Revista Dräger 12: Producción – sensor de gases

DESDE EL INTERIOR
SENSORES ELECTROQUÍMICOS
Detectives
Se podría decir que son el alma de los
detectores de gas: los sensores electroquímicos que identifican sustancias
peligrosas y miden su concentración para luego
emitir una alarma que SALVA VIDAS HUMANAS.
Se pueden fabricar en tamaños especialmente
pequeños, generalmente a mano.
Texto: Nils Schiffhauer Fotos: Patrick Ohligschläger
P
Parecen confeti en una película en blanco y negro y, sin
embargo, pueden salvar vidas. Con una perforadora especial se
recortan los electrodos para los sensores de gas de una lámina
de plástico tan fina como el papel. La lámina del fluorocarburo PFTE (politetrafluoretileno) tiene una funcionalidad determinante: su estructura microporosa detiene la humedad pero
deja pasar gases y vapores.
«El electrodo es el componente principal de nuestros sensores electroquímicos», dice Axel Silz, responsable en Lübeck de
la producción de varios centenares de miles de sensores, de diferentes formatos y tamaños (para los gases mas diversos). Varias
decenas de empleados se dedican a la fabricación. «Se requiere cerca de un año de formación para ser capaz de montar de
memoria todas las 140 variantes», comenta Silz, que originalmente aprendió el oficio de comerciante y es así un ejemplo de
que la empresa reconoce los talentos de cada uno, los fomenta
y encuentra el puesto idóneo para cada empleado. Esto también
se hace patente en que la fluctuación del personal en este departamento es casi inexistente. Se requieren muchos años de experiencia para la producción de estos sensores, cuya variante más
pequeña y moderna (modelo XXS) se podría esconder detrás de
una pastilla contra el dolor de cabeza. Consiste de muchos detalles mecánicos y alberga un laboratorio electroquímico resistente
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sensibles
a las influencias medioambientales. La empresa tiene experiencia en la fabricación de sensores de gas electroquímicos desde
los años 1970 y posee diversas patentes en este campo.
Estos husmeadores tan sensibles como fiables se aplican en
la detección de gases, ya sea portátil como estacionaria. Esta
protege a las personas del monóxido de carbono, de óxidos de
nitrógeno y otras sustancias peligrosas, pero también de gases
explosivos. Los sensores electroquímicos se sirven de un proceso catalítico para aprovechar la capacidad de reacción de estos
gases. Tienen la misma estructura que una batería o un condensador. Los dos electrodos están separados por un tejido empapado con un líquido transmisor y una cantidad mínima de ácido
sulfúrico. Gracias a su estructura específica y las propiedades
químicas de los electrodos y el electrolito, determinados gases
activan una reacción química que hace que se produzca una
corriente entre los dos electrodos. La electrónica integrada en
el detector de gases mide constantemente la corriente y evalúa
los cambios, emitiendo alarmas acústicas y visuales.
Lo que ya en el laboratorio es un proceso fascinante, tiene que funcionar con la misma constancia en las exploraciones petrolíferas en la permanente helada de Alaska como en
las instalaciones de licuefacción de gases en la tórrida región
del Golfo o en el espacio; en Lübeck también se fabrican sensores para la detección de hidrazina. Este líquido altamente reactivo sirve de combustible muy eficiente para cohetes pero es
altamente cancerígeno, de modo que en el sector aeroespacial
son imprescindibles los detectores de gases; la NASA también
confía en los sensores de Dräger. Y su componente central se
produce con la lámina de PTFE de un blanco roto y un tamaño
de tan solo DIN A5 que está cuidadosamente guardada y protegida contra el polvo.
Diferentes metales nobles en cada electrodo
Muchos pasos
se requieren hasta que
estos sensores puedan
ofrecer la seguridad que
Dräger garantiza. Aquí
se realiza una parte del
montaje por capas, a
mano bajo un microscopio
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En el siguiente paso se imprime en la lámina una mezcla creada
especialmente para este fin y preparada siempre en el momento. Contiene diversos metales nobles como platino, oro o rutenio. «Esta mezcla», explica Axel Silz mientras levanta y observa a
contraluz un pequeño recipiente de laboratorio con su contenido gris oscuro y espeso como la miel, «conserva sus propiedades
solo por muy poco tiempo. Luego, los auxiliares de laboratorio
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SENSORES ELECTROQUÍMICOS
Cada sensor se
somete a
pruebas minuciosas,
uno por uno
preparan la partida siguiente (siguiendo una fórmula especial)
que está exactamente adaptada al gas que se pretende detectar».
Por supuesto se documenta cada paso de la producción. Por el
número indicado en el mismo sensor, se puede averiguar también más tarde la partida de la mezcla utilizada.
La mezcla se aplica con una espátula en una capa muy fina
sobre la lámina que, después de la aplicación, está cubierta con
un sinfín de puntos; varios centenares de ellos caben en una
superficie de tamaño DIN A5, cuando se producen los electrodos para los sensores XXS. Los electrodos para los sensores de
los detectores de gas estacionarios son bastante más grandes, y
también hay otros que no son circulares, como en el caso de los
electrodos dobles. La lámina se pesa antes del proceso y se vuelve a pesar después, para controlar que cada uno de los puntos
de electrodos lleva exactamente la cantidad deseada de la mezcla. A continuación, las láminas impresas se cuecen durante
varias horas y los electrodos se recortan uno a uno de la lámina, a mano y con una mirada tan atenta que no se le pasa la más
mínima irregularidad de la superficie o la más mínima variación del color. «Las piezas defectuosas van directamente a los
Cómo detecta
el sensor
El principio: El aire pasa por la membrana
de función filtrante y llega al electrodo
de medición. Igual que el segundo electrodo,
se encuentra en un líquido que ejerce de
medio conductor eléctrico (electrolito). De
este modo, se transmite corriente entre
los dos que se puede evaluar (indicación).
Los filtros y los materiales específicos
para cada gas hacen que determinados gases
provoquen una reacción en los electrodos.
Por ello cambia la tensión que hay entre ellos.
Esta variación de tensión es una medida
para la concentración del respectivo gas.
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Membrana porosa
Segundo electrodo
Electrolito
Indicación
Gas
Electrodo de medición
Reacción química en el electrodo de medición
CO + H 2O
CO 2 + 2H + + 2e -
Segundo electrodo Potenciostato
Reacción química en el segundo electrodo
½O 2 + 2H + + 2e H 2O
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Producción
minuciosa:
Hasta 140
variantes de
sensores se
pueden fabricar
en Lübeck
Controles
rigurosos:
Aquí se ponen
a prueba los
sensores un poco
más grandes
para los detectores de gas
estacionarios exponiéndolos
uno a uno a gases
de referencia
normados, bajo
una campana
extractora
Molécula de CO
gas de medición, penetra en
el electrodo de medición
Molécula de CO2
producto de la reacción, sale
del electrodo de medición
Molécula de H2O
componente del electrolito
Ion de hidrógeno H+
de carga positiva porque le
falta un electrón
Átomo de oxígeno
Molécula de oxígeno
del aire ambiente
Electrón
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residuos especiales para su posterior reciclaje», explica Silz. A
fin de cuentas, contienen diversos metales nobles por los que
se recibe dinero.
Mientras se fabrican los electrodos de la forma descrita,
simultáneamente se van preparando los otros componentes del
sensor de gases. En el caso del XXS, una carcasa de plástico cubre
el sensor de tal forma que solo la cara sin tratar de la lámina está
en contacto con el ambiente. La cara tratada, no obstante, está
en contacto constante con el electrolito, sin importar el posicionamiento dentro del detector de gases. Algunas veces, hay otras
láminas que filtran el aire del exterior: láminas de selección,
por ejemplo, que en el caso de mezclas de gases son impermeables para aquellos gases para los que no está diseñado el sensor,
pero que pueden interferir en la detección del respectivo gas
(sensibilidad cruzada).
Caspa como rocas
En la carcasa de plástico del sensor se integran primero los contactos de oro para la conexión eléctrica con el detector de gases.
Con estos se conecta luego un hilo de platino de unos pocos
micrómetros de diámetro que, por su forma en espiral resistente a las vibraciones, asegura el contacto con los electrodos.
Junto con los electrodos se montan tejidos de formas especiales, también a mano, con dos pinzas bajo un microscopio; un
trabajo que requiere tal concentración, se podría decir que casi
meditativo, que influye incluso en la respiración de los trabajadores. «Por supuesto, esto se puede hacer solo en una sala blanca», dice Axel Silz. «Si cayera una única partícula de caspa en el
sensor, en este mundo microscópico la lámina se abollaría como
si cayera una roca sobre ella».
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Producción
con ojo,
experiencia y
destreza
Luego se aplica una masa selladora por el borde del sensor. Esta
es pastosa y evita que el electrolito se salga por el borde de la tapa
que se monta en el siguiente paso del proceso de fabricación. La
tapa tiene un pequeño orificio por el que se llena el sensor casi
completado con el electrolito, en una tercera parte aproximadamente; la mayoría de las gotas de lluvia son más grandes. En cuanto esté cerrado el orificio se imprimen los datos generales (tipo,
aplicación) y las informaciones individuales (como el número de
lote). Con ello el sensor está terminado y operativo, según el tipo
de sensor y la aplicación por un plazo de doce a 60 meses.
Centenares de miles de sensores al año
Gran variedad:
Los sensores
XXS destinados a
diversos gases
informan de la
sustancia peligrosa
detectada por
los tres contactos
de oro al dispositivo detector
A continuación, se inicia un proceso de envejecimiento inducido. Este se lleva a cabo a una temperatura y humedad ambiente
constante y dura entre doce horas y cuatro días. Es un requisito
para poder controlar si los sensores cumplen las especificaciones
garantizadas. Para ello, a cada uno de los centenares de miles de
sensores se aplica el gas de prueba correspondiente, y se mide y
documenta la reacción durante un determinado tiempo. A continuación, los sensores dejan la producción controlada de forma
eficiente mediante el sistema Kanban. «Aquí fabricamos nuestros sensores igual que en un taller de manufactura; es imprescindible tener buen ojo, experiencia y destreza», resume Silz. La
mayor parte de los sensores va destinada a la producción propia de los detectores de gases. Se utilizan en diversas aplicaciones que, aparte de los detectores estacionarios y portátiles, también incluyen los etilómetros y los ventiladores de emergencia.
Para mayor seguridad, producida pieza por pieza en Lübeck.
Un buen olfato:
Axel Silz es el
responsable de la
producción de
sensores electroquímicos. Por lo
visto, tiene la sensibilidad necesaria
para asegurar una
alta calidad y un
ambiente distendido
en todo el equipo
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