Analizadores de Concentración de Gases por Radiación Infrarroja

LIRA
Analizadores de Concentración de Gases por Radiación Infrarroja
Introducción
LIRA son el nombre comercial de una línea de analizadores de
concentración de gases por método de radiación infrarroja, fabricado por la
empresa M.S.A.
Cuando se diseño el primer analizador, se pensó en aplicaciones en la
minería , de hecho las primeras series de fabricación eran destinadas a detectar
gases tóxicos o explosivos en la industria minera .
Paulatinamente se comenzó a usar en la industria para diferentes
aplicaciones .
Hoy en día existe una variada gama de modelos ajustados para cada
necesidad .
Leyes fundamentales que rigen el funcionamiento de los dispositivos LIRA
LEY DE BOUGUER :
Establece que cuando un haz paralelo de radiación monocromática penetra
en un medio absorbente perpendicularmente al plano , cada capa infinitesimal del
medio, disminuye
La intensidad del haz en forma exponencial .
K b = Log ( Io / I)
Kb = f ( long. de onda , concentración del haz)
I = Intensidad del haz , b = espesor .
LEY DE BEER:
Enuncia en términos similares a la ley de Bouguer , es decir que cuando un
haz paralelo de radiación monocromática penetra en un medio absorbente
perpendicularmente al plano , cada capa infinitesimal del medio, disminuye la
intensidad del haz pero en forma :
Kc = Log (Io / I)
Kc = f ( long de onda , espesor del material )
Io = intensidad inicial del haz
Las dos leyes se combinan en la siguiente :
Log ( Io / I ) = A . B . C
A = Cte dependiente de la longitud de onda
B = Espesor
C = Concentración
ESPECTROSCOPIA INFRARROJA .
La región ULTRAVIOLETA presenta para la mayoría de los compuestos ,
pocos picos de absorción .
Los INFRARROJOS en cambio proporcionan numerosas bandas de
absorción .
La región IR comprende la radiación de 2,5 a 15 micrones .
Cuando la radiación IR incide sobre una sustancia , existen dos clases de
movimientos de las moléculas , estiramiento y deformación de los átomos que
conforman la molécula .
CUANDO LA LUZ INFRARROJA DE UNA MISMA FRECUENCIA INCIDE EN UNA
MOLECULA , SE PRODUCE ABSORCION DE ENERGIA , POR LO QUE LA
AMPLITUD DE LA ABSORCION AUMENTARA CON EN AUMENTO DE
INTENSIDAD DE RADIACION , LO QUE PRODUCIRA GENERACION DE
CALOR .
En un gráfico de transmitancia VS longitud de onda de radiación incidente
queda definido un espectro que será UNICO para cada tipo de sustancia .
La transmitancia ( 1/ absorbancia ) será menor en los gases , es decir en un
gas la radiación penetra mas que en sustancias sólidas o liquidas .
La fuente de luz monocromática se logra con lamparas especiales “ lampara
de NERNST” ,
Con la ayuda de espejos dicroicos para lograr luz monocromática .
Espectrofotómetros Infrarrojos
Para hacer mediciones en el infrarrojo, en longitudes de onda por encima
de 3 o 4 ?m, es necesario efectuar varios cambios en la construcción de los
espectrofotómetros ordinarios. Estos cambios se deben a que muchas sustancias,
como el vidrio y el cuarzo, absorben en la región infrarroja del espectro y las
fotoceldas no responden en esta región.
La mayoría de los espectrofotómetros para el infrarrojo utilizan espejos de
cara frontal reflejante en lugar de lentes. De esta manera se evita que la energía
tenga que pasar a través del vidrio, cuarzo, u otro material análogo. Además, sería
difícil o imposible construir lentes que lograran enfocar los rayos de tan amplia
escala de longitudes de onda del infrarrojo en un punto. Los espejos parabólicos
reflejan energía de toda clase de longitudes de onda en un punto y la reflexión de
la mayoría de las superficies metálicas es muy eficiente en la región infrarroja.
Para dispersar la energía se usan redes y prismas. Los materiales más
utilizados para la región infrarroja son los que figuran en la tabla siguiente:
Material
Intervalo de Transmisión
Región mas adecuada en
el infrarrojo
Cuarzo
Fluoruro de Litio
Fluoruro de Calcio
Cloruro de Sodio
Bromuro Potásico
CsBr
0.18 – 3.5 ?m
0.11 – 6 ?m
0.12 – 8.5 ?m
0.20 – 15 ?m
0.21 – 28 ?m
0.3 – 40 ?m
0.8 – 3.5 ?m
1 – 5 ?m
3 – 8.5 ?m
8 – 15 ?m
19 – 28 ?m
25 – 40 ?m
El Cloruro de Sodio es el material más frecuente para los prismas y se usa en el
intervalo de 2 – 15 ? m.
FUENTE DE EMISIÓN INFRARROJA
Lámpara de Nernst: Esta lámpara es preferida en radiación infrarroja
porque opera en el aire sin necesidad de ampolla . Es una pequeña barra hueca
de oxido de circonio, itrio, torio. Tiene coeficiente de temperatura negativo y
requiere de un resistor de balasto o una fuente de corriente estabilizable.
Usualmente se pone en marcha colocando junto a ella un calentador de hilo
de platino enrollado que puede ser desconectado por un relé cuando la propia
lampara llegue a calentarse lo suficiente para conducir la electricidad.
Una NERNST de 2,5cm de largo y 1mm de diámetro alcanza temperaturas
en el aire de1900?C operando a 76 volts y 1,2 amperes.
En la región próxima a 3? de longitud de onda emite alta cantidad de radiación.
DETECTORES SENSIBLE A LA ENERGÍA RADIANTE INFRARROJA
Como elemento receptor de la radiación infrarroja se puede utilizar
termocuplas, bolómetros, celdas fotoconductoras, o termistores, ya que las
fotoceldas no son sensibles en esta región del espectro.
El elemento receptor elegido debe ser sumamente sensible, ya que la
energía media del haz dispersado es muy pequeña, el sensor debe ser capaz de
detectar diferencias de 0.00005 ?C para que la precisión de la medida de la
energía sea de un 0.5%.
El elemento se encierra en un recipiente sometido a un alto vacío.
Termopares: consiste en dos alambres de diferentes metales unidos por
sus extremos, si uno de los extremos está a una temperatura distinta a la del otro,
se origina una fuerza electromotriz y circula una pequeña corriente. Como la
energía radiante debe ser convertida en energía calorífica, ordinariamente las
uniones se recubren de algún material negro.
El termopar es muy útil en la región del Infrarrojo donde es fácil la
transformación de la energía radiante en energía calorífica.
La resistencia interior del termopar es muy baja, por lo tanto la amplificación de la
fuerza electromotriz es dificil.
Construcción de los pares termoeléctricos :
se los suele construir con los siguientes pares de metales o aleaciones:
Cu-constantán
Fe-constantán
Pt-aleación de Pt-Rh
Bi-aleación de Bi-Sb
Bi-3% aleación de Bi-At-5% Sb
La cantidad de ennegrecimiento en los modernos pares de respuesta
rápidadebe ser la mínima para que la capacidad calorífica sea baja y la respuesta
inmediata.
Si es corto el tiempo de respuesta se puede entonces amplificar la salida
primero cortando el haz radiante para obtener un voltaje de salida pulsante.
La impedancia del termopar puede entonces adaptarse a un circuito de tubo de
vacio por medio de un transformador,de modo que pueda usarse amplificadores
de tubo de vacio de
CA.
Los termopares van encerrado dentro de un vulbo de vacio para aumentar
la sensibilidad y reducir las fluctuaciones debida a la temperatura ocacionadas por
conducción, cambios de presión,etc.
Bolómetro: sirve para determinar la intensidad de radiación infrarroja.
Para un metal, la variación
de resistencia al correspondiente incremento de
temperatura es del orden del 0.4 % por grado centigrado( 1?C ).
Si en un puente en equilibrio de Wheatstone se usan como brazos dos
laminas delgadas de platino, cuando se hace llegar energía a una de las láminas,
aumenta su temperatura por lo tanto aumenta su resistencia , este se desequilibra
. mdiendo así la intansidad de iluminación .
El bolómetro es ampliamente usado en la región del infrarojo donde es fácil
convertir energía radiante en calor. Las resistencias que intervienen son de bajo
valor entonces es difícil la amplificación directa de la señal.
Sin embargo empleando rayos cortados puede conseguirse una corriente
pulsante. Esta corriente puede ser amplificada con un amplificaador de corriente
alterna.
La impedancia de termistores, bolómetros y termopares es baja, por lo que
la amplificación de sus salidas se vuelve dificultosa. La salida de estos elementos
termosensibles es amplificada de la siguiente manera:
La energía que penetra en el instrumento es, en primer lugar, cortada por
un obturador rotatorio a razón de 2 a 15 veces por segundo. De esta forma la
energía que incide sobre el sensor se hace pulsatoria y se obtiene una salida
también pulsatoria que se acopla a través de un capacitor o de un transformador al
amplificador. La señal una vez amplificada puede ser registrada y analizada.
Puesto que la energía que incide de forma continua sobre el sensor solo
produce una salida constante de C.C, no será amplificada, por lo que los errores
producidos por energía difusa y otros efectos constantes tienden a ser eliminados.
Para realizar la calibración de las escalas de longitudes de onda se
utilizan diversas sustancias que tienen bandas de absorción nítidas en la región
infrarroja. Por ejemplo el dióxido de carbono tiene dos bandas útiles para fines de
calibración, una en 4.235 ?m y otra en 13.875 ?m. La película de poliestireno tiene
una gran cantidad de bandas de absorción conocidas con precisión.
Ejemplo de un instrumento comercial:
Ver figura 1.
Figura 1
La radiación de la fuente, So, es cortada por el disco giratorio, G. La
radiación pulsatoria es recogida por el espejo M1 y enfocada por el espejo M2
sobre la ranura de entrada, S1.
Las celdas de muestra se introducen en el espacio que queda entre los dos
compartimentos que contienen la fuente y el monocromador. La radiación que
penetra por la rendija de entrada cae sobre el espejo colimador M3, pasa por el
prisma Pr, Pr + M4 vuelve al espejo colimador M3, y es dirigida a la ranura de
salida S2, por el pequeño espejo M5.
La longitud de onda deseada se busca haciendo girar el prisma y su espejo
asociado.
La banda de radiación elegida se enfoca al termopar T, por los espejos M6
y M7.
El prisma se puede cambiar de modo que se puede elegir uno que dé la
resolución más favorable.
Instrumentos Registradores de lectura directa
En estos instrumentos la radiación va dirigida alternativamente a la
trayectoria de la muestra y a la de referencia y finalmente se juntan de nuevo
sobre el termopar.
Si la absorción no es igual en los dos caminos, se observará una salida
pulsante del termopar. Esta salida es amplificada por un amplificador acoplado en
C.A y utilizada para mover un dispositivo en forma de peine o un obturador
variable cuyo objeto es aumentar o disminuir la intensidad del haz de referencia.
La posición del peine se registra en el papel como una función de la
longitud de onda o de la frecuencia y como es conocida la transmisión del peine,
se obtiene una curva del porcentaje de transmisión.
Cuando la transmisión que pasa por el haz de referencia y de la muestra es
de igual intensidad, resultará una salida constante del detector de radiación, la
cual no será amplificada por el amplificador de C.A.
Ver figura 2.
En el diagrama se puede ver que los dos haces de la fuente pasan por las
dos celdas, y luego, después de haber sido alternadas en el tiempo por el
interruptor, pasan al monocromador y finalmente caen sobre el bolómetro. El peine
está situado entre la fuente y el primer espejo en el haz de referencia.
Figura 2
LIRA Es un analizador infrarrojo que sirve para detectar un gas o uno de
los componentes en una mezcla de gases, para controlar la calidad y medir la
concentración de un gas explosivo.
Hay distintos tipos de Lira: el modelo 300 es de baja sensibilidad, para
analisis porcentual, el modelo 200 es de alta sensibilidad, para analizar en partes
por millón.
Las aplicaciones típicas del modelo 300 son:
a)Analizar el monóxido de carbono o el dióxido de carbono en una combustión.
b)Medición del contenido de metano en un generador de gas.
c)Control de la concentración de óxido de etileno en unidades de esterilización.
d)Analizar la pureza del etileno
e)Analizar gases o vapores combustibles en el aire en el rango porcentual por
debajo del límite explosivo.
Principio de funcionamiento:
Los gases absorven los rayos infrarrojos.Exiben un espectro de absorción
característico que está relacionado con el número, configuración y tipo de átomos
de la molécula. Mientras más simple sea la estructura molecular más simple es el
espectro de absorción, las moléculas pesadas más complejas exiben espectros
más complejos.
Examinando el espectro infrarrojo de los componentes de un flujo gaseoso
es posible localizar una banda de absorción única del componente que nos
interesa. El Lira se “sintoniza” sólo en la banda de absorción de este componente.
La longitud de la celda es determinada por la intensidad de la banda de absorción
y el rango de calibración del instrumento.
El Lira emite dos rayos infrarrojos idénticos a través de dos caminos
paralelos: la celda de prueba y la celda de comparación. Una celda contiene un
gas conocido (de comparación) y la otra el gas desconocido. Después que las
radiaciones han pasado a través de las celdas de gas , son dirigidas a una unidad
de detección que contiene otro gas encerrado.
Cuando el gas en el detector absove los rayos infrarrojos, hay un
incremento de temperatura y presión resultante. El incremento de presión mueve
una membrana sensible en el detector. El movimiento produce un cambio de
capacidad y ese cambio es convertido en una señal de salida que va a un
amplificador electrónico.
Entre las fuentes de infrarrojo y las celdas de gas, un elemento interruptor
de medio círculo o troceador de rayo, rota a dos ciclos por segundo. Así mientras
va rotando bloquea alternadamente la radiación infrarroja de cada fuente,
permitiendo que sólo una radiación por vez pase a través de las celdas de gas y al
interior de la unidad de detección. El detector, por lo tanto, responde
alternadamente a la absorción infrarroja de los gases de cada celda.
Cuando la energía que llega al detector es igual en ambos rayos, el
instrumento correctamente calibrado indicará cero.
Cuando el gas que va a ser analizado es introducido en la celda de prueba,
este absorbe algo de la energía infrarroja y por lo tanto reduce la radiación que
llega a la unidad de detección . Como resultado las dos radiaciones llegan a ser
desiguales y la radiación que llega al detector fluctúa cuando las radiaciones son
alternadas.
El detector de gas se expande y se contrae con esta fluctuación y
directamente indica la diferencia de energía entre las dos radiaciones. Esta
variación genera
una señal eléctrica que es proporcional a la diferencia de
energía entre las dos radiaciones. El circuito electrónico es sintonizado de modo
que sólo las variaciones entre las intensidades de los rayos que están entrando en
la unidad de detección produce una señal de salida. Esta señal ,puede ser medida
y puede ser registrada en una grabadora auxiliar.