Detección de gas

Detección de gas

Los detectores de gas se pueden encontrar en todos los ámbitos de la vida, desde plantas de procesamiento de alimentos hasta aparcamientos, pasando por aviones y casinos. Cualquier lugar en el que pueda haber una posible falta de oxígeno o la presencia de gases tóxicos necesita contar con un detector de gas para velar por la seguridad de las personas. Algunos usos habituales en proyectos sobre el terreno son: acceso a espacios confinados, perforación de pozos, análisis del suelo, vigilancia de zonas, seguridad de los trabajadores, calidad del aire interior y detección de fugas.

Por supuesto, llevan existiendo desde hace mucho tiempo, empezando por el canario, que, lamentablemente, era un recurso de un solo uso que, al exponerse al metano, solía morir con bastante rapidez, sin más señales de alarma audiovisuales que un ligero gorjeo y una ausencia total de movimiento. Afortunadamente, la tecnología ha avanzado considerablemente y, en la actualidad, contamos con equipos electrónicos muy sofisticados.

Veamos algunos conceptos básicos:

• Una ppm equivale a una parte por cada 1 000 000 de partes. Por lo general, la ppm (partes por millón) es la unidad de medida más pequeña: 10 000 ppm = 1% en volumen.
• El LEL (límite inferior de explosividad) es la siguiente unidad de medida y corresponde a un porcentaje del nivel de explosividad % (vol) de un compuesto.
• El LEL 100% es la concentración mínima a la que una sustancia inflamable puede provocar un incendio o una explosión al entrar en contacto con una fuente de ignición.
• El LME (límite superior de explosividad) es la concentración máxima de gas en el aire que puede arder.
• Cada compuesto (gas) tiene un LEL diferente, es decir, el punto en el que el compuesto se quema o se vuelve 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 corresponde a la cantidad de gas puro.

¿Cómo funcionan los sensores de detección de gases?

Sin duda, a medida que la tecnología moderna avance, la explicación que figura a continuación quedará obsoleta, así que, para no alargarnos demasiado, a continuación se exponen los conceptos básicos.

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

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

El sensor 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 en puente. Una de las perlas está impregnada con un catalizador especial que favorece la oxidación, mientras que 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 en el puente. Este cambio en la señal de salida es lineal, para la mayoría de los gases, hasta 100% LEL y más allá, y el tiempo de respuesta es de solo unos segundos para detectar los niveles de alarma (normalmente 20% LEL).

Los sensores de sustancias tóxicas también son electromecánicos y funcionan según los mismos principios básicos que el sensor de oxígeno. Los sensores electromecánicos consumen cantidades mínimas de gas, y tanto la absorción del gas como la señal eléctrica se controlan mediante una “barrera de difusión”.

Espacios confinados y detección de gases

Un espacio confinado es cualquier espacio lo suficientemente amplio como para que una persona pueda entrar en él y realizar el trabajo que se le haya asignado, que cuente con medios limitados de entrada o salida y que no esté diseñado para la ocupación continua de trabajadores. Esto abarca prácticamente todos los sectores, incluidos los servicios públicos, la construcción, la exploración y el procesamiento de hidrocarburos, la industria petroquímica, el sector marítimo, la agricultura, la industria alimentaria y cervecera, así como los servicios de emergencia.

Las empresas deben evaluar los riesgos que estos lugares de trabajo suponen para sus empleados y esforzarse por prevenirlos. En la mayoría de los casos, tanto la evaluación como el sistema de trabajo seguro requerirán la realización de análisis de la atmósfera con equipos de detección de gases.

Los riesgos relacionados con los gases en espacios confinados pueden dividirse en tres grandes categorías: gases combustibles, gases tóxicos y disminución o aumento del contenido de oxígeno.

Riesgos relacionados con los gases combustibles

Para que se produzca la combustión, el aire debe contener una concentración mínima de gas o vapor combustible. Esta cantidad se denomina LEL. Cada compuesto tiene un LEL diferente, por lo que es fundamental que los detectores sean capaces de detectar los niveles correctos.

Por lo general, los depósitos que han contenido combustibles de hidrocarburos y aceites suponen un peligro. Otros peligros provienen de las fugas de combustible: la rotura de depósitos de combustible; las tuberías dentro y fuera de las instalaciones, las bombonas de gas y las instalaciones accionadas por motores. Para los trabajadores que se encuentran en fosas, alcantarillas y otros lugares subterráneos, el metano generado por la descomposición de la materia orgánica es un peligro casi universal.

Gases y vapores tóxicos

Los trabajadores que realizan tareas en espacios confinados pueden estar expuestos a numerosos compuestos tóxicos, dependiendo de la naturaleza del trabajo. Se debe realizar una evaluación de riesgos para determinar a qué sustancias tóxicas puede estar expuesto un trabajador en una situación laboral concreta.

Si nos centramos en los gases tóxicos relacionados con aplicaciones específicas, el sector del agua, por ejemplo, utiliza numerosos compuestos tóxicos para la limpieza y el tratamiento tanto de las aguas residuales como de las aguas limpias. Sustancias peligrosas como el cloro, el ozono, el dióxido de azufre y el dióxido de cloro plantean, por tanto, 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 libre es de 20,91 TP3T. Una atmósfera se considera peligrosa si la concentración desciende por debajo de 19,51 TP3T o supera los 23,51 TP3T.

Sin una ventilación adecuada, el simple hecho de respirar provocará que los niveles de oxígeno desciendan con una rapidez sorprendente. La combustión también consume oxígeno, por lo que las instalaciones accionadas por motores y las llamas abiertas, como los sopletes de soldadura, suponen un peligro potencial. El oxígeno también puede ser desplazado. El nitrógeno, por ejemplo, cuando se utiliza para purgar los depósitos de almacenamiento de hidrocarburos antes de su reutilización, expulsa el oxígeno del recipiente y lo deja en una situación altamente peligrosa hasta que se ventile por completo.

Los niveles elevados de oxígeno también son peligrosos. Al igual que ocurre con la falta de oxígeno, un exceso de este afectará a la capacidad de la víctima para pensar con claridad y actuar con sensatez. Además, las atmósferas enriquecidas con oxígeno suponen un riesgo significativo de incendio.

Tipos de detectores de gas

Tanto los detectores de gas portátiles como los fijos pueden utilizarse para la monitorización de espacios confinados. Los sistemas fijos suelen constar de uno o varios “cabezales” detectores conectados a un panel de control independiente. Si un detector registra un nivel peligroso de gas, el panel activa la alarma mediante sirenas y luces de señalización externas. Este tipo de instalación es adecuada para espacios más amplios, como salas de máquinas, que disponen de espacio suficiente para el equipo, o para estaciones remotas que suelen estar desatendidas.

Sin embargo, gran parte del trabajo en espacios confinados se lleva a cabo en zonas aún más reducidas, lo que hace que las unidades portátiles compactas sean más adecuadas. Su facilidad de uso, gracias a su funcionamiento con un solo botón, hace que se requiera una formación mínima, al tiempo que se garantiza una mayor seguridad. Al combinar uno o varios sensores con potentes señales acústicas y visuales que avisan cuando se alcanzan los niveles de gas preestablecidos, los detectores portátiles pueden llevarse o colocarse donde sea necesario. Además, un instrumento compacto se transporta fácilmente en un espacio confinado, lo que garantiza que no se pasen por alto las zonas con altas concentraciones de gas.

Hay ciertas características que deben estar presentes en todo detector de gas portátil. Es evidente que los dispositivos que salvan vidas en entornos exigentes deben ser lo más resistentes posible, con componentes electrónicos fiables alojados en carcasas resistentes a los impactos. Aunque la necesidad de dejar los sensores de gas expuestos a la atmósfera implica que ningún instrumento puede estar totalmente sellado, es esencial contar con un alto grado de protección contra la entrada de polvo y agua. A pesar de su resistencia, un detector bien diseñado también será lo suficientemente ligero y compacto como para llevarlo puesto durante todo un turno.

Por último, dadas las dificultades que supone trabajar en un espacio reducido, quizá con poca luz, los instrumentos deben ser fáciles de usar. Por muy avanzada que sea la arquitectura interna de un detector o sus opciones de gestión de datos, el personal sobre el terreno no debería tener que enfrentarse a nada más complicado que una pantalla clara, un funcionamiento sencillo con un solo botón y alarmas sonoras y luminosas.

Sensores de gases combustibles

Tal y como se detalla a continuación, los sensores de gases combustibles pueden ser catalíticos, de semiconductores de óxido metálico o de infrarrojos.

Sensores catalíticos de gases combustibles

Al detectar atmósferas explosivas, los sensores catalíticos de gases combustibles detectan dichos gases provocando una combustión de los mismos dentro de la cámara del sensor.

Los sensores catalíticos no solo ofrecen una buena linealidad, sino que también pueden detectar la mayoría de los gases combustibles. Sin embargo, dado que la variación de la resistencia al %LEL es relativamente pequeña, funcionan mejor en concentraciones comprendidas entre 1.000 y 50.000 ppm.

En cuanto a sus inconvenientes:

• No miden trazas (por debajo de 200 ppm) de gas, por lo que no deben utilizarse para determinar niveles tóxicos.
• Para funcionar con precisión, necesitan un contenido mínimo de oxígeno en el aire de 14%.
• No se recomienda su uso en atmósferas de acetileno
• El sensor puede resultar dañado por el plomo, la silicona u otros agentes catalíticos nocivos.
• Las lecturas pueden verse afectadas por la condensación del vapor de agua y la humedad
• Escasa respuesta ante hidrocarburos de baja energía, como, por ejemplo, vapores de petróleo, queroseno, gasóleo y combustibles comerciales para aviones.
• A menudo pierden linealidad al cabo de aproximadamente un año.

Sensor de gases combustibles de semiconductor de óxido metálico (MOS)

Los sensores de gas combustible de semiconductores de óxido metálico (MOS), también conocidos como sensores de estado sólido, llevan años en el mercado. Con una larga vida útil de entre tres y cinco años, se trata de un sensor muy resistente que se recupera bien tras estar expuesto a altas concentraciones de gas que podrían dañar otros tipos de sensores.

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

Además de las desventajas mencionadas anteriormente, entre las desventajas específicas de los sensores MOS se incluyen las siguientes:

• Los elementos calefactores de algunos sensores MOS consumen mucha energía, lo que implica que se necesitan baterías de mayor capacidad.
• A pesar de que los sensores MOS responden a numerosos COV, HFC y disolventes, no son específicos para ningún compuesto concreto.

Sensores de combustibles por infrarrojos

Hace relativamente poco tiempo que estos sensores han empezado a incorporarse en algunos instrumentos. Funcionan bien en entornos con bajos niveles de oxígeno o en atmósferas de acetileno; sin embargo, son bastante caros. Estos sensores funcionan reflejando la luz mediante un espejo y midiendo la cantidad de luz absorbida durante la refracción. Los sensores de infrarrojos suelen requerir un flujo constante a través del conjunto sensor y pueden tardar en desactivarse tras una 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, disolventes o combustibles de mayor peso molecular.

Sensores de sustancias tóxicas

Sensores electroquímicos (de química húmeda) de detección de sustancias tóxicas

Estos sensores reaccionan ante una sustancia química específica. Existen sensores de especificidad química para hasta 30 gases diferentes, entre los que se incluyen el cloro, el amoníaco, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, el dióxido de nitrógeno, el óxido nítrico, el cianuro de hidrógeno, el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre. La información técnica del fabricante indicará qué sensores están disponibles para su unidad.

Estos sensores presentan una buena linealidad, lo que los hace muy precisos para la sustancia con la que reaccionan. Pueden medir tanto grandes como pequeñas cantidades, y 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.

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

Sensores de gases tóxicos de amplio rango basados en semiconductores de óxido metálico (MOS)

Existen varios sensores MOS diferentes en el mercado y se ha desarrollado uno para detectar gases tóxicos. Su estructura y funcionamiento son similares a los del sensor utilizado para la detección de gases combustibles. Sin embargo, el sensor MOS de amplio rango para gases tóxicos es capaz de reaccionar ante niveles bajos (en PPM) de una amplia gama de gases tóxicos, entre los que se incluyen el monóxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno, el amoníaco, el estireno, el tolueno, la gasolina y muchos otros hidrocarburos y disolventes. Los sensores MOS no pueden detectar dióxido de carbono ni dióxido de azufre. El sensor no es capaz de indicar qué gas se ha detectado ni su concentración, sino únicamente que la atmósfera puede ser peligrosa para la salud.

Detectores de fotoionización (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 vida útil de estos sensores oscila entre uno y tres años. Por lo general, resultan demasiado costosos para utilizarlos en un instrumento con varios sensores.

Conclusión

Para aquellos de vosotros que trabajáis en entornos que podrían ser peligrosos para vuestra salud, elegir el detector de gases adecuado podría ser la decisión más importante que toméis en vuestra vida. Vuestra vida podría depender de esa decisión, por lo que es fundamental que el usuario o comprador conozca los riesgos a los que podría enfrentarse y los sensores adecuados para protegerse. Los datos recopilados a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 indicaban que 65% de las personas que fallecieron en espacios confinados no eran conscientes de que el espacio al que accedían suponía un peligro potencial. Más del 50% de las muertes en espacios confinados se producen entre los rescatadores, y más de un tercio de las víctimas mortales fallecieron después de que el espacio hubiera sido analizado, declarado seguro y se hubiera retirado el detector de gases.

La elección de un detector de gases debe basarse en el riesgo al que se está expuesto. Lamentablemente, son demasiados los compradores que realizan una de las inversiones más importantes y cruciales en equipamiento sin comprender realmente lo que están comprando. Los sensores y sus prestaciones son el factor más importante a la hora de elegir un detector de gases; sin embargo, en la mayoría de los casos las decisiones se basan en el tamaño, el precio y características que no tienen nada que ver con la capacidad de detección del instrumento.

Los detectores de gas están disponibles en una gran variedad de tamaños, formas, colores y configuraciones de sensores. Para trabajar en espacios confinados, es necesario controlar los niveles de falta o exceso de oxígeno, así como los de gases combustibles y tóxicos. Es imprescindible disponer de un instrumento capaz de detectar estos tres riesgos.