos , sensores electroquímicos de gas y sensores de metal-óxido-semiconductor (MOS). Más recientemente, se han comenzado a utilizar sensores de imágenes infrarrojas. Todos estos sensores se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y se pueden encontrar en plantas industriales, refinerías, fabricación de productos farmacéuticos, instalaciones de fumigación, fábricas de pulpa de papel, astilleros y astilleros, operaciones con materiales peligrosos, plantas de tratamiento de aguas residuales, vehículos, pruebas de calidad del aire interior y hogares.
Historia
Los métodos de detección de fugas de gas se convirtieron en una preocupación tras el descubrimiento de los efectos nocivos de los gases en la salud humana. Antes de la llegada de los sensores electrónicos modernos , los métodos de detección temprana se basaban en detectores menos precisos. Durante el siglo XIX y principios del XX, los mineros del carbón llevaban canarios a los túneles como sistema de detección temprana de gases potencialmente mortales como el dióxido de carbono , el monóxido de carbono y el metano . El canario, normalmente un ave muy cantora, dejaba de cantar y acababa muriendo si no se le exponía a estos gases, alertando así a los mineros para que abandonaran la mina rápidamente.
El primer detector de gas de la era industrial fue la lámpara de seguridad de llama (o lámpara Davy ), inventada por Sir Humphry Davy (de Inglaterra) en 1815 para detectar la presencia de metano (humo refractario) en minas de carbón subterráneas. Esta lámpara consistía en una llama de aceite ajustada a una altura específica en aire fresco. Para evitar la ignición, la llama estaba contenida dentro de una funda de vidrio con un parallamas de malla. La altura de la llama variaba según la presencia de metano (más alta) o la falta de oxígeno (más baja). Hoy en día, en algunas partes del mundo, las lámparas de seguridad de llama siguen en uso.
La era moderna de la detección de gases comenzó entre 1926 y 1927 con el desarrollo del sensor de combustión catalítica (LEL) por el Dr. Oliver Johnson. El Dr. Johnson, empleado de Standard Oil Company en California (actualmente Chevron), inició la investigación y el desarrollo de un método para detectar mezclas combustibles en el aire y así prevenir explosiones en los tanques de almacenamiento de combustible. En 1926 se desarrolló un prototipo, denominado Modelo A. El primer medidor práctico de "indicador eléctrico de vapor" comenzó a producirse en 1927 con el lanzamiento del Modelo B.
La primera empresa de detección de gases del mundo, Johnson-Williams Instruments (o JW Instruments), fue fundada en 1928 en Palo Alto, California, por el Dr. Oliver Johnson y Phil Williams. JW Instruments es reconocida como la primera empresa de electrónica de Silicon Valley. Durante los siguientes 40 años, JW Instruments fue pionera en numerosos avances en la detección de gases, incluyendo la fabricación de instrumentos más pequeños y portátiles, el desarrollo de un detector de oxígeno portátil y el primer instrumento combinado capaz de detectar tanto gases/vapores combustibles como oxígeno.
Antes del desarrollo de los detectores electrónicos domésticos de monóxido de carbono en las décadas de 1980 y 1990, la presencia de monóxido de carbono se detectaba con un papel impregnado químicamente que se volvía marrón al exponerse al gas. Desde entonces, se han desarrollado numerosas tecnologías y dispositivos electrónicos para detectar, monitorear y alertar sobre fugas de una amplia gama de gases.
A medida que el costo y el rendimiento de los sensores electrónicos de gas mejoraron, estos se han incorporado a una gama más amplia de sistemas. Su uso en automóviles se centró inicialmente en el control de emisiones del motor , pero ahora también se utilizan para garantizar la comodidad y la seguridad de los pasajeros. Se están instalando sensores de dióxido de carbono en edificios como parte de sistemas de ventilación controlados por demanda . Se están investigando sistemas sofisticados de sensores de gas para su uso en sistemas de diagnóstico, monitoreo y tratamiento médico, mucho más allá de su uso inicial en quirófanos . Los monitores y alarmas de monóxido de carbono y otros gases nocivos están cada vez más disponibles para oficinas y hogares, y se están convirtiendo en un requisito legal en algunas jurisdicciones.
Originalmente, los detectores se fabricaban para detectar un solo gas. Las unidades modernas pueden detectar varios gases tóxicos o combustibles, o incluso una combinación de ellos. [ 1 ] Los analizadores de gases más recientes pueden descomponer las señales de los componentes de un aroma complejo para identificar varios gases simultáneamente. [ 2 ]
Los sensores de metal-óxido-semiconductor (MOS) se introdujeron en la década de 1990. El primer sensor de gas MOS conocido fue demostrado por G. Sberveglieri, G. Faglia, S. Groppelli, P. Nelli y A. Camanzi en 1990. Desde entonces, los sensores MOS se han convertido en importantes detectores de gases ambientales. [ 3 ]
Tipos
Los detectores de gas se pueden clasificar según su mecanismo de funcionamiento ( semiconductor , oxidación, catalítico, fotoionización, infrarrojo, etc.). Existen dos formatos principales: dispositivos portátiles y detectores de gas fijos.
Los detectores portátiles se utilizan para monitorear la atmósfera alrededor del personal y pueden llevarse en la mano, en la ropa o en un cinturón/arnés. Estos detectores de gas generalmente funcionan con baterías. Emiten alertas mediante señales sonoras y visuales, como alarmas y luces intermitentes, cuando detectan niveles peligrosos de vapores de gas.
Los detectores de gas fijos pueden utilizarse para la detección de uno o más tipos de gas. Generalmente, se instalan cerca del área de proceso de una planta o sala de control, o en un área que se deba proteger, como un dormitorio residencial. Por lo general, los sensores industriales se instalan en estructuras fijas de acero dulce y un cable conecta los detectores a un sistema de control y adquisición de datos (SCADA) para su monitorización continua. En caso de emergencia, se puede activar un enclavamiento de seguridad.
Electroquímica
Los detectores electroquímicos de gas funcionan permitiendo que los gases se difundan a través de una membrana porosa hacia un electrodo, donde se oxidan o reducen químicamente . La cantidad de corriente producida depende de la cantidad de gas oxidado en el electrodo, [ 4 ] lo que indica la concentración del gas. Los fabricantes pueden personalizar los detectores electroquímicos de gas modificando la barrera porosa para permitir la detección de un rango específico de concentración de gas. Además, dado que la barrera de difusión es una barrera física/mecánica, los detectores tienden a ser más estables y fiables durante la vida útil del sensor y, por lo tanto, requieren menos mantenimiento que otras tecnologías de detección anteriores.
Sin embargo, los sensores están expuestos a elementos corrosivos o contaminación química y pueden durar solo 1 o 2 años antes de que sea necesario reemplazarlos. [ 5 ] Los detectores electroquímicos de gas se utilizan en una amplia variedad de entornos, como refinerías, turbinas de gas, plantas químicas, instalaciones subterráneas de almacenamiento de gas y más.
Perla catalítica
Los sensores de perlas catalíticas ( pellistores ) se utilizan comúnmente para medir gases combustibles que presentan riesgo de explosión cuando sus concentraciones se encuentran entre el límite inferior de explosividad (LIE) y el límite superior de explosividad (LSE). Las perlas activa y de referencia, que contienen bobinas de alambre de platino, se sitúan en brazos opuestos de un circuito de puente de Wheatstone y se calientan eléctricamente hasta unos cientos de grados Celsius. La perla activa contiene un catalizador que permite la oxidación de los compuestos combustibles, calentándola aún más y modificando su resistencia eléctrica. La diferencia de voltaje resultante entre las perlas activa y pasiva es proporcional a la concentración de todos los gases y vapores combustibles presentes. El gas muestreado entra en el sensor a través de una frita de metal sinterizado, que actúa como barrera para evitar una explosión cuando el instrumento se introduce en una atmósfera con gases combustibles. Los pellistores miden prácticamente todos los gases combustibles, pero son más sensibles a las moléculas más pequeñas que se difunden más rápidamente a través del sinterizado. Los rangos de concentración medibles suelen oscilar entre unos cientos de ppm y unos pocos porcentajes en volumen. Estos sensores son económicos y robustos, pero requieren un mínimo de unos pocos por ciento de oxígeno en la atmósfera para ser probados y pueden ser envenenados o inhibidos por compuestos como siliconas, ácidos minerales, compuestos orgánicos clorados y compuestos de azufre.
Fotoionización
Los detectores de fotoionización (PID) utilizan una lámpara UV de alta energía de fotones para ionizar los químicos en el gas muestreado. Si el compuesto tiene una energía de ionización inferior a la de los fotones de la lámpara, se eyectará un electrón y la corriente resultante es proporcional a la concentración del compuesto. Las energías de fotones de lámpara comunes incluyen 10,0 eV , 10,6 eV y 11,7 eV; la lámpara estándar de 10,6 eV dura años, mientras que la lámpara de 11,7 eV normalmente dura solo unos meses y se utiliza solo cuando no hay otra opción disponible. Se puede detectar una amplia gama de compuestos en niveles que van desde unas pocas partes por mil millones (ppb) hasta varios miles de partes por millón (ppm). Las clases de compuestos detectables en orden de sensibilidad decreciente incluyen: aromáticos y yoduros de alquilo; olefinas, compuestos de azufre, aminas, cetonas, éteres, bromuros de alquilo y ésteres de silicato; ésteres orgánicos, alcoholes, aldehídos y alcanos; Sulfuro de hidrógeno, amoníaco, fosfina y ácidos orgánicos. No hay respuesta a los componentes estándar del aire ni a los ácidos minerales. Las principales ventajas de los PID son su excelente sensibilidad y simplicidad de uso; la principal limitación es que las mediciones no son específicas para cada compuesto. Recientemente se han introducido PID con tubos de prefiltro que mejoran la especificidad para compuestos como el benceno o el butadieno . Los PID fijos, portátiles y miniatura sujetos a la ropa se utilizan ampliamente en higiene industrial, materiales peligrosos y monitoreo ambiental .
Punto infrarrojo
Los sensores puntuales infrarrojos (IR) utilizan radiación que atraviesa un volumen conocido de gas; la energía del haz del sensor se absorbe en ciertas longitudes de onda, dependiendo de las propiedades del gas específico. Por ejemplo, el monóxido de carbono absorbe longitudes de onda de aproximadamente 4,2-4,5 μm. [ 6 ] La energía en esta longitud de onda se compara con una longitud de onda fuera del rango de absorción; la diferencia de energía entre estas dos longitudes de onda es proporcional a la concentración de gas presente. [ 6 ]
Este tipo de sensor es ventajoso porque no necesita introducirse en el gas para detectarlo y puede utilizarse para la teledetección . Los sensores infrarrojos puntuales pueden utilizarse para detectar hidrocarburos [ 7 ] y otros gases infrarrojos activos como el vapor de agua y el dióxido de carbono . Los sensores infrarrojos se encuentran comúnmente en plantas de tratamiento de aguas residuales, refinerías, turbinas de gas, plantas químicas y otras instalaciones donde hay presencia de gases inflamables y existe la posibilidad de una explosión. La capacidad de teledetección permite monitorizar grandes volúmenes de espacio.
Las emisiones del motor son otra área donde se están investigando los sensores infrarrojos. El sensor detectaría altos niveles de monóxido de carbono u otros gases anormales en los gases de escape del vehículo e incluso podría integrarse con los sistemas electrónicos del vehículo para notificar a los conductores. [ 6 ]
Imágenes infrarrojas
Los sensores de imagen infrarroja incluyen sistemas activos y pasivos. Para la detección activa, los sensores de imagen IR suelen escanear un láser a través del campo de visión de una escena y buscan la luz retrodispersada en la longitud de onda de la línea de absorción de un gas objetivo específico. Los sensores de imagen IR pasivos miden los cambios espectrales en cada píxel de una imagen y buscan firmas espectrales específicas que indiquen la presencia de gases objetivo. [ 8 ] Los tipos de compuestos que se pueden visualizar son los mismos que los que se pueden detectar con detectores puntuales infrarrojos, pero las imágenes pueden ser útiles para identificar la fuente de un gas.
Semiconductor
Los sensores de gas semiconductores , en su mayoría sensores de óxido metálico-semiconductor (MOS), [ 3 ] detectan gases mediante una reacción química que tiene lugar cuando el gas entra en contacto directo con la superficie del elemento sensor, que generalmente se calienta a temperaturas entre 200 °C y 500 °C. El dióxido de estaño es el material más común utilizado en los sensores de gas semiconductores, [ 9 ] y la resistencia eléctrica del sensor disminuye cuando entra en contacto con el gas monitorizado. La resistencia de la capa de dióxido de estaño, típicamente en el rango de 10 a 500 kΩ en el aire, puede disminuir a una pequeña fracción de este valor en presencia de un gas reductor. [ 10 ] Este cambio en la resistencia (a menudo junto con señales de otros sensores, por ejemplo, valores de sensores de humedad, para la compensación de sensibilidad cruzada) se utiliza para calcular la concentración de gas. Los sensores de gas semiconductores se utilizan comúnmente para detectar hidrógeno, vapor de alcohol y gases nocivos como el monóxido de carbono. [ 11 ] Uno de los usos más comunes de los sensores de gas semiconductores es en los sensores de monóxido de carbono. También se utilizan en los alcoholímetros . [ 10 ] Debido a que el sensor debe entrar en contacto con el gas para detectarlo, los sensores de gas semiconductores funcionan a una distancia menor que los detectores infrarrojos puntuales o ultrasónicos.
Los sensores MOS pueden detectar diferentes gases, como monóxido de carbono, dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno y amoníaco . Desde la década de 1990, los sensores MOS se han convertido en importantes detectores de gases ambientales. [ 3 ] Si bien los sensores MOS son muy versátiles, presentan el problema de la sensibilidad cruzada con la humedad y otros gases. La causa de la sensibilidad cruzada a la humedad se ha atribuido a la interacción de los iones hidroxilo con la superficie del óxido. [ 12 ] Estas interferencias pueden reducirse mediante optimizaciones algorítmicas y operación con ciclos de temperatura. [ 13 ] [ 14 ]
Ultrasónico
Los detectores ultrasónicos de fugas de gas no son detectores de gas propiamente dichos. Detectan la emisión acústica que se produce cuando un gas a presión se expande en una zona de baja presión a través de un pequeño orificio (la fuga). Utilizan sensores acústicos para detectar cambios en el ruido ambiental. Dado que la mayoría de las fugas de gas a alta presión generan sonido en el rango ultrasónico de 25 kHz a 10 MHz, los sensores pueden distinguir fácilmente estas frecuencias del ruido acústico de fondo, que se produce en el rango audible de 20 Hz a 20 kHz. [ 15 ] El detector ultrasónico de fugas de gas activa una alarma cuando se produce una desviación ultrasónica respecto al ruido ambiental normal. Si bien no pueden medir la concentración de gas, sí pueden determinar la tasa de fuga, ya que el nivel de sonido ultrasónico depende de la presión del gas y del tamaño de la fuga. [ 15 ]
Los detectores de gas ultrasónicos se utilizan principalmente para la detección remota en exteriores, donde las condiciones climáticas pueden dispersar fácilmente el gas que se escapa antes de que llegue a los detectores de fugas, los cuales requieren contacto directo con el gas para detectarlo y activar una alarma. Estos detectores se encuentran comúnmente en plataformas petrolíferas y de gas, tanto terrestres como marinas, estaciones de compresión y medición de gas, centrales eléctricas de turbinas de gas y otras instalaciones con una gran cantidad de tuberías exteriores.
Holográfico
Los sensores de gas holográficos utilizan la reflexión de la luz para detectar cambios en una matriz de película polimérica que contiene un holograma. Dado que los hologramas reflejan la luz en ciertas longitudes de onda, un cambio en su composición puede generar un reflejo de color que indica la presencia de una molécula de gas. [ 16 ] Sin embargo, los sensores holográficos requieren fuentes de iluminación como luz blanca o láseres , y un observador o detector CCD .
Calibración
Todos los detectores de gas deben calibrarse según un cronograma. De los dos tipos de detectores de gas, los portátiles deben calibrarse con mayor frecuencia debido a los cambios ambientales regulares que experimentan. Un cronograma de calibración típico para un sistema fijo puede ser trimestral, semestral o incluso anual con unidades más robustas. Un cronograma de calibración típico para un detector de gas portátil es una "prueba de golpe" diaria acompañada de una calibración mensual. [ 17 ] Casi todos los detectores de gas portátiles requieren un gas de calibración específico . En los EE. UU., la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) puede establecer estándares mínimos para la recalibración periódica.
Prueba de desafío (de choque)
Dado que un detector de gas se utiliza para la seguridad de los empleados/trabajadores, es muy importante asegurarse de que funcione según las especificaciones del fabricante. Las normas australianas especifican que se recomienda encarecidamente a la persona que opera un detector de gas que verifique su funcionamiento diariamente y que lo mantenga y utilice de acuerdo con las instrucciones y advertencias del fabricante. [ 18 ]
Una prueba de desafío debe consistir en exponer el detector de gas a una concentración conocida de gas para asegurar que responda y que se activen las alarmas sonoras y visuales. También es importante inspeccionar el detector de gas para detectar cualquier daño accidental o intencional, verificando que la carcasa y los tornillos estén intactos para evitar la entrada de líquidos y que el filtro esté limpio, ya que todo esto puede afectar su funcionamiento. El kit básico de calibración o prueba de desafío consta de gas de calibración , regulador, tapa y manguera de calibración (generalmente suministrados con el detector de gas) y un estuche para su almacenamiento y transporte. Dado que 1 de cada 2500 instrumentos sin probar no responde a una concentración peligrosa de gas, muchas grandes empresas utilizan una estación de prueba/calibración automatizada para realizar pruebas de funcionamiento y calibran sus detectores de gas diariamente. [ 19 ]
concentración de oxígeno
Los monitores de oxígeno se utilizan para garantizar la seguridad de los empleados y la fuerza laboral. Las sustancias criogénicas , como el nitrógeno líquido (LN2), el helio líquido (He) y el argón líquido (Ar), son inertes y pueden desplazar el oxígeno (O2 ) en un espacio confinado si se produce una fuga. Una disminución rápida del oxígeno puede crear un entorno muy peligroso para los empleados, quienes podrían no percatarse del problema hasta perder el conocimiento repentinamente. Por ello, es fundamental contar con un monitor de oxígeno cuando se utilizan sustancias criogénicas. Los laboratorios, las salas de resonancia magnética , la industria farmacéutica, la fabricación de semiconductores y los proveedores de criogenia son usuarios habituales de monitores de oxígeno.
La fracción de oxígeno en un gas respiratorio se mide mediante sensores electrogalvánicos de oxígeno . Estos pueden utilizarse de forma independiente, por ejemplo, para determinar la proporción de oxígeno en una mezcla de nitrox utilizada en el buceo , [ 20 ] o como parte de un circuito de retroalimentación que mantiene una presión parcial constante de oxígeno en un rebreather . [ 21 ]
Amoníaco
El amoníaco gaseoso se monitoriza continuamente en los procesos de refrigeración industrial y en los procesos de degradación biológica, incluido el aliento exhalado. Según la sensibilidad requerida, se utilizan diferentes tipos de sensores (p. ej., detector de ionización de llama , semiconductor, electroquímico, membranas fotónicas [ 22 ] ). Los detectores suelen operar cerca del límite inferior de exposición de 25 ppm; [ 23 ] sin embargo, la detección de amoníaco para la seguridad industrial requiere una monitorización continua por encima del límite de exposición letal del 0,1 %. [ 22 ]
Hidrógeno
El hidrógeno es un material altamente explosivo cuando su concentración supera el 4%, lo que representa un riesgo para la seguridad. Por lo tanto, es fundamental monitorear su concentración de forma continua. El desarrollo de sensores de hidrógeno de alta sensibilidad y fiabilidad es crucial para la detección temprana, permitiendo el monitoreo en tiempo real y la activación de alarmas antes de que se alcancen concentraciones peligrosas. Estos sensores desempeñan un papel fundamental para garantizar el uso seguro del hidrógeno en diversas aplicaciones, desde pilas de combustible hasta procesos industriales.
Se han sugerido muchos candidatos a sensores, incluidos eléctricos, [ 24 ] [ 25 ] ópticos, [ 26 ] [ 27 ] acústicos [ 28 ] ...
El principio fundamental de los sensores de hidrógeno consiste en integrar un material catalítico que experimenta cambios en sus propiedades físicas al exponerse al hidrógeno. Estos cambios pueden manifestarse de diversas maneras, como variaciones en la función de trabajo del material o alteraciones en su resonancia de plasmón superficial . Materiales catalíticos como el paladio y el platino se utilizan comúnmente debido a su alta sensibilidad al hidrógeno. Cuando las moléculas de hidrógeno interactúan con estos metales, se disocian y se absorben, provocando cambios en sus características eléctricas u ópticas. Estos cambios se detectan y se traducen en una señal medible, lo que permite la monitorización precisa de las concentraciones de hidrógeno en tiempo real. [ 29 ]
Combustibles
Otro
- Detector de ionización de llama
- Sensor infrarrojo no dispersivo
- Detector de fotoionización
- Célula sensora de óxido de circonio
- sensores catalíticos
- Semiconductor de óxido metálico
- Película de oro
- Tubos detectores colorimétricos
- Recolección de muestras y análisis químico
- microcantilever piezoeléctrico
- Sensor holográfico
- Detector de conductividad térmica
- sensor electroquímico de gas
Seguridad en el hogar
Existen diversos sensores que se pueden instalar para detectar gases peligrosos en una vivienda. El monóxido de carbono es un gas muy peligroso, inodoro e incoloro, lo que dificulta su detección por parte de los humanos. Los detectores de monóxido de carbono se pueden adquirir por entre 20 y 60 dólares estadounidenses. En Estados Unidos, muchas jurisdicciones locales ahora exigen la instalación de detectores de monóxido de carbono, además de los detectores de humo, en las viviendas.
Los detectores portátiles de gases inflamables pueden utilizarse para localizar fugas en tuberías de gas natural, tanques de propano, tanques de butano o cualquier otro gas combustible. Estos sensores se pueden adquirir por entre 35 y 100 dólares estadounidenses.
Investigación
La Comunidad Europea ha apoyado la investigación denominada proyecto MINIGAS, coordinada por el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia. [ 30 ] Este proyecto de investigación tiene como objetivo desarrollar nuevos tipos de sensores de gas basados en fotónica y apoyar la creación de instrumentos más pequeños con una velocidad y sensibilidad iguales o superiores a las de los detectores de gas convencionales de laboratorio. [ 30 ]
Véase también
Referencias
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- Vitz, E (1995). "Sensores de gas semiconductores como detectores de GC y 'alcoholímetros'"". Revista de Educación Química . 72 (10): 920. doi : 10.1021/ed072p920 .
Enlaces externos
- La Enciclopedia de Detección de Gases archivada el 30/11/2015 en Wayback Machine , Base de Conocimientos Científicos Edáficos
- Caltech India - Detector portátil multigás
- Caltech India - Detector portátil de gas único
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