Jueves, 20 Junio 2024 10:22

Exploración de los principios de medición en la detección de gas refrigerante

samon medición en detección gas refrigerante 0Cuando se trata de proteger entornos industriales contra fugas de refrigerante, la elección de la tecnología de detección juega un papel fundamental

 

 

 

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Existe una amplia gama de tecnologías de sensores de gas listas para ser implementadas. 

El viaje comienza con la identificación del refrigerante específico que se va a detectar y la determinación de a qué nivel de concentración deben activarse las alarmas de gas refrigerante, sentando las bases para una toma de decisiones informada. 

Sin embargo, profundizar revela que incluso dentro de categorías específicas de tecnología de sensores de refrigerante, existen variaciones significativas, lo que requiere una comprensión profunda de las opciones y un equilibrio entre los beneficios de la aplicación y el costo de implementación. Es necesario desentrañar el panorama dinámico de las tecnologías de sensores de gas para llegar a las complejidades de la detección moderna de refrigerantes. 

Sensores semiconductores 

Los sensores semiconductores, también conocidos como sensores de óxido metálico, destacan como herramientas versátiles para la detección de gas refrigerante. Estos sensores tienen la capacidad de detectar una amplia gama de gases en concentraciones medidas en partes por millón (ppm), así como en rangos combustibles para gases inflamables. 

Compuesto típicamente de óxidos metálicos depositados sobre una oblea de silicio, la superficie del sensor se calienta a temperaturas que oscilan entre 300 y 800ºF (149 a 426ºC), dependiendo de los gases objetivo. La composición de los óxidos mezclados y la temperatura operativa dictan la respuesta del sensor a diversos gases, vapores y refrigerantes tóxicos. 

Durante el funcionamiento normal, las moléculas de oxígeno de la atmósfera se adhieren a la superficie del sensor, creando una barrera de resistencia. Sin embargo, cuando un gas reductor entra en contacto con el sensor, como en el caso de una fuga de refrigerante, estas moléculas de oxígeno sufren una reacción redox, alterando la resistencia y aumentando la conductividad eléctrica. Luego, este cambio en la conductividad se mide y se correlaciona para determinar la concentración del gas presente. 

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A pesar de su versatilidad, los sensores semiconductores presentan algunos inconvenientes. Carecen de selectividad y pueden responder a cualquier gas reductor, lo que genera posibles falsas alarmas. Además, pueden verse afectados por factores como el vapor de agua, la alta humedad, las fluctuaciones de temperatura y los bajos niveles de oxígeno, lo que aumenta aún más el riesgo de lecturas falsas.

En términos prácticos, las falsas alarmas pueden deberse a la exposición a diversos materiales, incluidos disolventes, productos de limpieza, emisiones de escape de vehículos e hidrógeno de las estaciones de carga eléctrica (por ejemplo, de carretillas elevadoras). Para mitigar este problema, puede resultar eficaz utilizar una función de retardo de alarma. Esta función garantiza que el detector de fugas no active una alarma inmediatamente, sino que se active después de un período establecido, lo que permite que los gases transitorios se disipen y reduce la probabilidad de falsas alarmas. 

Si bien los sensores semiconductores tienen sus limitaciones, son muy rentables y siguen siendo herramientas valiosas en aplicaciones de detección de gases refrigerantes, incluida la detección de fugas de refrigerantes HFC y HFO. Comprender estas limitaciones y emplear estrategias de mitigación adecuadas es esencial para garantizar una detección de gases precisa y confiable en entornos industriales comerciales.

Sensores infrarrojos 

En el corazón de la tecnología de sensores de infrarrojos (IR) se encuentra un principio fundamental: la absorción de radiación infrarroja por el gas objetivo que se va a medir. Este principio encuentra aplicación en varios gases, incluidos los HFC y HFO, y el CO2, cuyos enlaces químicos absorben energía infrarroja en longitudes de onda específicas dentro del espectro infrarrojo. En particular, la mayoría de los refrigerantes, incluidos los HFC y los HFO, absorben luz alrededor de la longitud de onda de 9 µm, debido a los enlaces hidrógeno-flúor. 

En la práctica, la medición se realiza cuando el aire desde la ubicación de la muestra ingresa a un banco óptico, ya sea mediante difusión o aspiración de la muestra. En esta configuración, la luz emitida por una fuente de infrarrojos atraviesa el gas del banco y se dirige hacia un elemento detector. Las paredes del sensor, a menudo micropulidas y revestidas de metales preciosos, mejoran la reflectividad para garantizar el máximo paso de luz y energía, optimizando así la respuesta del detector de infrarrojos y la resolución de la medición. La reducción de la intensidad de la fuente de luz infrarroja, atribuida a la presencia del gas objetivo, se correlaciona directamente con la concentración del gas. 

La electrónica interna y el software procesan estos datos para producir una señal de salida linealizada, lo que facilita una medición precisa. 

Para los HFC y HFO, el tamaño del banco óptico, o más bien la longitud del camino a través del cual la luz infrarroja pasa a través del gas, surge como un factor crítico que influye en la resolución y la precisión. Rutas de mayor longitud son esenciales para lograr alta resolución y precisión. Estas longitudes de paso más largas generalmente están restringidas a sistemas de aspiración en aplicaciones de detección de refrigerantes, debido al tamaño y al costo relativamente alto. Este nivel de tecnología de sensores infrarrojos, si bien es superior en resolución y precisión, puede presentar desafíos al implementar múltiples sensores en una instalación debido a su mayor tamaño. Las consideraciones económicas impulsan aún más el diseño del sistema hacia configuraciones centralizadas. 

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Los sensores de refrigerante infrarrojos de formato más pequeño se utilizan más comúnmente en detectores de gas basados ​​en difusión, son más rentables y, por lo tanto, se implementan más fácilmente en un sistema de detección distribuida. Si bien no ofrecen el mismo nivel de precisión ni un límite detectable más bajo para los HFC y HFO, brindan las mismas ventajas que generalmente se atribuyen a la tecnología de sensores de gas infrarrojos. 

Los sensores de refrigerante de CO2 generalmente están disponibles en formato más pequeño, ya que la absorción es más estrecha, lo que significa que es menos necesaria una longitud de trayectoria más larga. Un factor clave en la detección de fugas de CO2 es garantizar que se seleccione un sensor y un detector de gas refrigerante con un tiempo de respuesta lo suficientemente rápido, tanto para cumplir con los requisitos de las normas de seguridad del refrigerante como para garantizar la seguridad del personal en riesgo de exposición a una fuga de un sistema de CO2.

Los sensores infrarrojos disfrutan de inmunidad a los efectos de los gases cruzados o a las interferencias en aplicaciones de refrigerantes, junto con buenos niveles de resolución y precisión. Los cambios de temperatura se compensan eficazmente dentro del software del sensor, y la especificidad de la medición se centra únicamente en el refrigerante. Por lo tanto, no se ve afectado por el tipo de interferencia transitoria entre gases que puede afectar a los sensores semiconductores.

Un sensor de infrarrojos bien diseñado es muy estable, no puede envenenarse y no es propenso a desviarse con el tiempo. Esto reduce aún más el riesgo de falsas alarmas y garantiza una larga vida útil del sensor, normalmente de ~10 años. Esta larga vida útil y estabilidad pueden hacer que los sensores infrarrojos sean especialmente adecuados para aplicaciones en las que los sensores se integran directamente en aparatos como bombas de calor o vitrinas refrigeradas. 

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Los atributos de los sensores de refrigerante infrarrojos los convierten en una excelente opción para aplicaciones de detección de fugas de HFC y HFO donde la medición precisa es primordial o donde las condiciones ambientales y los gases de interferencia plantean desafíos potenciales. Aunque tiene un precio más alto, la tecnología de detección infrarroja exhibe un rendimiento superior al lograr niveles mínimos detectables más bajos en comparación con los sensores semiconductores cuando se aplica a HFC y HFO, lo que refuerza aún más su atractivo en escenarios de detección de gases donde se puede obtener un beneficio al detectar a un nivel inferior. Para el CO2, un detector de gas refrigerante con sensor de infrarrojos es la única opción realista, por lo que la elección del detector es importante en función de su idoneidad para la aplicación y el entorno en el que se instalará. 

Tecnologías de sensores emergentes 

En los últimos años han comenzado a surgir nuevas tecnologías de sensores para la detección de refrigerantes. En su mayor parte, estos se limitan a aplicaciones que detectan en el rango de inflamabilidad, dando resultados en porcentaje del límite inferior de inflamabilidad (%LFL) en lugar de niveles más bajos de ppm. 

La tecnología de medición acústica funciona de una manera que se puede equiparar a los sensores infrarrojos, solo que en este caso no hay absorción de una fuente de luz sino más bien una reducción en la velocidad de una onda sonora cuando pasa a través de la cámara de medición. La velocidad a la que la onda sonora recorre la distancia que va del emisor al detector se equipara a la concentración del gas. Si bien se afirma una reducción en el efecto de los factores ambientales en comparación con las tecnologías de detección de refrigerantes más tradicionales, el rango de gases detectables parece ser menor, la medición del nivel de partes por millón no está disponible actualmente para los refrigerantes y los datos parecen limitados para poder realizar una evaluación en comparación significativa con la selectividad de la detección por infrarrojos. Sin embargo, se trata de un avance interesante en las opciones de detección de gas refrigerante. 

Los sensores de gas Molecular Property Spectrometer™ han aparecido en aplicaciones de detección de gas refrigerante, nuevamente dirigidos y limitados a la medición del %LFL de refrigerantes inflamables (y otros gases inflamables). Dado que el fabricante único presume de una vida útil muy larga del sensor, inmunidad al envenenamiento y ausencia de falsas alarmas, para la detección de gas refrigerante los beneficios no parecen ser diferentes a los de los sensores infrarrojos de refrigerante, aunque para una gama más limitada de aplicaciones. Parece haber datos limitados disponibles sobre el principio de medición, lo que dificulta la comparación de tecnologías en relación con las necesidades de las aplicaciones de detección de fugas de refrigerante.

Sensores electroquímicos para la detección de fugas de NH3 

Los sensores semiconductores y los sensores de perlas catalíticas, o el tipo comúnmente utilizado para la detección de gases inflamables, se pueden utilizar para detectar altas concentraciones de amoníaco que se acercan a su LFL del 15 %/vol. 

También se necesita una detección de niveles más bajos debido a los efectos tóxicos del amoníaco en concentraciones bajas. Los estándares y regulaciones varían según el país, pero los niveles típicos son los siguientes.

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La detección de niveles inferiores se logra mediante el uso de sensores electroquímicos, que pueden adaptarse específicamente a diferentes rangos de medición. 

En el principio de funcionamiento de una celda electroquímica para NH3, el gas se difunde a través de una membrana permeable al gas hasta un electrodo donde se reduce u oxida. 

En términos básicos, el sensor consta de un electrodo de detección/trabajo, un contraelectrodo, un electrodo de referencia y un electrolito. 

Una reacción redox en los electrodos detectores y contadores produce una señal eléctrica que es proporcional a la concentración de gas amoníaco.

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Para mejorar la estabilidad, un electrodo de referencia mantiene un voltaje constante en el electrodo sensor para compensar la degradación del electrolito debido a la reacción en la superficie del electrodo, extendiendo la vida útil del sensor. Sin embargo, la vida útil típica de la mayoría de los sensores electroquímicos para NH3 es de unos dos años. Sin embargo, actualmente existen en el mercado algunos detectores de gas refrigerante con sensores de NH3 probados en campo y con una vida útil superior a cinco años. 

En términos generales, existen algunos inconvenientes en el uso de sensores de amoníaco que deben tenerse en cuenta para garantizar que las rutinas de mantenimiento y las prácticas de instalación adecuadas proporcionen un sistema de detección de refrigerante eficaz. Es fundamental tener en cuenta la vida útil limitada y no se puede ignorar el hecho de que los sensores electroquímicos tienen un coste relativamente alto. Idealmente, el sensor, no todo el detector de gas, debería ser posible de reemplazar en el campo. Los sensores también pueden resultar envenenados por contaminantes o incluso por una sobreexposición a niveles muy altos de amoníaco, y pueden verse afectados por niveles de humedad muy altos o muy bajos. 

Esto se compensa con los aspectos positivos de la detección de NH3 con sensores electroquímicos. Existe un alto grado de selectividad y no es probable que se produzcan falsas alarmas. La precisión es muy buena y se pueden detectar niveles adecuadamente bajos de amoníaco de forma fiable y eficaz.

Seleccionar el sensor correcto 

La elección del detector de gas refrigerante y la tecnología de sensor de refrigerante utilizada es por naturaleza una decisión subjetiva, que depende tanto de los requisitos de la aplicación como de las preferencias del usuario. Lo que es seguro es que hay opciones disponibles. 

Es probable que los proveedores especializados en detección de gases refrigerantes dispongan de una gama de tipos de sensores para satisfacer las diversas necesidades de sus clientes. La mayoría de las veces, no existe un enfoque único para la detección de gases, por lo que es aconsejable hacer una consulta con un experto que le ayude a tomar la decisión adecuada para cada usuario o cada proyecto.

 

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