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 en el área donde se produce la fuga, dándoles la oportunidad de irse. Este tipo de dispositivos es importante porque existen muchos gases que pueden ser perjudiciales para la vida orgánica, como la humana o los animales.
Los detectores de gas se pueden utilizar para detectar gases combustibles , inflamables y tóxicos , y el agotamiento de oxígeno . Este tipo de dispositivo se utiliza ampliamente en la industria y se puede encontrar en lugares, como plataformas petroleras, para monitorear procesos de fabricación y tecnologías emergentes como la fotovoltaica . Pueden utilizarse 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 mediante 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 vertederos, ingreso a espacios confinados, etc. Los sensores comunes incluyen sensores de gas combustible, detectores de fotoionización, sensores de puntos infrarrojos , sensores ultrasónicos. , sensores de gas electroquímicos y sensores semiconductores de óxido metálico (MOS). Más recientemente, se han empezado 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, instalaciones de construcción de aeronaves y barcos, operaciones de materiales peligrosos, instalaciones de tratamiento de aguas residuales, vehículos, aire interior. pruebas de calidad y viviendas.
Los métodos de detección de fugas de gas se convirtieron en una preocupación después de que se descubrieron los efectos de los gases nocivos en la salud humana. Antes de los sensores electrónicos modernos , los métodos de detección temprana dependían de detectores menos precisos. Durante el siglo XIX y principios del XX, los mineros del carbón llevaban consigo 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 pájaro muy cantor, dejaría de cantar y eventualmente moriría si no se le eliminaban estos gases, lo que indicaba a los mineros que salieran rápidamente de la mina.
El primer detector de gas en 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 (grisú) en las minas de carbón subterráneas. La lámpara de seguridad de llama consistía en una llama de aceite ajustada a una altura determinada al aire libre. 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 las llamas varió dependiendo de la presencia de metano (más arriba) o de la falta de oxígeno (más abajo). A día de hoy, en algunas partes del mundo todavía se utilizan lámparas de seguridad contra llamas.
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 Standard Oil Company en California (ahora Chevron), comenzó la investigación y el desarrollo de 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 y se denominó Modelo A. El primer medidor práctico "indicador de vapor eléctrico" 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), se fundó 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 pionero en muchas "primicias" en la era moderna de la detección de gases, incluida la fabricación de instrumentos más pequeños y portátiles, el desarrollo de un detector de oxígeno portátil y el primer instrumento combinado que podía detectar tanto gases/vapores combustibles como así como oxígeno.
Antes del desarrollo de los detectores electrónicos de monóxido de carbono domésticos en las décadas de 1980 y 1990, la presencia de monóxido de carbono se detectaba con un papel impregnado químicamente que se volvía marrón cuando se exponía al gas. Desde entonces, se han desarrollado muchas tecnologías y dispositivos electrónicos para detectar, monitorear y alertar sobre fugas de una amplia gama de gases.
A medida que mejoraron el costo y el rendimiento de los sensores electrónicos de gas, se han incorporado a una gama más amplia de sistemas. Su uso en automóviles fue inicialmente para el control de emisiones de los motores , pero ahora los sensores de gas también pueden usarse para garantizar la comodidad y seguridad de los pasajeros. Se están instalando sensores de dióxido de carbono en los 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 tratamiento, monitorización y diagnóstico médico, mucho más allá de su uso inicial en quirófanos . Los monitores de gas y las alarmas de 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. [1] Los analizadores de gases más nuevos pueden dividir las señales de los componentes de un aroma complejo para identificar varios gases simultáneamente. [2]
Los sensores 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 ( semiconductor , oxidación, catalítico, fotoionización, infrarrojo, etc.). Los detectores de gas vienen empaquetados en dos factores de forma principales: dispositivos portátiles y detectores de gas fijos.
Los detectores portátiles se utilizan para monitorear la atmósfera alrededor del 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 audibles 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 la detección de uno o más tipos de gases. Los detectores de tipo fijo generalmente se montan cerca del área de proceso de una planta o sala de control, o de un área a proteger, como un dormitorio residencial. Generalmente, los sensores industriales se instalan en estructuras de acero dulce de tipo fijo y un cable conecta los detectores a un sistema de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) para un monitoreo continuo. Se puede activar un bloqueo de disparo en caso 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 oxida o reduce 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 gases electroquímicos cambiando 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 duración 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 sólo 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 ( pellistor ) se usan comúnmente para medir gases combustibles que presentan un riesgo de explosión cuando las concentraciones están entre el límite de explosión inferior (LEL) y el límite de explosión superior (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 transporta 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 sinterizado más rápidamente. Los rangos de concentración mensurables suelen ser desde unos pocos cientos de ppm hasta unos pocos porcentajes en 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 ser 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 las sustancias químicas del 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 de fotones de lámparas 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 sólo unos meses y se utiliza sólo 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, alcoholes, aldehídos y alcanos orgánicos; 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 del compuesto. Recientemente se han introducido PID con tubos de prefiltro que mejoran la especificidad de compuestos como el benceno o el butadieno . Los PID fijos, portátiles y en miniatura con clip para ropa se utilizan ampliamente para higiene industrial, materiales peligrosos y monitoreo ambiental .
Los sensores puntuales infrarrojos (IR) utilizan radiación que pasa a través de 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 a 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 es necesario colocarlo en el gas para detectarlo y puede usarse para detección remota . Los sensores de puntos infrarrojos se pueden utilizar para detectar hidrocarburos [7] y otros gases activos infrarrojos como el vapor de agua y el 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 otra área donde se están investigando los sensores IR. El sensor detectaría altos niveles de monóxido de carbono u otros gases anormales en el escape del vehículo e incluso se integraría con los sistemas electrónicos del vehículo para notificar a los conductores. [6]
Los sensores de imagen infrarroja incluyen sistemas activos y pasivos. Para la detección activa, los sensores de imágenes IR normalmente escanean un láser a través del campo de visión de una escena y buscan luz retrodispersada en la longitud de onda de la línea de absorción de un gas objetivo específico. Los sensores de imágenes 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 de los que se pueden obtener imágenes son los mismos que se pueden detectar con detectores puntuales de infrarrojos, pero las imágenes pueden ser útiles para identificar la fuente de un gas.
Los sensores semiconductores , también conocidos como sensores semiconductores de óxido metálico (MOS), [3] detectan gases mediante una reacción química que tiene lugar cuando el gas entra en contacto directo con el sensor. El dióxido de estaño es el material más común utilizado en sensores semiconductores, [9] y la resistencia eléctrica en el sensor disminuye cuando entra en contacto con el gas monitoreado. La resistencia del dióxido de estaño suele ser de unos 50 kΩ en el aire, pero puede descender a unos 3,5 kΩ en presencia de un 1% de metano. [10] Este cambio en la resistencia se utiliza para calcular la concentración de gas. Los sensores semiconductores se utilizan habitualmente para detectar hidrógeno, oxígeno, vapor de alcohol y gases nocivos como el monóxido de carbono. [11] Uno de los usos más comunes de los sensores semiconductores es en 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 semiconductores funcionan a una distancia menor que los detectores de punto infrarrojo 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] Los sensores MOS, aunque son muy versátiles, sufren el problema de la sensibilidad cruzada con la humedad. La causa de tal comportamiento se ha atribuido a la interacción de los iones hidroxilo con la superficie del óxido. [12] Se han realizado intentos para reducir dicha interferencia mediante optimizaciones algorítmicas. [13]
Los detectores de fugas de gas ultrasónicos no son detectores de gas en sí. Detectan la emisión acústica creada cuando un gas presurizado 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 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. [14] El detector ultrasónico de fugas de gas produce una alarma cuando hay una desviación ultrasónica de la condición normal de ruido de fondo. Los detectores de fugas de gas ultrasónicos 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 el tamaño de la fuga. [14]
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 permitirle llegar 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 de petróleo/gas terrestres y marinas, estaciones de medición y compresores de gas, plantas de energía de 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 polimérica que contiene un holograma. Dado que los hologramas reflejan la luz en determinadas longitudes de onda, un cambio en su composición puede generar un reflejo colorido que indica la presencia de una molécula de gas. [15] 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 programa de calibración típico para un sistema fijo puede ser trimestral, semestral o incluso anual con unidades más sólidas. Un programa de calibración típico para un detector de gas portátil es una "prueba funcional" diaria acompañada de una calibración mensual. [16] Casi todos los detectores de gas portátiles requieren un gas de calibración específico . En los EE. UU., la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) puede establecer estándares mínimos para la recalibración periódica. [ cita necesaria ]
Debido a que un detector de gas se utiliza para la seguridad de los empleados/trabajadores, es muy importante asegurarse de que esté funcionando según las especificaciones del fabricante. Las normas australianas especifican que se recomienda encarecidamente a una persona que opere cualquier detector de gas que verifique el rendimiento del detector de gas todos los días y que se mantenga y utilice de acuerdo con las instrucciones y advertencias del fabricante. [17]
Una prueba de desafío debe consistir en exponer el detector de gas a una concentración conocida de gas para garantizar que responda y que se activen las alarmas audibles y visuales. También es importante inspeccionar el detector de gas para detectar cualquier daño accidental o deliberado verificando 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 desafío constará de gas de calibración /regulador/tapa y manguera de calibración (generalmente suministradas 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 pruebas funcionales y calibran sus detectores de gas diariamente. [18]
Los monitores de gases por 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 rápida disminución de oxígeno puede proporcionar un ambiente muy peligroso para los empleados, quienes pueden no notar este problema antes de perder repentinamente el conocimiento. Teniendo esto en cuenta, es importante tener un monitor de gas oxígeno cuando hay criogénicos presentes. Los laboratorios, las salas de resonancia magnética y 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 usarse de forma independiente, por ejemplo, para determinar la proporción de oxígeno en una mezcla de nitrox utilizada en el buceo , [19] o como parte de un circuito de retroalimentación que mantiene una presión parcial constante de oxígeno en un rebreather . [20]
El amoníaco gaseoso se controla continuamente en los procesos de refrigeración industrial y en los procesos de degradación biológica, incluido el aliento exhalado. Dependiendo de la sensibilidad requerida, se utilizan diferentes tipos de sensores (por ejemplo, detectores de ionización de llama , semiconductores, electroquímicos, membranas fotónicas [21] ). Los detectores suelen funcionar cerca del límite de exposición inferior de 25 ppm; [22] sin embargo, la detección de amoníaco para la seguridad industrial requiere un monitoreo continuo por encima del límite de exposición fatal del 0,1%. [21]
Hay 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 humanos. Los detectores de monóxido de carbono se pueden comprar por entre 20 y 60 dólares. Muchas jurisdicciones locales en los Estados Unidos ahora exigen 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 de líneas 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.
La Comunidad Europea ha apoyado una investigación denominada proyecto MINIGAS que fue coordinado por el Centro de Investigación Técnica VTT de Finlandia. [23] 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 igual o mayor velocidad y sensibilidad que los detectores de gas convencionales de laboratorio. [23]
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