detectores de gases: nuevas tecnologías en el infrarrojo

_________________________________________________________________________________________
DETECTORES DE GASES:
NUEVAS TECNOLOGÍAS EN EL INFRARROJO
Xavier Selva
ZELLWEGER ANALYTICS
_________________________________________________________________________________________
1. DETECTORES DE GASES:
INTRODUCCIÓN. DIFERENTES
TECNOLOGÍAS DISPONIBLES
INTRODUCCIÓN
Los procesos industriales a menudo incluyen la
utilización o producción de gases inflamables y
tóxicos. Una de las partes clave de cualquier plan
de seguridad en la reducción de riesgos para el
personal y las instalaciones es, por tanto, la
utilización de Sistemas de Detección de Gas que
permitan realizar acciones preventivas y correctivas
ante la presencia de un gas a niveles definidos como
peligrosos.
Existen diversos diseños y conceptos de Sistemas
de Detección de Gas con mayor o menor aceptación
en la industria.
El sistema más común consiste en situar en una
serie de puntos estratégicos de la planta o
instalación industrial una serie de detectores, en
aquellos lugares en donde es más probable que
suceda una fuga o una acumulación peligrosa de
gas. Estos detectores de gas se conectan
eléctricamente (directamente o a través de un bus de
campo) a una o varias unidades de control
multicanal, situadas en zonas seguras (salas de
control locales o centrales, áreas de mantenimiento,
etc.) y que presentan indicaciones de niveles de gas,
alarmas, registros de datos, etc., además de realizar
algunas actuaciones locales (anunciadores ópticos y
acústicos, por ejemplo) y, finalmente, comunicar
con un sistema global de seguridad o de
monitorización y control integrados de la planta
industrial. En las FIGS 1 y 2 se presentan dos
ejemplos.
En otros casos, menos frecuentes, se emplean
sistemas de monitorización de gas extractivos en
los que no se sitúan detectores en campo sino que se
efectúa un muestreo hacia un analizador o monitor
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
central. Es decir: a través de un sistema de
conducciones de tubing y utilizando sistemas de
bombeo y muestreo secuencial, se toman
continuamente muestras de cada uno de los puntos
determinados como susceptibles de registrar fugas
de gas y se llevan hacia el equipo detector o
monitor central. Éste realiza simultáneamente las
funciones del detector de gas y de la unidad de
control descritos en el párrafo anterior, presentando
resultados, realizando actuaciones y comunicando
con el sistema global de seguridad o monitorización
y control integrados. Son sistemas que se aplican
cuando las condiciones de proceso son más bien
estables y donde las líneas de muestreo pueden ser
cortas y la velocidad de respuesta no ha de ser
rápida (BS 6959)
Por otra parte, en algunas instalaciones, los
detectores de gas se integran directamente el
sistema de monitorización y control integrados
(control distribuido, etc.)
Finalmente, no debemos olvidar los detectores de
gases personales, portátiles o transportables, de
aplicación muy extendida en la protección
individual frente a gases tóxicos y explosivos.
En la siguiente exposición, vamos a ocuparnos
exclusivamente de los detectores de gas que se
emplean en la industria y las diferentes tecnologías
empleadas en los mismos.
DETECTORES
DE
GAS:
DIVERSAS
TECNOLOGÍAS DISPONIBLES EN SU
APLICACIÓN A LA INDUSTRIA
Definiremos un “detector de gas” como un
elemento que sufre un cambio físico o químico,
reversible, en presencia de un gas, para dar una
señal (normalmente eléctrica) que es transmitida,
mostrada o utilizada para operar alarmas y
controles.
En esta presentación se abordarán los tipos y
tecnologías de detección de gases que se utilizan
mayoritariamente en la industria.
1
Ventas 1997
(millones pts)
Detectores
Electroquímicos
Detectores Infrarrojos
Detectores
Semiconductor
Detectores Catalíticos
Detectores
Conductividad
Térmica
Ventas previstas
2004
Crecimiento
previsto
1997 - 2004
6.712
9.312
5.5%
5.525
2.212
9.475
2.775
10.2%
3.6%
940
437
1.112
475
2.6%
1.2%
anual
TABLA 1 : DETECTORES DE GASES EN LA INDUSTRIA EUROPEA.
Nota: datos sólo aproximados. Extraídos de Frost & Sullivan “European Industrial Gas Sensors Mkt”
Fig.1 Diagrama Sistema analógico convencional
Otras opciones tales como: espectrometría de
masas, cromatografía de gases, monitores
paramagnéticos, ultrasonidos, fotoionización, láser
o biosensores, tienen una presencia muy minoritaria
en la industria y sus campos de utilización son
limitados, en lo que se refiere a la detección de
gases.
Podemos, por tanto, distinguir básicamente cinco
diferentes tecnologías en el mercado de los
detectores de gases de aplicación en la industria:
n
n
n
n
n
Detectores Electroquímicos
Detectores por Semiconductor
Detectores de Conductividad Térmica
Detectores Catalíticos
Detectores Infrarrojos
El mercado europeo de detectores de gases
industriales está experimentando un continuo
crecimiento debido principalmente a la progresiva
aparición de leyes que exigen un control más
estricto de los niveles de gas en la industria y por
otra parte, a la mejora en el diseño de los propios
detectores que ha permitido no sólo una reducción
en sus costes sino también un incremento de sus
aplicaciones.
En la TABLA 1 se muestra la importancia relativa
de cada tecnología de detectores de gas en el
mercado industrial europeo y sus previsiones de
crecimiento para los próximos años.
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
Fig.2 Diagrama sistema direccionable
DETECTORES ELECTROQUÍMICOS
La
tecnología
electroquímica
se
aplica
tradicionalmente en la detección de Oxígeno y
gases tóxicos, aportando soluciones de bajo coste y
gran variedad de aplicaciones, de forma que seguirá
siendo probablemente durante muchos años la
solución preferida por la industria para la detección
de este tipo de gases, a pesar de sus limitaciones
(interferencias y, sobre todo, la limitada vida de este
tipo de detector) sobre las que, por otra parte, se
están realizando continuos avances (sistemas de
autodiagnóstico, etc.)
El sensor utilizado en estos detectores es una célula
electroquímica formada por dos electrodos
sumergidos en un medio electrolítico común. Este
puede ser un líquido, gel o un sólido poroso
impregnado. El electrolito es aislado de las
influencias externas mediante una barrera, que
puede ser una membrana permeable al gas, un
medio de difusión o un capilar. La célula se diseña
para una sensibilidad máxima combinada con una
interferencia mínima de otros gases que puedan
estar presentes. Durante el funcionamiento, un
voltaje polarizado es aplicado a los electrodos y
cuando el gas penetra en el sensor una reacción
redox genera una corriente eléctrica proporcional a
la concentración del gas.
En muchos diseños se utiliza un electrodo de
referencia para reducir los efectos de la polarización
2
o hacer la medida más específica para un gas
determinado. Los sensores son relativamente
sencillos, tienen bajo consumo y generalmente son
bastante sensibles y precisos. Los límites de
detección pueden ser a partir de unas decenas de
ppb (según el tipo de gas) y los tiempos de
respuesta del orden de 30 - 60 seg.
La vida del sensor constituye quizás la principal
limitación de estos detectores, ya que es
imprevisible en cada unidad individual y exige una
verificación y recalibración frecuente (cada tres o
seis meses, típicamente) además de una sustitución
periódica de los sensores cuya vida ha terminado.
No obstante, recientes avances técnicos de los
fabricantes permiten, en algunos casos, minimizar
estas cargas de mantenimiento al aportar sistemas
de autodiagnóstico que informan aproximadamente
de la vida útil del sensor. Complementariamente,
algunos suministradores ofrecen programas de
suministro y sustitución de células, transcurrido un
cierto período de tiempo, sin que el usuario tenga
que ir efectuando las citadas recalibraciones.
Los sensores de Oxígeno suelen tener una vida
típica de 9 a 18 meses según los modelos y
fabricantes, mientras que los sensores para el resto
de gases suelen tener una vida de 2 a 3 años.
DETECTORES POR SEMICONDUCTOR
La tecnología de semiconductores se ha venido
aplicando mayoritariamente en el mercado de los
detectores domésticos y en los últimos años ha
empezado a penetrar en el mercado industrial. Los
fabricantes de este tipo de detectores han ido
encontrando nuevas aplicaciones para los mismos.
Los detectores por semiconductor presentan como
característica más destacada ser los detectores de
gases de más bajo coste de los que se dispone en el
mercado.
El sensor fabricado con materiales semiconductores
opera por la propiedad de adsorción de gas en la
superficie de un óxido calentado. De hecho, es una
película delgada de un óxido metálico
(habitualmente óxidos de metales de transición o de
metales pesados como el estaño) depositada en una
base de sílice. En la mayoría de casos el proceso es
muy similar al utilizado en la manufactura de
“chips” La adsorción de la muestra de gas en la
superficie del óxido, seguida de una oxidación
catalítica, termina en un cambio de la resistencia
eléctrica del material oxidado que puede
relacionarse con la concentración del gas.
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
La superficie del sensor se calienta a una
temperatura constante de alrededor de 200 - 250ºC
para acelerar la reacción y reducir los efectos de los
cambios de temperatura ambiental.
Los detectores de semiconductor son sencillos y
pueden ser altamente sensibles. En aplicaciones
industriales han tenido cierto éxito en algunos
campos (por ejemplo: detección de ácido
sulfhídrico)
Quizás la principal limitación de estos detectores es,
en algunos casos y aplicaciones, su falta de
especificidad y su influenciabilidad por factores
ambientales tales como las variaciones de
temperatura y humedad, así como la necesidad de
ser verificados con cierta frecuencia para
comprobar que mantienen su sensibilidad, la cual a
veces se ve afectada tanto por una historia previa en
la que no haya habido detección de gas como, en el
otro extremo, por una cierta dificultad en
recuperarse después de detectar una concentración
notable de gas.
No obstante, como hemos dicho, los fabricantes
están realizando continuas mejoras en estos
aspectos, con el fin de aumentar los campos y
aplicaciones en los que un detector de este tipo
pueda ser aplicado con fiabilidad.
DETECTORES
TÉRMICA
DE
CONDUCTIVIDAD
Los detectores de conductividad térmica emplean
esta conocida tecnología para determinar la
concentración de un gas conocido en una mezcla de
dos gases. Son particularmente útiles para medidas
que afectan a gases de alta conductividad térmica
o gases de tipo inerte (argón, helio, etc.)
Este tipo se detectores ocupa un sector muy
reducido y estable del mercado de detectores de
gases, con aplicaciones muy específicas (“nichos de
mercado”) El mercado experimenta un crecimiento
casi inapreciable y se considera que esta es una
técnica muy madura con pocas posibilidades de
crecimiento, lo que no impide que pueda ser la
mejor solución en algunas aplicaciones.
Existen diversidad de detectores. Básicamente su
principio de funcionamiento consiste en la
disposición de al menos dos filamentos con
propiedades conductoras y térmicas (“termistores”)
formando parte de un “puente de Wheastone”. Cada
filamento se ubica en una célula independiente y el
conjunto está a una temperatura definida. En la
célula de referencia se encierra una cantidad
3
determinada de un gas estándar (aire, por ejemplo)
En la célula de medida penetra el gas a detectar. Su
conductividad térmica, diferente de la del gas de
referencia, hace que la temperatura del filamento se
altere y, en consecuencia, se desequilibre el circuito
“puente de Wheastone”
No entraremos más detalles sobre esta tecnología,
dada su presencia sólo importante en aplicaciones
muy específicas, como hemos comentado.
DETECTORES CATALÍTICOS
La tecnología catalítica se ha aplicado
tradicionalmente en la detección de gases
combustibles en las plantas industriales,
constituyendo un método bien establecido y de bajo
coste. Sin embargo, en los últimos años esta
tecnología ha sufrido la competencia de la
tecnología infrarroja en muchas aplicaciones,
debido a que esta última aporta ventajas que en
algunos casos pueden ser decisivas como lo es la
insensibilidad a compuestos químicos que
constituyen venenos para los detectores catalíticos,
a los que llegan a inutilizar.
El sensor catalítico consiste en un pequeño
elemento denominado “pellistor”, “perla” o
“filamento catalítico” que está formado por un
filamento de Platino calentado eléctricamente. Este
filamento está recubierto primeramente con una
base cerámica (aluminosa, por ejemplo) y
posteriormente por una dispersión catalítica de
Paladio o Rhodio en un sustrato de Torio.
Cuando una mezcla de aire y gas inflamable se pone
en contacto con la superficie caliente del
catalizador, se produce una combustión que
aumenta la temperatura de la “perla” lo cual altera
la resistencia del filamento de platino que a su vez
es medida en un circuito tipo “puente de
Wheastone” El cambio de resistencia está
directamente relacionado con la concentración de
gas presente, la cual se expresa normalmente en el
porcentaje de la concentración mínima que dicho
gas debe tener en aire para producir una mezcla
explosiva (% del Limite Inferior de Explosividad,
% L.I.E. o L.E.L.)
Para asegurar la estabilidad frente a variaciones
ambientales, cada filamento catalítico es
acompañado por otro filamento de referencia, que
es similar pero con el catalizador desactivado.
desactivar rápidamente al detector (al reaccionar
con el catalizador, envenenándolo) Los fabricantes
han realizado mejoras sucesivas en la composición
química y diseño mecánico (miniaturización,
aumento de la superficie efectiva, etc.) de los
filamentos catalíticos, de forma que actualmente el
efecto de un “veneno” no suele inactivarlos en
forma inmediata, aunque sí acorta muy
notablemente la vida útil del detector.
Adicionalmente, debemos resaltar que el detector
catalítico se consume cada vez que detecta gas y
sufre un cierto envejecimiento en el tiempo. Por
este motivo se recomienda su recalibración cada
seis meses. Su vida útil, no obstante, rebasa
normalmente los cinco años.
Más allá de las limitaciones descritas, los detectores
catalíticos han resultado ser un método muy fiable
para detectar gases inflamables. Aportan como
ventajas importantes, entre otras, su capacidad para
detectar
prácticamente
cualquier
sustancia
inflamable, tiempos de respuesta entre 15 y 30
segundos, buena estabilidad frente a las variaciones
de las condiciones ambientales (humedad,
temperatura, etc.) y coste reducido.
En definitiva, se trata de una tecnología madura
que, durante muchos años, ha constituido la
elección estándar de la industria en lo que se refiere
a la detección de gases inflamables.
DETECTORES INFRARROJOS
La tecnología infrarroja ya supone actualmente la
partida más importante dentro del mercado europeo
de detectores de gases de aplicación industrial, con
un porcentaje del 29% en 1997 (Frost and Sullivan,
1998) El precio de los detectores infrarrojos se ha
reducido a la mitad en los últimos 5 años y puede
afirmarse que existe una tendencia creciente en
Europa hacia la utilización de este tipo de sensores,
con un crecimiento previsto del 8 - 10% anual en
los próximos cinco años.
Su aplicación mayoritaria es, hoy por hoy, la
detección de gases inflamables y existen dos
grandes clases de detectores:
n detectores de punto
n detectores de camino abierto (“barreras
infrarrojas”)
Detectores Infrarrojos de Punto
La principal limitación de este tipo de detectores es
su degradación al entrar en contacto con sustancias
como siliconas, derivados halogenados, freones,
azufre y derivados del plomo, que pueden
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
El sensor infrarrojo de punto se basa en el hecho de
que muchos gases combustibles tienen bandas de
absorción en el espectro infrarrojo. Este principio
4
venía siendo utilizado desde hace décadas en
diversos equipos analíticos, pero sólo en los últimos
diez años los avances electrónicos y ópticos han
permitido diseñar equipamiento de un tamaño y
consumo lo suficientemente pequeños como para
aplicarlo a la detección de gases.
El detector infrarrojo debe incluir, para garantizar
un funcionamiento fiable, una pequeña cámara con
dos fuentes emisoras. Una (la de medida) está
ajustada a la longitud de onda de absorción de los
hidrocarburos o gases inflamables a detectar,
mientras la otra trabaja a una longitud de onda de
referencia. De este modo se compensan los factores
ambientales de temperatura, humedad etc.
La cámara está en contacto con el aire ambiente, de
forma que cuando se produce una fuga de gas
combustible, éste penetra en la cámara y es
atravesado por los rayos de medida y referencia
que, tras recorrer un camino óptico definido por las
dimensiones de la citada cámara, inciden en uno o
varios detectores. Un microprocesador controla los
parámetros de trabajo y presenta un resultado
proporcional a la concentración del gas a detectar,
utilizando normalmente una determinada curva de
calibración que describe la relación entre la
concentración de un gas determinado y su absorción
a la longitud de onda de trabajo.
Tratándose de gases inflamables la concentración
de gas presente se expresa normalmente en el
porcentaje de la concentración mínima que dicho
gas debe tener en aire para producir una mezcla
explosiva (% del Limite Inferior de Explosividad,
% L.I.E. o L.E.L.)
La termostatización de la cámara de medida y la
compensación de temperatura por software, el tipo
de fuentes emisoras, la utilización de uno o varios
detectores así como el diseño de los mismos, el
propio tamaño y construcción de la cámara de
medida, la potencia del microprocesador y los
materiales empleados, son factores que definen la
mayor o menor calidad del detector infrarrojo y, por
tanto, su rendimiento.
Las principales ventajas de los detectores de gases
de punto que utilizan la tecnología infrarroja son:
- su carácter de sistema óptico hace que no se vean
afectados por venenos que puedan acortar su vida y
dificultar su funcionamiento, a diferencia de lo que
ocurría en los detectores catalíticos descritos
anteriormente. Esto, junto con la ausencia de un
consumo del elemento detector cuando se registra
una presencia de gas, hace que los detectores
infrarrojos constituyan una solución óptima en
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
atmósferas que serían dañinas para otros detectores
y presenten una vida útil muy superior, estimada en
más de 10 años.
- gran estabilidad en el tiempo, con derivas muy
reducidas. Esto tiene como efecto una drástica
reducción en el mantenimiento, ya que las
operaciones de recalibración pueden espaciarse
hasta períodos de más de un año.
- velocidad de respuesta: del orden de 2 a 10
segundos según modelos y aplicaciones
- detección más segura, al no requerir la presencia
de oxígeno en el proceso de detección. Es decir: a
niveles superiores al 100% LEL, la señal permanece
y no tiende a cero, como ocurría en los detectores
catalíticos (con el peligro que ello suponía)
En contrapartida, sus limitaciones son escasas. En
todo caso sí conviene resaltar que los detectores
infrarrojos industriales trabajan normalmente en
unas longitudes de onda muy definidas y, por tanto,
debe estudiarse con detalle qué gases inflamables
pueden estar presentes en la zona a proteger y debe
comprobarse que el detector presenta una respuesta
suficiente frente a ellos. Incluso, en casos como la
molécula de Hidrógeno, la tecnología infrarroja se
enfrenta a una absorción inapreciable y este tipo de
detectores no puede aplicarse, al menos por el
momento.
Detectores Infrarrojos de Camino Abierto
(“Barreras Infrarrojas”)
Utilizan un haz abierto de luz infrarroja entre un
emisor y un receptor, cubriendo una distancia de
varios centenares de metros.
Su aplicación principal es la detección de gases
inflamables, aunque también se han desarrollado
algunos equipos para detección de gases tóxicos.
Los detectores de camino abierto representan una
solución ideal para la protección perimetral de
zonas de almacenamiento de gases o gases licuados,
plataformas petrolíferas, túneles, conducciones,
perímetros de plantas de producción (para detectar
el acceso de gas a cualquier camino, edificio o
instalación externa a las mismas) etc.,
complementando la detección puntual clásica y
ofreciendo un bajo coste de mantenimiento y, sobre
todo, instalación
Con una fuerte demanda por parte de la industria,
los últimos diez años han sido testigos de una
evolución constante en esta tecnología que, sólo
5
muy recientemente ha podido ofrecer soluciones
altamente operativas.
sí existen una serie de normas que facilitan la toma
de decisiones.
En el Capítulo 3 de esta presentación, se aborda con
detalle la evolución de esta tecnología que, como
hemos dicho, tiene una fuerte demanda en el
mercado.
En primer lugar existen tres enfoques
complementarios para situar los detectores de gases:
a) Detección puntual, en la que los detectores
deben situarse cerca de los lugares de fuga o de
acumulación de gas más probables.
2.- DETECTORES DE GASES: SU
UBICACIÓN EN LA PROTECCION DE
INSTALACIONES INDUSTRIALES.
Aplicaciones de los detectores de gases.
Existe un amplio espectro de aplicaciones para los
detectores de gases en la industria. Las principales
razones para utilizar detectores de gases son:
n Detectar y monitorizar la presencia de gases
n
n
n
tóxicos o inflamables que puedan suponer un
peligro para las personas.
Detectar y monitorizar la presencia de gases
inflamables o tóxicos que puedan dañar las
instalaciones o el equipamiento de las mismas.
Detectar y monitorizar una presencia de gases
peligrosos en la atmósfera que pueda tener
consecuencias negativas para el medio
ambiente.
Optimizar la operación del proceso, mejorando
la conservación de la energía y el ahorro de
combustibles
Por otro lado, los posibles orígenes de una fuga de
gas tóxico o combustible son muy variados. En la
Tabla 2 se listan algunos de ellos.
Ubicación de los detectores
En el momento de diseñar o especificar un Sistema
de Detección de Gases para proteger una
determinada planta o instalación, así como a las
personas que van a trabajar en ella, surgen al menos
dos preguntas clave:
n ¿ Cuántos detectores son necesarios?
n ¿ Dónde deben situarse para estar seguros de
que van a detectar una fuga y brindar una
protección suficiente en el menor tiempo
posible?
Estas dos preguntas son seguramente las más
frecuentes acerca de sistemas de detección de gas y,
probablemente las más difíciles de contestar, ya que
no existen reglas definidas al respecto. No obstante,
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
b) Detección perimetral, donde los detectores
tratan de rodear por completo un área y avisar
de cualquier fuga o ingreso de gas peligroso.
Esta protección puede realizarse con detectores
puntuales o con detectores de camino abierto
(“barreras infrarrojas” etc.)
c) Detección de “barrera” en la que se utiliza un
detector de camino abierto para proteger un
equipo, zona determinada etc. del acercamiento
de una nube de gas.
A partir de ahí, la decisión sobre cuántos detectores
deben utilizarse y dónde han de situarse debe ser el
resultado de un trabajo en el que se combinen
diversos puntos de vista: conocimiento del proceso
de producción, normativa y prácticas de seguridad
de la planta, características de los detectores a
emplear, etc.
Se trata, por tanto, de un estudio que debe ser
idealmente realizado por un equipo multidisciplinar
y en el que el conocimiento de la propia planta y de
los procesos que en ella tienen lugar así como de
detalles “geográficos” como la situación y
accesibilidad real de equipos y edificios, vientos
predominantes, etc. son elementos decisivos. Por
este motivo, muchas veces la ingeniería básica y de
detalle previos a la construcción de la planta sólo
pueden determinar una protección inicial a
optimizar posteriormente con la experiencia real
una vez la instalación esté en marcha.
Como hemos dicho, no existen unas normas
definidas. Sin embargo, sí están disponibles
diversos “Códigos de Prácticas” que establecen los
principios básicos que deben regir al proceso de
decisiones antes descrito. Son, en realidad, un
pliego de “condiciones mínimas” a tener en cuenta.
Los British Standards BS 6959
(“Selection,
installation use and maintenance of apparatus for
the detection and measurement of combustible
gases”) y BS 5345 (“Selection, installation use and
maintenance of electrical apparatus for use in
potentially explosive atmospheres”) son algunos de
estos Códigos de Prácticas.
6
A continuación resumimos
relevantes del BS 6959:
algunos
puntos
BS 6959: Selection, installation use and
maintenance of apparatus for the detection and
measurement of combustible gases.
INSTALACION Y USO DE DETECTORES DE
GASES FIJOS
Consideraciones básicas:
Se instalan para proporcionar una alarma frente a la
presencia de gas combustible en cualquier lugar
donde pueda acumularse, con el fin de:
n
n
n
n
iniciar un proceso de evacuación
activar un sistema de extinción de incendios
efectuar una parada de planta
realizar un control de ventilación
Comportamiento de los gases tras producirse la
fuga:
En general, los detectores deben situarse por encima
del nivel del punto de fuga potencial cuando son
gases más ligeros que el aire (gas natural o metano,
hidrógeno, amoníaco) y por debajo del punto de
fuga, cerca del suelo, para los gases más pesados
que el aire.
El gas liberado sufre una dispersión inicial, en
forma de chorro si la línea está presurizada,
determinada por la energía con que fuga y su
densidad, asumiendo que no hay movimiento del
aire. A cierta distancia, este impulso decae y la
dispersión es por difusión, convección o flotación
(diferencia de densidades)
Instalaciones exteriores.
Son factores importantes en el posicionamiento de
los detectores:
n dirección y velocidad del viento
n efecto de edificios y estructuras locales cercanas
n
a los puntos de fuga
efectos térmicos locales
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
IMPORTANTE: los detectores deben situarse
donde puedan producirse acumulaciones peligrosas
de gas y no necesariamente muy cerca del punto de
fuga potencial. Por ejemplo: en pozos donde
puedan acumularse gases más pesados que el aire o
en cavidades o tejadillos donde puedan retenerse los
gases ligeros. Los detectores muy cercanos a los
puntos de fuga potencial pueden a veces provocar
alarmas innecesarias cuando se producen pequeñas
fugas sin consecuencias en el transcurso de las
operaciones normales (apertura de válvulas, etc.)
Edificios no ventilados
Los gases más ligeros que el aire formarán una capa
de gas / aire entre el nivel del punto de fuga y el
techo.
Los gases más pesados que el aire formarán una
capa de gas / aire entre el punto de fuga y el suelo.
En el caso de gas proyectado con energía al exterior
(debido a la presión) como un “chorro de gas” , el
comportamiento es distinto: un chorro de gas más
ligero que el aire proyectado hacia abajo, puede
crear una capa de gas /aire extendida entre algún
punto a un nivel inferior al punto de fuga y el techo;
igualmente, un chorro de gas más pesado que el aire
proyectado hacia arriba puede provocar una capa de
gas / aire desde un punto a un nivel superior al de
fuga y el suelo.
Edificios y recintos ventilados
La ventilación puede ser natural (diferencias de
presión o de temperatura)
En este caso la ventilación producirá una cierta
dilución del gas y modificará la distribución del
mismo, haciendo que un gas pesado pueda
extenderse no sólo por debajo del punto de fuga
sino también por encima del mismo y un gas más
ligero que el aire pueda también dirigirse hacia el
suelo.
La ventilación puede ser también mecánica
(ventiladores, etc.)
7
Normalmente la ventilación mecánica permite diluir
notablemente los gases (un valor típico es de 12
renovaciones del volumen cada hora) Aquí los
detectores deben localizarse en volúmenes muertos
(cavidades, pozos, etc.) ó, si se desea, en el propio
conducto de extracción, a un nivel de alarma, en
este caso, bajo
En todos los casos, los detectores deben colocarse
por encima de las aberturas de ventilación y cerca
del techo para gases más ligeros que el aire y por
debajo de las aberturas de ventilación y cerca del
suelo en el caso de gases pesados. Cuando se desee
detectar la entrada de gas en un recinto, los
detectores deben colocarse adyacentes a las
entradas de ventilación.
Consideraciones ambientales
El viento, la lluvia, nieve, polvo y el vapor de agua
pueden afectar adversamente al rendimiento de un
detector de gases. En particular, los vientos fuertes
pueden afectar a la estabilidad del cero y provocar
una pérdida transitoria de sensibilidad (dilución) La
nieve, el hielo, el agua (vapor sobre todo) y el polvo
pueden obturar el elemento sinterizado de los
detectores. Por todo ello se recomienda utilizar las
denominadas protecciones intemperie que suelen
ofrecer los fabricantes para cada tipo de detector.
La excesiva proximidad a zonas de alta temperatura
(turbinas, calderas…) puede someter al detector a
temperaturas demasiado elevadas, reduciendo su
vida operativa e incluso violando la limitación de
temperatura para la que el propio detector está
certificado como apto para zona peligrosa.
Otros factores a tener en cuenta son: atmósferas
corrosivas, vibraciones, interferencias de radio
frecuencia, contaminantes como las siliconas y
derivados de azufre, etc.
FUENTES
Líquidos volátiles
Colas, revestimientos, pinturas
Gases licuados vertidos
Canalizaciones, botellas y tanques de gas
Materias orgánicas del suelo, bolsas de gas natural
Gases asfixiantes
Gases tóxicos
Finalmente, todos los detectores deben situarse en
puntos que sean accesibles para efectuar las
operaciones
periódicas
de
calibración
y
mantenimiento.
3.- NUEVAS TECNOLOGÍAS EN EL
INFRARROJO: DETECTORES DE
GASES INFLAMABLES DE CAMINO
ABIERTO (BARRERAS
INFRARROJAS)
3.1. Introducción
La utilización de Detectores de Gases de Camino
Abierto (“Open Path Gas Detectors”, OPGD) ha
venido siendo una práctica habitual desde hace años en
plataformas petrolíferas y en plantas de tipo
petroquímico. Se estima que en todo el mundo se han
instalado un total de 10.000 sistemas de camino abierto
(OPGD) en zonas que van desde las condiciones
subárticas de Siberia hasta las zonas tropicales de
Australia
Estos detectores de gases, en combinación con
detectores de punto, a menudo determinan una parada
de planta en el caso de una fuga de gas, con el fin de
reducir el riesgo de una explosión.
Sin embargo, las tecnologías utilizadas y el rendimiento
de los detectores OPGD no han carecido de problemas
en sus aplicaciones prácticas, experimentando así
mismo sucesivas revoluciones desde su inicio. Este
capítulo pretende apuntar brevemente cuál es el estado
actual de esta tecnología de detección de gases
inflamables.
El
primer
detector
OPGD
fue
introducido
PROCESOS
Evaporación
Evaporación de los disolventes
Evaporación rápida
Emisión súbita por rotura, fuga, porosidad u otros
defectos de almacenamiento
Filtración y acumulación en pozos, galerías y fosos
Fermentaciones en cubas, acumulación en partes
bajas de tanques, zanjas, galerías, etc.
Escapes en juntas, válvulas, falsas maniobras
TABLA 2 : LIBERACIÓN DE GASES Y VAPORES A LA ATMÓSFERA
Nota: Extraído de “Riesgos debidos a la presencia de gases inflamables” Nuria Durán, SILEX nº1,
Marzo 1997
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
8
comercialmente hacia finales de los años 80, partiendo
de un diseño de Shell. Desde entonces, se han
introducido en el mercado diversos diseños y versiones
mejoradas, desarrolladas por varios fabricantes.
Existen actualmente, como mínimo, seis marcas
diferentes
de
detectores
OPGD
disponibles
comercialmente, utilizando cada una de ellas diferentes
soluciones técnicas y configuraciones físicas. Todos
estos fabricantes ofrecen un detector infrarrojo de
camino abierto para áreas potencialmente peligrosas,
pero cada uno de ellos ha tomado una dirección
diferente no sólo en lo que se refiere a su desarrollo
técnico sino también, en ocasiones, a sus objetivos
comerciales.
Este amplio rango de opciones diferenciadas a
disposición del usuario debería permitir a los
ingenieros de seguridad e instrumentación seleccionar
en cada caso la solución más competitiva y menos
costosa que cumplimente las necesidades de una
aplicación determinada
Pero, precisamente por la diversidad de tecnologías de
OPGD disponibles y su aparente sofisticación, se hace
prácticamente imprescindible que estos ingenieros
estén
mínimamente
familiarizados
con
la
espectroscopia infrarroja en general y, en concreto, con
las características de la detección de camino abierto.
3.2. Por qué utilizar detectores de camino abierto
(“barreras infrarrojas”)
La Detección de Camino Abierto consiste en la
detección de una fuga o nube de gas inflamable
(normalmente un hidrocarburo) conforme ésta pasa a
través de un rayo de luz infrarroja invisible, que opera
entre un transmisor y un receptor situados entre sí a
distancias de entre 5 y 200 metros (en los equipos
disponibles comercialmente)
Como ya se ha descrito en capítulos anteriores, un
aspecto primordial en el diseño de un Sistema de
Detección de Gases eficaz es la ubicación de los
detectores de gases en relación con los puntos de fuga
potencial.
La ubicación de los detectores tendrá, entre otras
consecuencias, una influencia directa en la velocidad de
respuesta del Sistema de Detección de Gases ante una
fuga y es ahí donde un detector de camino abierto
(OPGD) puede aportar ventajas significativas sobre los
detectores puntuales, en determinadas aplicaciones.
En efecto, los detectores OPGD presentan una ventaja
muy significativa frente a los detectores de punto
cuando se trata de disponer de un sistema de respuesta
muy rápida y que cubra grandes áreas:
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
A diferencia de lo que sucede en los detectores
tradicionales de punto (catalíticos o infrarrojos) el
detector OPGD no se ve afectado por una posible
dilución de la nube de gas, ya que aquí se cuenta
efectivamente el número total de moléculas de gas que
se sitúan en el rayo detector.
Los detectores de gas puntuales operan por el contacto
del gas con el detector, al alcanzar el gas el punto
concreto de la planta en donde dicho detector está
situado. Es, por tanto, perfectamente posible que la
dirección predominante del viento ó, incluso, un
cambio súbito en la misma, alejen la nube de gas del
detector puntual. Adicionalmente, a medida que existe
una distancia mayor entre el punto de fuga y el
detector, la dilución del gas aumenta, llegando en
ocasiones a reducirse tanto el nivel de gas que alcanza
al detector que se hace imposible la detección efectiva.
Estos problemas desaparecen en el caso de los
detectores OPGD ya que no responden frente a la
concentración de gas sino frente al número total de
moléculas del mismo que atraviesan el rayo detector y
establecen además una “línea“ o “barrera” a través de
la cual se detecta el paso de una nube de gas.
Es decir, el detector OPGD es capaz de cubrir grandes
áreas con efectividad y de responder a niveles de
concentración de gas por debajo del límite de detección
de un detector puntual (las nubes de gas diluidas suelen
ser de gran tamaño) solucionando así el problema de la
dilución del gas con la distancia al punto de fuga y
proporcionando un sistema de detección de gran
velocidad de respuesta.
Por las razones anteriormente expuestas, varios
estándares internacionales recomiendan el uso de
detectores OPGD en conjunción con los detectores de
punto como sistema de detección de gas idóneo.
3.3. Principio de funcionamiento
Los detectores OPGD operan transmitiendo luz
infrarroja a lo largo del área a monitorizar. Se
seleccionan dos o más longitudes de onda específicas:
una de medida (a una frecuencia de absorción de los
enlaces H-C presentes en los hidrocarburos) y otra de
referencia (a una frecuencia no absorbida por las
moléculas de gas)
La comparación entre las intensidades de la luz
infrarroja a estas dos longitudes de onda que llegan al
receptor es traducida en un valor expresado en
unidades LELm, es decir, el resultado de multiplicar
una concentración de gas inflamable (% LEL) por un
número de metros. En definitiva, se expresa la
absorción absoluta de luz infrarroja que se ha
9
experimentado entre el transmisor y el receptor. El
rango típico de este tipo de detectores es 0 a 5 LELm y
los puntos de alarma se suelen fijar a 1 LELm y 3
LELm
receptor separados, mientras en la otra se utiliza un
transmisor-receptor que genera una señal que incide en
una superficie reflectante y regresa al propio
transmisor-receptor, en donde es procesada.
3.4. Influencias del medio ambiente
La utilización de la segunda configuración (superficie
reflectante) presenta los siguientes problemas:
Desde hace muchos años han venido utilizándose en la
industria analizadores infrarrojos para diversas
aplicaciones. Estos analizadores a menudo operan
conjuntamente con sistemas de acondicionamiento de
muestras que regulan la presión, temperatura, humedad
y partículas previamente a la entrada de muestra en el
analizador.
Sin embargo, un detector OPGD no dispone de dicho
acondicionamiento de muestras y se espera de él que
sea capaz de operar tanto en zonas tórridas como el
Oriente Medio como en zonas heladas como Siberia,
compensando cualquier cambio local de las
condiciones medioambientales (lluvia, tormentas de
granizo, luz solar directa e indirecta, nieblas densas,
tormentas de arena, nieve, etc.) así como resistiendo
vientos fuertes que puedan inducir vibraciones además
de las propias derivadas del funcionamiento de las
plantas industriales.
-los paneles reflectantes suelen obscurecerse o alterarse
por acción de la suciedad, lluvia, nieve o hielo así
como por condensación de agua
-la señal ha de recorrer dos veces el camino, con lo que
se debilita mucho en casos de niebla o lluvia
-los paneles reflectantes son muy propensos a moverse
por acción del viento o las vibraciones, lo cual produce
falsas alarmas, pérdidas de señal, etc.
Por estos motivos, la mayoría de fabricantes han
abandonado esta configuración y utilizan actualmente
un transmisor y un receptor separados.
b) Los componentes activos de los OPGD son la
fuente y el detector. Son diversas las soluciones y
materiales utilizados por los diversos fabricantes y cada
uno de ellos brinda argumentos en favor de su opción.
3.6. Luz solar
Del anterior párrafo podemos fácilmente extraer cuáles
son los principales problemas y desafíos que han
enfrentado históricamente los detectores de camino
abierto:
•
•
•
•
Impacto directo o indirecto de la luz solar
Condiciones climáticas: lluvia, niebla, hielo,
nieve, oscilaciones de temperatura, etc.
Vibraciones
Instalación incorrecta
En todos estos casos, la operatividad real de los
detectores de camino abierto se ha visto limitada,
presentando problemas de falsas alarmas o situaciones
temporales de fuera de servicio o malfunción.
El tipo y severidad de estos problemas ha variado
según los modelos y fabricantes de OPGD así como ha
sido función también del soporte técnico que éstos han
ofrecido para resolverlos.
La luz del Sol es una fuente continua (DC) de
infrarrojos que constituye un elemento que puede
afectar
muy
negativamente
(falsas
alarmas,
malfunciones) a un OPGD en dos formas diferentes: la
intensidad y la modulación de la fuente de luz.
La intensidad de la fuente de luz infrarroja que
constituye el Sol es un desafío para los fabricantes de
OPGD. Necesitan encontrar una fuente generadora de
luz que pueda ser instalada en una envolvente
certificada para áreas potencialmente explosivas y que
pueda generar una señal infrarroja de mayor intensidad
que el Sol o que pueda modularse de tal manera que se
diferencie perfectamente de la fuente DC creada por el
Sol, con el fin de eliminar su interferencia.
A este fin, los fabricantes han utilizado:
n Fuentes de luz moduladas (bulbos) empleando
conmutaciones (“switching”)
Fuentes de luz moduladas utilizando motores
“chopper”
Fuentes de luz moduladas utilizando descargas de
energía (como el “flash” de una cámara fotográfica)
A continuación se destacarán los factores adversos
relacionados con el uso de detectores OPGD y se
efectuará un resumen de las tecnologías actualmente
disponibles.
n
3.5. Tecnologías utilizadas en los detectores OPGD
Las fuentes de luz tipo bulbo alcanzan con gran
dificultad energías comparables a la luz solar, por lo
a) Existen dos configuraciones básicas para un detector
de camino abierto: en una se utiliza un transmisor y un
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
n
10
que suelen ser incapaces de proporcionar suficiente
energía para el receptor
La modulación utilizando un “chopper” siempre
presenta la dificultad adicional de sincronización
adecuada y el riego de los sistemas con partes móviles
Finalmente, las fuentes de descarga de energía parecen
ser el método más sencillo y competente para generar
una señal inmune a la luz del Sol y en este sentido
equipan algunos de los modelos de detectores OPGD
de última generación.
Receptores y detectores
Una vez se ha seleccionado una fuente de luz, debemos
procesar la señal que llega al receptor.
Los fabricantes han venido utilizando hasta hace poco
como detectores en los OPGD sensores de Sulfuro de
Plomo. Son sensores muy conocidos, disponibles
comercialmente y de coste asequible. Sin embargo,
presentan limitaciones ya que pueden verse afectados
por:
n
n
n
n
saturación de señal
efectos de temperatura
falta de linealidad
velocidad de respuesta
La saturación de señal ocurre cuando la cantidad de luz
solar que entra en el receptor “ciega” al sensor frente a
la señal que llega del transmisor, produciendo falsas
alarmas o dejando al equipo temporalmente fuera de
servicio.
Estos sensores presentan una cierta dependencia de la
temperatura ambiente, con una pérdida de rendimiento
a temperaturas superiores a los 40ºC mientras a bajas
temperaturas (-20ºC) el rendimiento es óptimo.
La linealidad de los citados sensores de sulfuro de
plomo es limitada, deteriorándose más allá de unos
rangos de trabajo muy concretos.
Finalmente, la velocidad de respuesta de un sensor de
sulfuro de plomo varía según la temperatura, de forma
que usualmente se utiliza el software del equipo para
filtrar señales indeseadas y para compensar la deriva de
la línea base.
En resumen, durante los últimos 12 años en que esta
tecnología ha sido la única disponible, los fabricantes
han entendido que un detector OPGD si ha de ser
inmune a la luz del Sol, debe:
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
n disponer de una fuente de luz de descarga de
energía
n no utilizar sensores de Sulfuro de Plomo
3.7. Fuentes de Infrarrojo Moduladas
El infrarrojo modulado puede crearse por refracciones
de superficies metálicas, agua, cristal, etc. Puede
también originarse en la radiación de chimeneas o
superficies tales como el asfalto de una carretera. En
todos los casos, estamos ante un efecto que de nuevo
puede afectar negativamente al funcionamiento de un
OPGD
Para diseñar un sistema que sea inmune a estos efectos,
debe considerarse la velocidad, tamaño, intensidad y
forma de la señal infrarroja.
Hemos visto que una lámpara de descarga tipo “flash”
proporciona una señal intensa y superior a una lámpara
estándar pulsante en lo que se refiere a combatir los
efectos de la luz ambiente. Una ventaja adicional de
este sistema de generación de luz infrarroja es la
capacidad de distinguirla no sólo de la interferencia de
una luz continua (el Sol) sino también de los efectos
más transitorios que puede causar una interferencia
modulada. En efecto, la lámpara de descarga permite
seleccionar una intensidad y frecuencia de señal que
aseguren que todos los factores que puedan afectar al
rendimiento del sistema serán rechazados por el
receptor.
El detector óptimo para un OPGD es un sensor de
estado sólido que se conecta a un software que
compara constantemente la señal recibida con la que le
ha sido almacenada en la memoria. Utilizando este
modelo (“template”) puede efectuarse una selección y
rechazo de señal recibida, en tiempo real, asegurando
que las interferencias constantes (luz del Sol) o
aleatorias (reflejos de superficies, etc.) no son
procesadas por el receptor como señales de medida.
En resumen, la combinación de fuentes luminosas de
descarga de energía debidamente moduladas,
detectores de estado sólido y software de
reconocimiento de señal, permiten, en los OPGD de
última generación reducir prácticamente a cero los
efectos negativos de la luz solar y de otras fuentes de
infrarrojos.
3.8. Interferencias climáticas
El vapor de agua puede afectar de diversas maneras a
un OPGD al estar presente en el camino del rayo de luz
infrarroja entre transmisor y receptor, en forma de
niebla, lluvia, etc. o incluso en la ventana del receptor o
del transmisor, en forma de condensación o de hielo.
11
En todos los casos, las consecuencias serán de falta de
señal o falsas alarmas, etc.
2.
En lo que se refiere a la condensación en las superficies
del transmisor y del receptor, los últimos modelos de
OPGD utilizan sistemas de calefacción automática de
dichas superficies para asegurar que no se consolidan
depósitos de agua o nieve.
Con respecto a la niebla y la lluvia, recientemente se ha
descubierto que en los sistemas OPGD los efectos del
agua no son uniformes. La luz puede ser difundida,
dispersada y absorbida al mismo tiempo por el agua, de
forma que no basta disponer de una fuente de luz de
gran intensidad para evitar los efectos de la niebla o la
lluvia (hasta hace poco se pensaba que una fuente
lumínica como la lámpara de descarga eliminaría los
problemas de la lluvia o niebla al permitir al detector
resistir la pérdida de señal que la absorción de estos
fenómenos atmosféricos debía representar) sino que
ésta debe complementarse con un diseño optimizado de
la configuración del receptor, en el que se utilizan
filtros especiales.
3.
anteriormente y requerir por tanto un
mantenimiento prácticamente cero.
Consultar a los fabricantes de OPGD acerca de la
ubicación e instalación de los mismos.
Formar al personal propio en la operación,
mantenimiento y diagnóstico de fallos de los
equipos.
Habiendo verificado satisfactoriamente los anteriores
puntos, actualmente está al alcance de la industria
disponer de sistemas de detección de gases de camino
abierto con un altísimo nivel de operatividad y factor
de servicio, lejos de las limitaciones que hasta hace
poco se presentaban en función de numerosos factores
externos como podían ser, en especial, las condiciones
ambientales.
3.9. Vibraciones
La combinación de fuentes constituidas por lámparas
de descarga de alta intensidad, detectores de estado
sólido y software de reconocimiento de señal,
en una construcción robusta, minimizan al máximo la
influencia de las vibraciones en los modelos de última
generación presentes en el mercado.
3.10. Operación y mantenimiento de detectores de
camino abierto.
Cada vez son menores las disponibilidades de personal
altamente cualificado para las tareas de operación y
mantenimiento de sistemas de detección de gas
complejos.
Por esto, los fabricantes de detectores de gases deben
proporcionar detectores fiables, con sistemas de
autodiagnóstico completos y frecuencias de
mantenimiento reducidas al mínimo.
Esto es especialmente aplicable en los OPGD
Consideramos tres etapas esenciales en la
implementación de un sistema de detección de gases
de camino abierto efectivo:
1. Seleccionar y especificar un detector OPGD
competente. Debe ser capaz de soportar
adecuadamente las condiciones ambientales citadas
Conferencia de la Sección Española de ISA 1999
12