Los sensores para la detección de gases y vapores son transductores que usan ciertas propiedades de los gases para la conversión en una señal eléctrica adecuada. Especialmente tres principios de medición se han hecho dominantes en las décadas recientes de la detección industrial de gases y vapores tóxicos: sensores electroquímicos, sensores de perla catalítica y sensores infrarrojos.
1. Principio de medición de los sensores electroquímicos
Muchos gases tóxicos son muy reactivos y en condiciones adecuadas cambian con reacciones químicas. El sensor electroquímico es un micro-reactor, que con la presencia de gases reactivos produce electrones exactamente es una corriente eléctrica muy baja pero medible.
Un sensor electroquímico consiste como mínimo dos electrodos (electrodo de medida y contra electrodo) que tienen contacto eléctrico de dos maneras diferentes: por un lado vía un medio eléctricamente conductivo llamado electrolito (un líquido pastoso para transportar iones), por otro lado vía un circuito de corriente eléctrica externo (un simple cable de cobre para transportar electrones).
Los electrodos están fabricados de un material especial que también tiene características catalíticas haciendo posible reacciones químicas en la llamada zona de tres fases, donde hay presencia de gas, catalizador sólido y electrolito líquido.
El recolector de electrones oxígeno necesario para esta reacción proviene del aire ambiente. Se conocen más recolectores de electrones, por ejemplo cloruro flour, ozono o dióxido de nitrógeno así, la corriente de los sensores utilizan dos para estos gases fluye en dirección invertida la corriente se puede medir con un micro-amperímetro.
2. Principio de medición sensor catalítico de perla
Bajo ciertas circunstancias los gases y vapores inflamables se pueden oxidar mediante el oxígeno del aire para liberar calor de la reacción. Normalmente esto se consigue por un material catalizador especial y adecuadamente calentado, que aumenta ligeramente su temperatura por el calor de la reacción. Este aumento de temperatura es una medida para la concentración de gas.
Los llamados pellistores son perlas cerámicas minúsculas y muy porosas (diámetro aprox. 1 mm) rodeando una pequeña bobina de hilo de platino. Hay una corriente eléctrica fluyendo a través de la bobina de platino de tal manera que el pellistor se calienta a unos cientos de grados Celsius.
Si la perla cerámica contiene un de material catalizador adecuado, la temperatura del pellistor aumentará con la presencia de gas inflamable, y por consiguiente la resistencia de la bobina del hilo de platino aumentará. Este cambio en la resistencia con respecto a la resistencia en aire limpio se utiliza para la evaluación electrónica.
Por medio del oxígeno del aire que es absorbido por el material poroso y activado por el catalizador, el metano gaseoso es oxidado en el pellistor caliente. Además de vapor de agua y dióxido de carbono se puede medir el calor de la reacción.
Para eliminar influencias por cambios de la temperatura ambiente, se utiliza un segundo pellistor, que es muy similar pero que no reacciona al gas, porque el pellistor no contiene el material catalizador o está inhibido de cualquier otra manera. Integrando los dos pellistores en un circuito de puente Wheatstone tiene como resultado un sensor para la medición de concentración medida independiente de la temperatura ambiente.
Sensores de perlas catalíticas
Un pellistor solo no es adecuado para la detección de gases y vapores inflamables. Hace falta un segundo para compensar los parámetros ambientales (especialmente temperatura y humedad). Y debe estar protegido contra explosiones. Mediante una carcasa antideflagrante y un disco sinterizado resulta un sensor de perlas catalíticas útil.
El pellistor compensador está fabricado de manera muy similar al pellistor activo, pero no contiene material catalizador para que no pueda oxidar. Si la temperatura ambiente cambia, la resistencia de ambos pellistores cambiarán y no hay señal puente. Sin embargo, si hay presencia de gas, solo la resistencia del pellistor activo cambia y el puente Wheatstone se desequilibra. Ya que los pellistores del sensor de perla catalítica son calentados hasta unos 450 °C, puede funcionar como una fuente de ignición si el LEL es sobrepasado y la temperatura de ignición del gas es inferior a 450 °C. Mediante un disco sinterizado se evita lo siguiente: Si en el interior del sensor de perla catalítica se produce una ignición, la carcasa del sensor resistirá la presión de la explosión y la llama es enfriada por debajo de la temperatura de ignición del gas, y ninguna llama pasa al exterior.
Los sensores de perla catalítica funcionan con un circuito electrónico llamado puente Wheatstone, que es adecuado para convertir cambios de resistencia muy pequeños en voltajes medibles. Si la segunda mitad del puente Wheatstone es colocado en la unidad de control, el sensor de perla catalítica puede ser conectado a las unidades de control mediante cables muy largos. Sin embargo, son cortos cuando el sensor es instalado en un transmisor.
3. Principio de medición sensor infrarrojo
Considerando el amplio margen de gases y vapores inflamables, uno se da cuenta que la mayoría de estas sustancias son compuestos químicos que principalmente consisten en carbono, hidrógeno, oxígeno, y a veces nitrógeno. Estos compuestos orgánicos se denominan hidrocarburos. Los hidrocarburos tienen propiedades especiales que pueden ser usados para la medición por infrarrojos de su concentración.
Todos los gases absorben radiación de una manera característica, algunos incluso en el rango visible (0.4 a 0.8 micrómetros). Esto es por lo que el cloro es verde-amarillo, el dióxido de bromo y el de nitrógeno son marrón-rojo, el iodo es violeta, etc. Sin embargo, estos colores solo se pueden ver en concentraciones muy altas y letales. Los hidrocarburos absorben radiación a un rango determinado de longitud de onda, aprox. de 3.3 a 3.5 micrómetros, y, puesto que el oxígeno, el nitrógeno y el argon no absorben, esto puede ser usado para la medición de concentración de hidrocarburos en aire.
Un sistema óptico conteniendo una mezcla de, por ejemplo, metano o propano en aire atenuará una intensidad de infrarrojo entrante de una manera predecible, y para un gas dado esta atenuación depende solamente de su concentración.
- Aire: los infrarrojos pasan sin ser atenuados, no hay intensidad reducida, no hay señal de medida
- Gas: los infrarrojos pasan atenuados, intensidad reducida, la señal de medida corresponde a la concentración de gas actual.
Este principio de fotómetro es la base de un equipo de medición por infrarrojos. La correlación de reducción de intensidad medida por un lado y la concentración de gas en el sistema óptico por otro, es realizada por el proceso de calibración: una concentración de gas definida siempre provoca la misma reducción de intensidad y en consecuencia siempre la misma señal de medida.
Transmisores infrarrojos
El principio de medición es sencillo: los hidrocarburos absorben la radiación de infrarrojos (IR) en el rango de longitud de ondas de 3.3 a 3.5 micrómetros (μm), más o menos, dependiendo del espectro de absorción del gas en cuestión. Sin embargo, la atenuación de la radiación infrarroja es muy pequeña y un reto con respecto a la técnica de medición. Y, desafortunadamente, la reducción de la intensidad también puede ocurrir por otras circunstancias, por ejemplo por óptica contaminada o reducción de la intensidad de la fuente de radiación de infrarrojos.
La fuente de radiación de un sensor por infrarrojo es una lámpara de filamentos parpadeante, activada con bajo voltaje, teniendo un alto porcentaje de infrarrojos. Atravesando una ventana IR transparente esta radiación es dividida en dos partes mediante un divisor de rayos, una parte para el detector de medida, otra parte para el detector de referencia. Un detector consiste en un cristal piroeléctrico encapsulado que convierte la energía de la radiación recibida en un voltaje medible. Sin embargo, los detectores son diferentes debido a sus filtros de interferencia óptica: el cristal del detector de medida solo recibe por ejemplo radiación de 3.4 μm, y el detector de referencia de por ejemplo 4.0 μm de longitud de onda. Los gases generalmente no absorben a 4.0 μm. Así si ambos detectores detectan una energía de radiación reducida, ¡los gases probablemente no sean la causa! Por medio del detector de referencia es posible hacer que en cierto grado la medición no se vea afectada por la contaminación de la óptica e incluso automáticamente solicite mantenimiento preventivo.
Los transmisores IR están equipados con sensores IR de este tipo. La señal de medición de ambos detectores está condicionada en consecuencia y finalmente está disponible como una señal de 4 a 20-mA en la salida del transmisor. Debido a su larga vida los transmisores IR son preferidos en la medición industrial. A lo contrario que los sensores electroquímicos y de perla catalítica los detectores de sensores IR no entran contacto con los gases a detectar. Mientras que no haya condensación – y esto se inhibe mediante superficies calentadas – los transmisores IR funcionan tan bien que se les encuentra cada vez más en procesos de aplicaciones industriales.
Fuente: Introducción a los Sistemas de Detección de Gases por Dräger.
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