Detección de gas

Detección de gas

Los detectores de gas se encuentran en todos los ámbitos de la vida, desde plantas de procesamiento de alimentos hasta aparcamientos, desde aviones hasta casinos. Cualquier lugar en el que pueda haber una posible falta de oxígeno o presencia de gases tóxicos necesita la presencia de un detector de gases para controlar la seguridad de las personas. Algunos usos comunes durante los proyectos de campo son: entrada en espacios confinados, perforación de pozos, detección de suelos, supervisión de zonas, seguridad de los trabajadores, calidad del aire interior y detección de fugas.

Por supuesto, han existido desde hace mucho tiempo, empezando por el canario, que por desgracia era un truco de una sola vez que cuando se sometía al metano tendía a morir con bastante rapidez, sin capacidad de alarma audiovisual más allá de un ligero chirrido y una falta total de movimiento. Afortunadamente, la tecnología ha avanzado mucho y ahora disponemos de equipos electrónicos muy sofisticados.

Veamos algunos aspectos básicos:

• Una ppm es una parte en 1.000.000 de partes. Generalmente, ppm (partes por millón) es la unidad de medida más baja 10.000 ppm = 1% en volumen
• El LIE (límite inferior de explosividad) es la siguiente unidad de medida y es un porcentaje del nivel explosivo %(vol) de un compuesto
• 100% LIE es la concentración más baja a la que una sustancia inflamable puede producir un incendio o una explosión cuando se inflama.
• UEL (Upper Explosive Limit) es la concentración máxima de gas en el aire que arderá
• Cada compuesto (gas) tiene un LIE diferente, es decir, el punto a partir del cual el compuesto arderá o se volverá explosivo.
• La mayoría de los compuestos inflamables se vuelven explosivos a menos de 5% de volumen
• Cada gas tiene un LEL y un UEL diferentes
• El porcentaje de gas es la unidad de medida más elevada, que es la cantidad de gas puro

¿Cómo funcionan los sensores de detección de gases?

Sin duda, la tecnología moderna hará que la explicación que sigue quede obsoleta a medida que avance, por lo que a continuación se exponen rápidamente los aspectos básicos.

El sensor de oxígeno es un sensor electromecánico. Cualquier gas que pueda oxidarse o reducirse electromecánicamente puede detectarse mediante un sensor electroquímico basado en combustible. El consumo de oxígeno produce una corriente linealmente proporcional a la concentración de gas en el aire.

Dado que el sensor de oxígeno está constantemente expuesto al oxígeno, la vida útil normal del sensor oscila entre uno y dos años.

El sensor de combustible consta de dos bobinas de alambre fino de platino, cada una de ellas incrustada en una perla de alúmina, conectadas eléctricamente en un circuito de puente. Una de las perlas está impregnada de un catalizador especial que favorece la oxidación y la otra está tratada para inhibirla. Se hace pasar corriente a través de las bobinas para que alcancen una temperatura a la que se produzca fácilmente la oxidación de un gas en la perla catalizada (unos 500°C).

Esto eleva aún más la temperatura, lo que aumenta la resistencia de la bobina de platino en la perla catalizada, provocando un desequilibrio del puente. Este cambio de salida es lineal, para la mayoría de los gases, hasta y por encima de 100% LEL y el tiempo de respuesta es de sólo unos segundos para detectar niveles de alarma (normalmente 20% LEL).

Los sensores de tóxicos también son electromecánicos y funcionan según los mismos principios básicos que el sensor de oxígeno. Los sensores electromecánicos consumen cantidades ínfimas de gas; la absorción de gas y la salida eléctrica están controladas por una "barrera de difusión".

Espacios confinados y detección de gases

Un espacio confinado es cualquier espacio lo suficientemente grande como para que alguien entre y realice el trabajo asignado, que tiene medios limitados de entrada o salida y que no está diseñado para la ocupación continua por parte de los trabajadores. Esto abarca casi todas las industrias, incluidas las de servicios públicos, construcción, exploración y procesamiento de hidrocarburos, petroquímica, marina, agricultura, procesamiento de alimentos y elaboración de cerveza, así como los servicios de emergencia.

Los empresarios deben evaluar los riesgos que estos lugares de trabajo suponen para sus trabajadores y esforzarse por prevenirlos. En la mayoría de los casos, tanto la evaluación como el sistema de trabajo seguro requerirán la comprobación de la atmósfera con equipos de comprobación de gases.

Los riesgos de los gases en espacios confinados pueden dividirse en tres grandes categorías: gases combustibles, gases tóxicos y agotamiento o enriquecimiento de oxígeno.

Riesgos de gases combustibles

Para que se produzca la combustión, el aire debe contener una concentración mínima de gas o vapor combustible. Esta cantidad se denomina LIE. Los distintos compuestos tienen distintos LIE, por lo que es vital que los detectores sean capaces de detectar a los niveles correctos.

Normalmente, los recipientes de almacenamiento que han contenido combustibles hidrocarburos y aceites representan un peligro. Otros peligros proceden de fugas de combustible: contenedores de combustible reventados; tuberías dentro y fuera del emplazamiento, bombonas de gas y plantas accionadas por motores. Para los trabajadores de pozos, alcantarillas y otros lugares del subsuelo, el metano formado por materia orgánica en descomposición es un peligro casi universal.

Gases y vapores tóxicos

Los trabajadores de espacios confinados pueden estar expuestos a muchos compuestos tóxicos, dependiendo de la naturaleza del trabajo. Debe realizarse una evaluación de riesgos para determinar a qué sustancias tóxicas puede estar expuesto un trabajador en una situación de trabajo determinada.

En cuanto a los gases tóxicos relacionados con aplicaciones específicas, la industria del agua, por ejemplo, utiliza muchos compuestos tóxicos para limpiar y procesar tanto el agua residual como el agua limpia. Peligros como el cloro, el ozono, el dióxido de azufre y el dióxido de cloro plantean entonces riesgos adicionales tanto en las zonas de almacenamiento como en las de tratamiento.

Oxígeno: ¿demasiado alto o demasiado bajo?

La concentración normal de oxígeno en el aire fresco es de 20,9%. Una atmósfera es peligrosa si la concentración desciende por debajo de 19,5% o supera 23,5%.

Sin una ventilación adecuada, el simple acto de respirar hará que los niveles de oxígeno desciendan con sorprendente rapidez. La combustión también consume oxígeno, por lo que las instalaciones con motor y las llamas desnudas, como los sopletes de soldadura, son peligros potenciales. El oxígeno también puede desplazarse. El nitrógeno, por ejemplo, cuando se utiliza para purgar recipientes de almacenamiento de hidrocarburos antes de su reutilización, expulsa el oxígeno del recipiente y lo deja altamente peligroso hasta que se ventila a fondo.

Los niveles altos de oxígeno también son peligrosos. Al igual que un nivel demasiado bajo, un nivel demasiado alto merma la capacidad de la víctima para pensar con claridad y actuar con sensatez. Además, las atmósferas enriquecidas con oxígeno representan un importante riesgo de incendio.

Tipos de detectores de gas

Tanto los detectores de gas portátiles como los fijos pueden utilizarse para la vigilancia de espacios confinados. Los sistemas fijos suelen constar de uno o varios "cabezales" detectores conectados a un panel de control independiente. Si un detector detecta un nivel de gas peligroso, el panel da la alarma activando sirenas y balizas externas. Este tipo de instalación es adecuada para espacios más grandes, como salas de planta, que tienen espacio suficiente para el hardware o estaciones remotas que no suelen tener personal.

Sin embargo, gran parte del trabajo en espacios confinados se realiza en zonas más restringidas, lo que hace más adecuadas las unidades portátiles compactas. La facilidad de uso, con un solo botón, hace que se requiera una formación mínima, al tiempo que se garantiza una mayor seguridad. Los detectores portátiles, que combinan uno o varios sensores con potentes señales acústicas y visuales para avisar cuando se alcanzan los niveles de gas preestablecidos, se pueden transportar o llevar donde sea necesario. Además, un instrumento compacto es fácil de transportar en un espacio reducido, lo que garantiza que no se pasen por alto focos de alta concentración de gas.

Todos los detectores de gas portátiles deben tener ciertas características. Está claro que las herramientas que salvan vidas en entornos exigentes deben ser lo más resistentes posible, con componentes electrónicos fiables alojados en carcasas resistentes a los golpes. Aunque la necesidad de dejar los sensores de gas expuestos a la atmósfera significa que ningún instrumento puede ser totalmente hermético, es esencial un alto grado de protección contra la entrada de polvo y agua. A pesar de su robustez, un detector bien diseñado será lo suficientemente ligero y compacto como para poder llevarlo durante todo un turno de trabajo.

Por último, debido a las dificultades de trabajar en un espacio reducido, quizá con poca luz, los instrumentos deben ser fáciles de usar. Independientemente de lo avanzada que sea la arquitectura interna de un detector o las opciones de gestión de datos, el personal sobre el terreno no debe enfrentarse a nada más desalentador que una pantalla clara, un funcionamiento sencillo con un solo botón y alarmas sonoras/brillantes.

Sensores de gases combustibles

Como se detalla a continuación, los sensores de gases combustibles pueden ser catalíticos, semiconductores de óxido metálico e infrarrojos.

Sensores catalíticos de gases combustibles

En la búsqueda de atmósferas explosivas, los sensores catalíticos de gases combustibles detectan los gases combustibles provocando una combustión de los gases dentro de la cámara del sensor.

Los sensores catalíticos no sólo ofrecen una buena linealidad, sino que también pueden reaccionar ante la mayoría de los gases combustibles. Sin embargo, como el cambio de resistencia a %LEL es relativamente pequeño, funcionan mejor en concentraciones entre 1.000 y 50.000 ppm.

En cuanto a sus inconvenientes:

• No miden trazas (menos de 200 ppm) de gas, por lo que no deben utilizarse para determinar niveles tóxicos.
• Para funcionar con precisión necesitan 14% mínimo de oxígeno en el aire
• No se recomienda su uso en atmósferas de acetileno
• El plomo, la silicona u otros venenos catalíticos pueden dañar el sensor
• Las lecturas pueden verse afectadas por la condensación de vapor de agua y la humedad
• Mala respuesta a los hidrocarburos de bajo valor energético, como los vapores de aceite, el queroseno, el gasóleo y los carburorreactores comerciales.
• A menudo pierden linealidad después de aproximadamente un año.

Sensor de gas combustible con semiconductor de óxido metálico (MOS)

También conocidos como sensores de estado sólido, los sensores de gases combustibles de semiconductor de óxido metálico (MOS) existen desde hace años. Con una larga vida operativa de tres a cinco años, se trata de un sensor muy resistente que se recupera bien de altas concentraciones de gas que podrían dañar otros tipos de sensores.

Al igual que los sensores catalíticos, las lecturas de los sensores MOS también pueden verse afectadas por la humedad y la condensación de vapor de agua. Además, aunque no requieren tanto oxígeno como sus homólogos catalíticos, también necesitan oxígeno para funcionar con precisión.

Además de las desventajas mencionadas, otras desventajas específicas de los sensores MOS son:

• Los elementos calefactores de algunos sensores MOS requieren mucha energía, por lo que se necesitan baterías más grandes.
• A pesar de responder a muchos COV, HFC y disolventes, los sensores MOS no son específicos de un solo compuesto

Sensores de combustible por infrarrojos

Hace relativamente poco que estos sensores aparecen en algunos instrumentos. Funcionan bien en niveles bajos de oxígeno o en atmósferas de acetileno; sin embargo, son bastante caros. Estos sensores funcionan reflejando la luz en un espejo y midiendo la cantidad de luz absorbida durante la refracción. Los sensores infrarrojos suelen requerir un flujo constante a través del conjunto de detección y pueden tardar en salir de la alarma. No son capaces de detectar hidrógeno. Un sensor de infrarrojos calibrado para un hidrocarburo simple como el metano o el etano no será preciso para vapores de hidrocarburos de mayor peso molecular, disolventes o combustibles.

Sensores tóxicos

Sensores electroquímicos (química húmeda) de sustancias tóxicas

Estos sensores reaccionan ante una sustancia química específica. Existen sensores químicamente específicos para hasta 30 gases diferentes, como cloro, amoniaco, monóxido de carbono, dióxido de carbono, dióxido de nitrógeno, óxido nítrico, cianuro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre. La información técnica del fabricante indicará qué sensores están disponibles para su unidad.

Estos sensores tienen una buena linealidad, lo que los hace muy precisos para la sustancia a la que reaccionan. Pueden medir cantidades grandes o pequeñas y estos sensores tienen una vida útil típica de aproximadamente un año para muchos gases tóxicos y de hasta dos años para el sulfuro de hidrógeno y el monóxido de carbono.

Como todos los sensores, los de química húmeda tienen sus limitaciones. El fluido electrolítico puede congelarse si se deja en entornos con temperaturas inferiores a 0ºC. Algunos sensores químicos pueden verse afectados negativamente por la altitud, ya que pueden ser sensibles a la presión.

Sensores de gases tóxicos de amplio espectro con semiconductores de óxido metálico (MOS)

Existen varios sensores MOS en el mercado y se ha desarrollado uno para la detección de gases tóxicos. Su composición y funcionamiento son similares a los utilizados para la detección de gases combustibles. Sin embargo, el sensor MOS de amplio rango para gases tóxicos es capaz de reaccionar a niveles bajos de PPM de una amplia gama de gases tóxicos, como monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, amoníaco, estireno, tolueno, gasolina y muchos otros hidrocarburos y disolventes. Los sensores MOS no pueden detectar dióxido de carbono ni dióxido de azufre. El sensor es incapaz de decirle qué gas ha encontrado o la concentración, sólo que la atmósfera puede ser peligrosa para su salud.

Fotodetectores de ionización (PID)

Los profesionales de la salud y la seguridad, entre otros, llevan utilizando la tecnología de sensores de fotoionización para evaluar los riesgos atmosféricos en el lugar de trabajo desde la década de 1960. La esperanza de vida de estos sensores es de uno a tres años. Suelen ser demasiado costosos para utilizarlos en un instrumento multisensor.

Conclusión

Para quienes trabajan en atmósferas que pueden ser peligrosas para la salud, la elección del detector de gas adecuado puede ser la decisión más importante que tomen en su vida. Su vida podría depender de esa decisión, por lo que es fundamental que el usuario/comprador sea consciente de los peligros que podría encontrarse y de los sensores adecuados para protegerle. Los datos recopilados a finales de los 70 y principios de los 80 indicaban que 65% de las personas que murieron en espacios confinados no sabían que el espacio en el que entraban era un peligro potencial. Más de 50% de las muertes en espacios confinados se produjeron a manos de los rescatadores y más de un tercio de las víctimas mortales se produjeron después de que el espacio se comprobara, se declarara seguro y se retirara el detector de gas.

La selección de un detector de gas debe basarse en el peligro al que se enfrenta. Por desgracia, demasiados compradores realizan uno de los gastos más importantes y cruciales en equipos sin comprender realmente lo que están comprando. Los sensores y sus capacidades son el factor más importante a la hora de elegir un detector de gas, pero la mayoría de las veces las decisiones se basan en el tamaño, el precio y las características que no tienen nada que ver con las capacidades de detección del instrumento.

Los detectores de gas se presentan en una gran variedad de tamaños, formas, colores y configuraciones de sensores. Para trabajar en espacios confinados, es necesario controlar la deficiencia/enriquecimiento de oxígeno, los gases combustibles y los tóxicos. Un instrumento capaz de hacer frente a estos tres peligros es esencial.