Un detector de gas es un dispositivo que detecta la presencia de gases en un área, a menudo como parte de un sistema de seguridad. Un detector de gas puede hacer sonar una alarma a los operadores que se encuentran en el área donde se está produciendo la fuga, lo que les da la oportunidad de irse. Este tipo de dispositivo es importante porque hay muchos gases que pueden ser nocivos para la vida orgánica, como los seres humanos o los animales.
Los detectores de gas se pueden utilizar para detectar gases combustibles , inflamables y tóxicos , y la falta de oxígeno . Este tipo de dispositivo se utiliza ampliamente en la industria y se puede encontrar en lugares como plataformas petrolíferas para supervisar procesos de fabricación y tecnologías emergentes como la fotovoltaica . Se pueden utilizar en la lucha contra 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 audible 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 vertedero, entrada a espacios confinados, etc. Los sensores comunes incluyen sensores de gas combustible, detectores de fotoionización, sensores puntuales infrarrojos , sensores ultrasónicos , sensores de gas electroquímicos y sensores de metal-óxido-semiconductor (MOS). Más recientemente, se han utilizado sensores de imágenes infrarrojas. Todos estos sensores se utilizan para una amplia gama de aplicaciones y se pueden encontrar en plantas industriales, refinerías, fabricación farmacéutica, instalaciones de fumigación, fábricas de pulpa de papel, instalaciones de construcción aeronáutica y naval, operaciones de materiales peligrosos, instalaciones de tratamiento de aguas residuales, vehículos, pruebas de calidad del aire interior y hogares.
Los métodos de detección de fugas de gas se convirtieron en una preocupación después de que se descubrieran los efectos de los gases nocivos para la salud humana. Antes de los sensores electrónicos modernos , los métodos de detección temprana dependían de detectores menos precisos. A lo largo del siglo XIX y principios del XX, los mineros de carbón llevaban canarios a los túneles como un sistema de detección temprana contra gases potencialmente mortales como el dióxido de carbono , el monóxido de carbono y el metano . El canario, normalmente un pájaro muy cantor, dejaba de cantar y finalmente moría si no se lo alejaba de estos gases, lo que indicaba a los mineros que debían salir de 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 (gris oscuro) en las minas de carbón subterráneas. La lámpara de seguridad de llama consistía en una llama de aceite ajustada a una altura específica en aire fresco. Para evitar la ignición con estas lámparas, la llama estaba contenida dentro de una funda de vidrio con un parallamas de malla. La altura de la llama variaba dependiendo de la presencia de metano (más alta) o la falta de oxígeno (más baja). Hasta el día de hoy, en ciertas partes del mundo las lámparas de seguridad de llama todavía están en servicio.
La era moderna de la detección de gases comenzó en 1926-1927 con el desarrollo del sensor de combustión catalítica (LEL) por parte del Dr. Oliver Johnson. El Dr. Johnson era empleado de la Standard Oil Company en California (ahora Chevron) y comenzó a investigar y desarrollar un método para detectar mezclas combustibles en el aire para ayudar a prevenir explosiones en los tanques de almacenamiento de combustible. En 1926 se desarrolló un modelo de demostración, denominado Modelo A. El primer medidor "indicador de vapor eléctrico" práctico 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 muchos "primeros pasos" en la era moderna de la detección de gases, entre ellos, la fabricación de instrumentos más pequeños y más portátiles, el desarrollo de un detector de oxígeno portátil y el primer instrumento combinado que podía detectar tanto gases/vapores combustibles como oxígeno.
Antes del desarrollo de los detectores electrónicos de monóxido de carbono para uso doméstico en los años 1980 y 1990, la presencia de monóxido de carbono se detectaba con un papel impregnado de sustancias químicas que se volvía marrón al exponerse al gas. Desde entonces, se han desarrollado muchas tecnologías y dispositivos electrónicos para detectar, controlar 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, se han incorporado a una gama más amplia de sistemas. Su uso en automóviles fue inicialmente para el control de emisiones del motor , pero ahora los sensores de gas también se pueden utilizar para garantizar la comodidad y la seguridad de los pasajeros. Los sensores de dióxido de carbono se están instalando en edificios como parte de los 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 de gas y las alarmas para monóxido de carbono y otros gases nocivos están cada vez más disponibles para uso doméstico y de oficina, y se están volviendo obligatorios por ley 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 nuevos pueden descomponer las señales de los componentes de un aroma complejo para identificar varios gases simultáneamente. [2]
Los sensores de semiconductores de óxido metálico (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]
Los detectores de gas se pueden clasificar según el mecanismo de funcionamiento ( semiconductores , de oxidación, catalíticos, de fotoionización, infrarrojos, etc.). Los detectores de gas se presentan en dos formatos principales: dispositivos portátiles y detectores de gas fijos.
Los detectores portátiles se utilizan para controlar la atmósfera que rodea al personal y se pueden llevar en la mano o en la ropa o en un cinturón o arnés. Estos detectores de gas suelen funcionar con pilas. Transmiten advertencias mediante señales sonoras y visibles, como alarmas y luces intermitentes, cuando se detectan niveles peligrosos de vapores de gas.
Los detectores de gas de tipo fijo se pueden utilizar para detectar uno o más tipos de gas. Los detectores de tipo fijo se montan generalmente cerca del área de proceso de una planta o sala de control, o en un área que se va a proteger, como un dormitorio residencial. Por lo general, los sensores industriales se instalan en estructuras de acero dulce de tipo fijo y un cable conecta los detectores a un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) para un monitoreo continuo. Se puede activar un enclavamiento de disparo para una situación de emergencia.
Los detectores de gas electroquímicos funcionan permitiendo que los gases se difundan a través de una membrana porosa hasta un electrodo donde se oxidan o reducen químicamente . La cantidad de corriente producida está determinada por la cantidad de gas que se oxida en el electrodo, [4] lo que indica la concentración del gas. Los fabricantes pueden personalizar los detectores de gas electroquímicos modificando la barrera porosa para permitir la detección de un determinado rango de concentración de gas. Además, dado que la barrera de difusión es una barrera física/mecánica, los detectores tienden a ser más estables y confiables durante la vida útil del sensor y, por lo tanto, requieren menos mantenimiento que otras tecnologías de detectores anteriores.
Sin embargo, los sensores están sujetos a elementos corrosivos o contaminación química y pueden durar solo 1 o 2 años antes de que sea necesario reemplazarlos. [5] Los detectores de gas electroquímicos se utilizan en una amplia variedad de entornos, como refinerías, turbinas de gas, plantas químicas, instalaciones subterráneas de almacenamiento de gas y más.
Los sensores de perlas catalíticas ( pellistores ) se utilizan comúnmente para medir gases combustibles que presentan un riesgo de explosión cuando las concentraciones se encuentran entre el límite inferior de explosión (LEL) y el límite superior de explosión (UEL). Las perlas activas y de referencia que contienen bobinas de alambre de platino están situadas en brazos opuestos de un circuito de puente de Wheatstone y se calientan eléctricamente, hasta unos pocos cientos de grados C. La perla activa contiene un catalizador que permite que los compuestos combustibles se oxiden, calentando así la perla aún más y cambiando su resistencia eléctrica. La diferencia de voltaje resultante entre las perlas activas y pasivas es proporcional a la concentración de todos los gases y vapores combustibles presentes. El gas muestreado ingresa al sensor a través de una frita de metal sinterizado, que proporciona una barrera para evitar una explosión cuando el instrumento se lleva a una atmósfera que contiene gases combustibles. Los pellistores miden esencialmente todos los gases combustibles, pero son más sensibles a las moléculas más pequeñas que se difunden a través del sinter más rápidamente. Los rangos de concentración mensurables son típicamente de unos pocos cientos de ppm a unos pocos porcentajes de volumen. Estos sensores son económicos y robustos, pero requieren un mínimo de un pequeño porcentaje de oxígeno en la atmósfera para ser probados y pueden resultar envenenados o inhibidos por compuestos como siliconas, ácidos minerales, compuestos orgánicos clorados y compuestos de azufre.
Los detectores de fotoionización (PID) utilizan una lámpara UV de alta energía fotónica para ionizar los productos químicos en el gas muestreado. Si el compuesto tiene una energía de ionización inferior a la de los fotones de la lámpara, se expulsará un electrón y la corriente resultante es proporcional a la concentración del compuesto. Las energías fotónicas 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 a 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, amoniaco, 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 de los compuestos. Recientemente se han introducido los PID con tubos de prefiltro que mejoran la especificidad para compuestos como el benceno o el butadieno . Los PID fijos, portátiles y en miniatura con pinza para la ropa se utilizan ampliamente para la higiene industrial, los materiales peligrosos y el control ambiental .
Los sensores de punto infrarrojos (IR) utilizan radiación que pasa a través de un volumen conocido de gas; la energía del haz del sensor se absorbe en determinadas longitudes de onda, según 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 tiene que colocarse en el gas para detectarlo y se puede utilizar para detección remota . Los sensores de punto infrarrojo se pueden utilizar para detectar hidrocarburos [7] y otros gases activos infrarrojos como vapor de agua y dióxido de carbono . Los sensores IR se encuentran comúnmente en instalaciones de tratamiento de aguas residuales, refinerías, turbinas de gas, plantas químicas y otras instalaciones donde hay gases inflamables y existe la posibilidad de una explosión. La capacidad de detección remota permite monitorear grandes volúmenes de espacio.
Las emisiones de los motores son otro ámbito en el que se están investigando los sensores infrarrojos. El sensor detectaría niveles elevados de monóxido de carbono u otros gases anormales en el escape del vehículo e incluso se integraría con los sistemas electrónicos del vehículo para avisar a los conductores. [6]
Los sensores de imágenes infrarrojas incluyen sistemas activos y pasivos. Para la detección activa, los sensores de imágenes infrarrojas suelen escanear un láser a través del campo de visión de una escena y buscar luz retrodispersada en la longitud de onda de la línea de absorción de un gas objetivo específico. Los sensores de imágenes infrarrojas pasivas 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.
Los sensores de gas semiconductor , más comúnmente sensores de metal-óxido-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 normalmente se calienta a temperaturas entre 200 °C y 500 °C. El dióxido de estaño es el material más común utilizado en sensores de gas semiconductores, [9] y la resistencia eléctrica en el sensor disminuye cuando entra en contacto con el gas monitoreado. La resistencia de la capa de dióxido de estaño, típicamente en el rango de 10 a 500 kΩ en el aire, puede caer 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 del sensor de humedad, para 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 alcoholímetros . [10] Debido a que el sensor debe entrar en contacto con el gas para detectarlo, los sensores de gas semiconductores funcionan en una distancia menor que los detectores puntuales infrarrojos o ultrasónicos.
Los sensores MOS pueden detectar diferentes gases, como monóxido de carbono, dióxido de azufre , sulfuro de hidrógeno y amoniaco . Desde la década de 1990, los sensores MOS se han convertido en importantes detectores de gases ambientales. [3] Los sensores MOS, aunque muy versátiles, sufren 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 se pueden reducir utilizando optimizaciones algorítmicas y operaciones cíclicas de temperatura. [13] [14]
Los detectores de fugas de gas por ultrasonidos no son detectores de gas en sí. Detectan la emisión acústica creada cuando un gas presurizado se expande en un área de baja presión a través de un pequeño orificio (la fuga). Utilizan sensores acústicos para detectar cambios en el ruido de fondo de su entorno. 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 de fugas de gas por ultrasonidos produce una alarma cuando hay una desviación ultrasónica de la condición normal de ruido de fondo. Los detectores de fugas de gas por ultrasonidos no pueden medir la concentración de gas, pero el dispositivo puede determinar la tasa de fuga de un gas que se escapa porque 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 entornos exteriores donde las condiciones climáticas pueden disipar fácilmente el gas que se escapa antes de permitir que llegue a los detectores de fugas que requieren contacto con el gas para detectarlo y hacer sonar una alarma. Estos detectores se encuentran comúnmente en plataformas petroleras y de gas en tierra y en alta mar, estaciones de medición y compresión de gas, plantas de energía con turbinas de gas y otras instalaciones que albergan una gran cantidad de tuberías al aire libre.
Los sensores de gas holográficos utilizan la reflexión de la luz para detectar cambios en una matriz de película de polímero 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 colorido que indique 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 .
Todos los detectores de gas deben calibrarse según un cronograma. De los dos factores de forma de los detectores de gas, los portátiles deben calibrarse con mayor frecuencia debido a los cambios regulares en el entorno que experimentan. Un cronograma de calibración típico para un sistema fijo puede ser trimestral, semestral o incluso anual en el caso de unidades más robustas. Un cronograma de calibración típico para un detector de gas portátil es una "prueba funcional" 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. [ cita requerida ]
Dado que los detectores de gas se utilizan para la seguridad de los empleados o trabajadores, es muy importante asegurarse de que funcionan según las especificaciones del fabricante. Las normas australianas especifican que se recomienda encarecidamente a toda persona que utilice un detector de gas que compruebe el funcionamiento del mismo todos los días y que se mantenga y utilice de acuerdo con las instrucciones y advertencias del fabricante. [18]
Una prueba de provocación debe consistir en exponer el detector de gas a una concentración conocida de gas para garantizar que el detector de gas responderá y que las alarmas audibles y visuales se activarán. También es importante inspeccionar el detector de gas para detectar cualquier daño accidental o deliberado comprobando que la carcasa y los tornillos estén intactos para evitar la entrada de líquido y que el filtro esté limpio, todo lo cual puede afectar la funcionalidad del detector de gas. El kit básico de calibración o prueba de provocación constará de gas de calibración /regulador/tapa y manguera de calibración (generalmente suministrados con el detector de gas) y un estuche para almacenamiento y transporte. Debido a que 1 de cada 2500 instrumentos no probados no responderá a una concentración peligrosa de gas, muchas grandes empresas utilizan una estación de prueba/calibración automatizada para realizar pruebas funcionales y calibrar sus detectores de gas diariamente. [19]
Los monitores de gas de deficiencia de oxígeno se utilizan para 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 (O 2 ) en un espacio confinado si hay una fuga. Una disminución rápida del oxígeno puede generar un entorno muy peligroso para los empleados, que pueden no notar este problema antes de perder repentinamente el conocimiento. Teniendo esto en cuenta, es importante tener un monitor de gas de oxígeno cuando hay presencia de criogenia. Los laboratorios, las salas de resonancia magnética , los proveedores farmacéuticos, de semiconductores y criogénicos son usuarios típicos de monitores de oxígeno.
La fracción de oxígeno en un gas respirable se mide mediante sensores de oxígeno electrogalvánicos . 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 de oxígeno constante en un rebreather . [21]
El amoníaco gaseoso se controla 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 (por ejemplo, detector de ionización de llama , semiconductor, electroquímico, membranas fotónicas [22] ). Los detectores suelen funcionar cerca del límite de exposición inferior de 25 ppm; [23] sin embargo, la detección de amoníaco para la seguridad industrial requiere un control continuo por encima del límite de exposición letal del 0,1 %. [22]
El hidrógeno es un material altamente explosivo cuando su concentración supera el 4 %, lo que lo convierte en un peligro para la seguridad. Por lo tanto, es fundamental controlar su concentración de forma continua. El desarrollo de sensores de gas hidrógeno altamente sensibles y fiables es fundamental para la detección temprana, lo que permite el seguimiento 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 las pilas de combustible hasta los procesos industriales.
Se han sugerido muchos candidatos a sensores, incluidos los eléctricos, [24] [25] ópticos, [26] [27] acústicos [28] ...
El principio fundamental de los sensores de gas hidrógeno es integrar un material catalítico que sufre cambios en sus propiedades físicas cuando se expone al hidrógeno. Estos cambios pueden manifestarse de diversas formas, como cambios en la función de trabajo del material o alteraciones en su resonancia plasmónica superficial . Los 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 son absorbidas, lo que provoca cambios en las características eléctricas u ópticas. Estos cambios se detectan y se traducen en una señal medible, lo que permite el seguimiento preciso de las concentraciones de hidrógeno en tiempo real. [29]
Existen varios sensores diferentes que se pueden instalar para detectar gases peligrosos en una residencia. El monóxido de carbono es un gas muy peligroso, pero inodoro e incoloro, lo que dificulta su detección por parte de los seres humanos. Los detectores de monóxido de carbono se pueden comprar por unos 20 a 60 dólares estadounidenses. Muchas jurisdicciones locales de los Estados Unidos exigen ahora la instalación de detectores de monóxido de carbono además de detectores de humo en las residencias.
Los detectores portátiles de gases inflamables se pueden utilizar para rastrear fugas en tuberías de gas natural, tanques de propano, tanques de butano o cualquier otro gas combustible. Estos sensores se pueden comprar por entre 35 y 100 dólares estadounidenses.
La Comunidad Europea ha apoyado una investigación denominada proyecto MINIGAS, coordinado 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 una sensibilidad iguales o superiores a las de los detectores de gas convencionales de laboratorio. [30]