Deteccion De Gases Libro

SUMARIO PARTE I TECNOLOGIAS EN SENSORES QUIMICOS

Equipos de detección de gases Métodos de obtención de muestras Riesgos para la salud Propiedades del sensor Diseños de sensores de gas Conclusión

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PARTE II LA CABEZA DEL DETECTOR DE GAS

Diseños de instalación Transmisión de datos Instalación de la cabeza del detector Mantenimiento y reparación de averías

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PARTE III DISEÑO Y EMPLEO DE EQUIPOS DE DETECCION DE GASES

El hardware El software Monitor portátil para compuestos orgánicos volátiles Especificación de equipos de monitoreo y detección de gases Monitoreo automatizado de gases y vapores combustibles en el aire de escape Monitoreo fijo y automatizado en la fabricación de semiconductores

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PARTE I

TECNOLOGIAS EN SENSORES QUIMICOS Los sensores químicos constituyen la piedra fundamental en todo programa de detección de gases. En este artículo analizaremos los equipos más comunes, al igual que los principios y características de funcionamiento de ocho tipos de sensores que se encuentran entre los mas usados. Edward M. Zdankiewicz, Keithley Instruments, Inc.

Esta foto con sensores de gas incluye dispositivos fundados en principios de semiconductores térmicos, electrólisis potencial controlada, una celda galvánica y conductividad térmica catalítica. Su función principal consiste en la detección de productos químicos tóxicos en su fase gaseosa que representan un riesgo para la salud y la vida del ser humano. Su selección depende de la composición y concentración química del gas, y de los motivos del usuario para detectar dicho gas. 1

Los sensores químicos constituyen una parte fundamental en los equipos de detección y control que se emplean en numerosas plantas de procesamiento, con el fin de alertar al personal sobre la presencia de emisiones químicas de gases, ya sea por fugas o perdidas no intencionales. Las señales de advertencia que emiten estos equipos protegen al personal y al resto de los equipos contra tres riesgos primarios: • Intoxicación con gases tóxicos • Sofocación por el desplazamiento de gases inertes en el aire que se respira • Incendios o explosiones originados por gases combustibles Puesto que cada gas tiene propiedades químicas y físicas únicas, se requieren diversos tipos de tecnologías en sensores para, de este modo, poder detectar la amplia variedad de gases que comúnmente se utilizan en plantas de procesamiento y producción industrial (Ver Figura 1).

Equipos de detección de gases Los equipos de detección de gases consisten en: •

Sensores de gas diseñados sobre la base de uno o más tipos de tecnología • Cabezas de detectores que incorporan sensores de gas y hardware para el acondicionamiento de muestras que, a su vez, incluyen bombas de extracción • Un sistema de control y monitoreo central con software de interfaz "hombre-maquina" • En algunas aplicaciones, una interfaz conectada a otros dispositivos y sistemas de seguridad en la planta

Los sensores, que por lo general se instalan en los detectores, son indispensables en todo sistema de detección de gases. Desde el punto de vista práctico, estos sensores funcionan como transductores que transforman presiones parciales de gas (concentraciones de gas) 2

en sus correspondientes señales eléctricas. La cabeza del detector acondiciona la muestra de gas que será luego medida por el sensor. Entre sus funciones típicas se encuentran: la extracción de la muestra, el secado o refrigerado de la misma, el filtrado de partículas de polvo de arrastre o gases de interferencia, y, de ser necesario, conversiones químicas de la muestra en productos derivados para facilitar así su medición. El sistema de control central une puntos múltiples de monitoreo a través de una red de comunicaciones. Allí, o en una computadora base, se encuentra el software "hombre-maquina", que se encarga de proporcionar datos sobre las características y el estado del equipo. En su exterior, los sistemas y dispositivos de seguridad a veces conectados al equipo de detección de gases pueden incluir válvulas de cierre aisladas, ventiladores de emergencia, bocinas de advertencia, luces intermitentes de alarma, y comunicación automática con equipos de emergencias fuera de la planta como, por ejemplo, la brigada de bomberos local. Ante una fuga o cualquier otro tipo de pérdida inesperada, el gas se dispersa alejándose del lugar donde se originó dicha perdida (ver Figura 2). Por lo general, el punto 0 representa la fuente de fuga, con sensores de gas instalados en los puntos A, B y C. El eje de ordenadas Y muestra la concentración de gas en porcentaje de volumen. Las curvas ilustran la distribución del gas como una función de distancia horizontal respecto de la fuente de fuga y el tiempo transcurrido desde que comenzó la pérdida.

Figura 1. La mayoría de los sensores de gas que se emplean en la actualidad se fundan en estos cuatro principios básicos. 3

Para el momento en que un sensor en el punto A (es decir, tiempo t >t1) detecta una concentración peligrosa de gas, ésta ya excedió el nivel en la zona comprendida entre los puntos 0 y A. Si el sensor en el punto A es más sensible y da, por ejemplo, una advertencia de un nivel de peligro 1/10 , la concentración entre 0 y A será menor en la misma proporción. Esto indica que las pérdidas pueden detectarse con mayor rapidez si se utilizan detectores más sensibles en una distribución más densa.

Métodos de obtención de muestras La manera en que se extrae la muestra afecta también al tiempo de respuesta del sensor. La muestra se puede obtener de dos maneras: por una difusión simple o por medio de una extracción activa de la muestra de gas en la cabeza del detector.

Figura 2. Tal como lo ilustra esta representación gráfica del comportamiento de una concentración de gas, al instalar varios detectores sensibles próximos a una fuente de fuga potencial, se reducen las situaciones de riesgo.

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Difusión simple: se refiere a la migración descendente de las moléculas del gas hasta formar una concentración gradiente (las moléculas del gas descienden y forman una concentración vertical). El movimiento del aire puede aumentar la velocidad de la difusión por convección natural. La muestra se dispersa a través del sensor ubicado en el interior del detector, y produce una señal proporcional a la concentración de gas. Los métodos de difusión requieren que los detectores se coloquen muy próximos al punto de medición, dado que los procesos de dispersión tienden a ser lentos. Una ventaja de este método es que introduce la muestra de gas directamente en el sensor sin necesidad de producir cambios químicos ni físicos. Extracción: Estos tipos de detectores se emplean comúnmente para obtener muestras de gabinetes de equipos y conductos de escape. Esta técnica proporciona una velocidad constante y controlada del flujo de gas a través del sensor y se recomienda para muestras mas consistentes donde existen velocidades de flujo y corrientes de aire variables. Las muestras de aire extraídas del punto de medición al detector pueden recorrer varios centímetros o metros, según el programa de detección. Cuanto mayor sea la longitud del conducto de muestreo, mayores serán también los tiempos de retardo en la medición; estos son una función de la longitud del conducto de muestreo y la velocidad del flujo de gas, desde la fuente de fuga hasta el sensor. En el caso de determinados gases y vapores, como ser el tetrahidruro de silicio (SiH4) y los solventes mas orgánicos, las muestras de gases y vapores podrían degradarse por su adsorción o condensación en las paredes de los tubos de muestreo. En dicho caso, el detector y su sensor deben detector concentraciones superiores a los niveles especificados y emitir una señal de advertencia. Es mas, las concentraciones inferiores al nivel especificado no deben dar una falsa alarma. Las falsas alarmas son muy costosas cuando cierran una línea de producción y, por otra parte, cuando son insistentes, tienden con el tiempo a ser ignoradas por el personal para quien precisamente se diseñó el sistema de seguridad. 5

Riesgos para la salud El diseño de los sensores deberá tener en cuenta los diversos grados de riesgos a los que se expone el personal ante escapes de gases. Concentraciones de gases tóxicos: Este tipo de concentraciones deberá controlarse de modo tal que no exceda los niveles establecidos por los organismos de salud y seguridad laboral (ver Figura 3). El grado de toxicidad se determina en términos de consecuencias fisiológicos en el ser humano y, comúnmente, se clasifica en tres niveles de concentración. El valor umbral límite (que se representa con las iniciales inglesas TVL) de un gas tóxico consiste en un promedio ponderado de 8 horas, expresado en partes de millón o miles de millón, por estar en contacto con el gas más de 8 horas diarias o 40 horas semanales de trabajo. Se sostiene que el contacto con concentraciones por debajo del nivel umbral limite (TLV) no acarrea consecuencias adversas para la salud.

Figura 3. Las entidades que se encargan de la seguridad laboral, comúnmente, definen las concentraciones de gas y vapor permitidas en seis valores diferentes. No obstante, los valores exactos para cada parámetro varían de gas en gas, según su composición química. 6

En concentraciones de gases mas altas, el límite de contacto mínimo (en ingles, STEL) se define como la concentración permitida a la que se puede exponer un ser humano no más de 15 minutos. Pero, en concentraciones de gases superiores al valor umbral límite (TLV) y al límite de contacto mínimo (STEL), muchos gases tóxicos ponen inmediatamente en peligro la salud y la vida del personal. Este último límite de peligro inmediato contra la vida y la salud (conocido por las siglas inglesas IDLH) define la concentración de gas más alta en la que se estima que una persona puede sobrevivir 30 minutos antes de sucumbir a un paro respiratorio. Las concentraciones en este nivel no se consideran seguras. Sofocación por gases inertes: este tipo de riesgo se produce por el desplazamiento del oxígeno ambiental que se respira causado por otro gas. El aire ambiental contiene 20,9% de oxígeno por volumen; cuando dicha concentración cae por debajo de 19,5 %, se considera peligrosa; por debajo de 18%, es mortal. Un gas combustible: es el que se quema, un gas explosivo que produce una liberación rápida de energía química manifestándose como un aumento de la temperatura o la presión, o ambas a la vez. Las condiciones que favorecen la combustión o explosión varían según la composición del gas. Pueden ocurrir cuando la concentración de gas en el aire excede el limite de explosión inferior (en inglés, LEL). Las normas de seguridad por lo general definen al gas combustible como aquel que tiene un limite de explosión inferior (LEL) - al mezclarse con el aire - con ≤10 %, o un 20 % de diferencia mínima entre el limite de explosión inferior y el límite de explosión superior (en inglés, UEL). Por encima del límite de explosión superior, la sustancia deja de ser explosiva. Cuando el gas comienza a disiparse y su concentración cae dentro del rango de explosión, se corre el riesgo de una explosión si la situación se no maneja como es debido. Muchas sustancias pueden ser tóxicas y explosivas a la vez, según la concentración. Para evitar una situación de riesgo, los sensores químicos deben cumplir con los siguiente requisitos:

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Controlar los gases tóxicos. La concentración máxima permitida debe poder detectarse infaliblemente, por lo general en 1/2 TLV (valor umbral límite), 1 TLV o 3 TLV de gas o vapor determinado. Controlar los gases combustibles v explosivos. Las fracciones del LEL (límite de explosión inferior), de hasta por lo general el 50%, deben detectarse infaliblemente para poder advertir la presencia de una concentración más baja.

Propiedades del sensor Estabilidad: La estabilidad se refiere a la respuesta básica del sensor en el tiempo. Por lo general, se caracteriza por el corrimiento del cero y del alcance. El corrimiento del cero es el cambio en la respuesta del sensor en el tiempo respecto de las condiciones del nivel de referencia cuando no hay gases para medir. Lo ideal es que un sensor tuviese un corrimiento del cero inferior a 10% por año durante un uso continuo. El corrimiento del alcance es el cambio en la respuesta del sensor ante contactos continuos con el gas sensado, se caracteriza comúnmente por el modo en el que la salida del sensor se reduce en el tiempo. El corrimiento del alcance debe ser inferior a 10% por año de uso continuo. Sensibilidad. La sensibilidad depende de la tecnología empleada en la construcción del sensor. La mayoría de los sensores se construyen sobre la base de uno de los cuatro principios de detección indicados en la Figura 1: fisioquímicos, electroquímicos, físicos u ópticos. (Más adelante se analizarán algunos de los diversos diseños de sensores fundados en estos principios.) La primera consideración es seleccionar una tecnología lo suficientemente sensible que detecte la fracción apropiada de los niveles TLV (valor umbral límite) o LEL (límite de explosión inferior) del gas sensado. Selectividad, también Ilamada sensibilidad cruzada: La selectividad puede determinarse midiendo la concentración de un gas de referencia que cree una respuesta equivalente a la obtenida con una concentración dada del gas sensado. Esta característica es importante en procesos industriales donde intervienen gases múltiples, puesto que 8

Figura 4. Estos cuatro principios básicos de detección han dado lugar a una amplia variedad de tecnologías en sensores de gas.

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la posibilidad de repetir la medición y la confiabilidad de los resultados se ven reducidas por la sensibilidad cruzada. Resistencia a la toxicidad. Esta propiedad se refiere a la capacidad del sensor de recuperarse después de haberse expuesto a niveles altos de toxicidad. En caso de perdidas de gran magnitud, los detectores deben ser capaces de soportar entre 10 y 20 veces la concentración de gas esperada y volver a operar normalmente con un impacto mínimo en el corrimiento del sensor o del cero. Las consideraciones económicas también son importantes, aun en el caso de los sensores que se ajustan a los criterios mencionados anteriormente: • Bajo costo • Larga vida útil • Fácil calibración y mantenimiento • No requieren equipos periféricos complicados • Las señales eléctricas de salida no necesitan ser procesadas mediante circuitos complicados

Diseños de sensores de gas Se ha desarrollado una amplia variedad de tecnologías y configuraciones para sensores, partiendo siempre de los cuatro principios básicos de detección descriptos anteriormente (ver Figura 4). Algunas de las configuraciones mas frecuentes son las que a continuación se detallan. Electrólisis de potencial controlado. Un sensor de electrólisis de potencial controlado (ver Figura 5) mide concentraciones de gas mediante la detección de la corriente eléctrica que se genera cuando el gas es electrolizado en una determinada potencia. El sensor consiste en tres electrodos (uno activo, otro de referencia y un indicador) en contacto con un electrolito líquido, todos sellados en una caja plástica químicamente resistente y a prueba de golpes. Una membrana permeable (para el gas) colocada en forma adyacente al electrodo activo permite que el gas se disperse dentro de la celda del sensor.

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El electrodo activo está hecho de materiales seleccionados por su óptima sensibilidad al gas que se desea sensar mientras reduce la sensibilidad cruzada. El voltaje entre el electrodo activo y el indicador está preestablecido y se mantiene a través de un circuito potenciostático externo que utiliza el electrodo de referencia para el control con

Figura 5. El sensor de electrólisis de potencial controlado puede detectar 1 ppm de CO, es altamente específico para gases tóxicos, y ofrece linealidad superior en concentraciones bajas, lo que lo convierte en un instrumento ideal para la detección de gases. 11

realimentación. Luego, la respuesta del sensor se optimiza explotando el hecho de que cada gas tiene un único voltaje de electrólisis que puede calibrarse para lograr una selectividad óptima. La salida del sensor es una variación de voltaje lineal proporcional a la concentración de gas. Por ejemplo, un sensor de monóxido de carbono (CO) fundado en este principio de detección tendrá las siguientes reacciones electrolíticas en los dos electrodos: Reacción típica de electrólisis de potencial constante:

Al medir la corriente eléctrica generada - en este caso, dos electrones por cada molécula de CO electrolizada, podrá medirse la concentración de CO. Los sensores pequeños y livianos de extrema sensibilidad pueden fabricarse sobre la base de este principio de detección. Por ejemplo, el CO puede detectarse en un concentración de 1 ppm, mientras que el hexahidruro dibórico (B2H6) puede detectarse en una concentración de hasta 100 ppb. Una lista parcial de gases tóxicos medidos por este tipo de sensor incluye: cloruro de hidrógeno, cianuro de hidrógeno, arsina, cloro, fluoruro de nitrógeno y fosfina. Celda galvánica: Un sensor de celda galvánica (ver Fig. 6) consiste en un dispositivo de dos electrodos que contiene un electrolito absorbente. Es pasivo y no requiere voltaje ni corriente polarizada. La presencia de oxígeno genera una reacción electroquímica entre los electrodos, similar al funcionamiento de una pila (de combustión) de hidrogenooxigeno. La corriente eléctrica resultante es proporcional a la concentración de oxígeno. Las celdas galvánicas están diseñadas específicamente para detectar concentraciones de oxígeno sin sensibilidad cruzada con respecto a otros gases, y se utilizan principalmente para controlar la deficiencia de oxígeno. Las reacciones electroquímicas para la detección de oxígeno son la siguientes: 12

Figura 6. La presencia de oxigeno en un sensor de celda galvánica origina una corriente reactiva en el elemento de batería, que consiste en electrodos PtPb, un diafragma permeable y una solución electrolítica. La salida es proporcional a la concentración de 02, y lineal hasta el 40% del volumen. 13

Reacción de la celda galvánica Electrodo de metal noble: Electrodo de metal base:

Figura 7. El sensor de combustión catalítico detecta el aumento de temperatura (cambio de resistencia) de la bobina de platino debido a la oxidación de la muestra de gas en la superficie de un catalizador. Las características de este tipo de sensor incluyen inmunidad a la temperatura y humedad ambiente, salida lineal, amplio alcance dinámico y repetibilidad.

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Sensores catalíticos: Cuando un gas combustible entry en contacto con un sensor catalítico (ver Fig. 7), se oxida, aún en concentraciones por debajo del nivel LEL (nivel de explosión inferior). La oxidación se ve favorecida por el baño catalítico con que se trata la superficie de captación y debido también a que el sensor opera a una temperatura elevada, por lo general entre 300 y 500°C. El calor liberado por la oxidación se capta como un aumento de temperatura con el correspondiente cambio de resistencia en un hilo interno de platino. La concentración de gas se determina colocando el elemento sensor en un circuito en puente para así medir la diferencia en potencia entre el elemento sensor y un elemento de compensación térmica. Este tipo de sensor se fabrica por lo general con una bobina de platino revestida con polvo de alúmina y se sinteriza hasta formar una cápsula sensora. El elemento de compensación térmica es otra cápsula de alúmina instalada en una conexión lateral del circuito en puente. Se mantiene a la misma temperatura que el elemento sensor, pero entra en contacto con el gas, de este modo proporciona un método de compensación térmica para los cambios que se registren en la temperatura ambiente. La salida de los sensores catalíticos es lineal y proporcional a la concentración de gas combustible y puede medirse hasta el 100 % del nivel de explosión inferior (LEL). Requieren niveles de oxígeno ambiente superiores al 10% para resistir a la reacción sensora de la combustión. Pueden detectar una amplia variedad de gases o vapores combustibles en el aire como ser: metano, LPG, acetileno e hidrógeno. Sin embargo, sólo pueden medir la presencia general de un gas combustible o mezcla de gases, pero no puede discriminar entre sus componentes químicos individuales. No obstante, los detectores cubren las necesidades de la mayoría de las aplicaciones de control de gases combustibles, que se emplean para detectar la presencia de mezcla de gases peligrosos. Los sensores catalíticos tienen un tiempo de respuesta rápido, excelente repetibilidad, y alta precisión, y prácticamente no los afecta las variaciones de temperatura y humedad. Puesto que este tipo de sensores se recalientan a altas concentraciones, con el consiguiente deterioro del catalizador, no se deben utilizar para detectar niveles de gas por encima del nivel de explosión inferior (LEL). Los dispositivos

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pueden contaminarse con gases de cloruro, silicón o sulfuro, que irreversiblemente se adherirán a la superficie de la cápsula de alúmina. Conductividad térmica. El sensor de conductividad térmica (ver Fig. 8) mide el cambio de resistencia causado por un descenso de temperatura en un hilo de platino caliente después de que este entra en contacto con el gas. El descenso de la temperatura se debe al enfriamiento por convección forzada del hilo de platino y, a su vez, es una función de la conductividad térmica del gas, la propiedad física única que tienen los gases o vapores (ver Tabla 1). La bobina de platino se encastra en una cápsula de alúmina sinterizada y pasivada con una película de vidrio de sílice. El cambio Tabla 1. Conductividad térmica de gases seleccionados -4 -1 1 -1 Conductividad térmica x 10 cal x cm seg x grado

* El numero entre paréntesis es la conductividad térmica relativa al aire. CRC Handbook of Chemestry and Physics, D.R. Lide et al., 77th Ed.:

Standard Handbook for Mechanical Engineers. T. Baumeister et al. 7th De.. MacGraw Hill Book Co., 1967: Keithley Instruments. Inc.. Chemical Measurements Group.

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de temperatura en el elemento sensor y su resistencia se comparan con un segundo elemento de referencia térmicamente compensado que se sella en una cavidad Ilena con un gas estándar como, por ejemplo, nitrógeno seco. El cambio de resistencia puede medirse

Figura 8. El sensor de conductividad térmica detecta la variación de temperatura en la bobina de platino recalentada, causada por la transferencia de calor a la muestra de gas. Los gases se identifican por su conductividad térmica única, una propiedad física del gas. 17

como una diferencia en la salida del voltaje de un circuito en puente que

contiene el elemento sensor y el de referencia. Cada sensor de conductividad térmica se calibra para un gas específico, dándole una sensibilidad cruzada baja. Como la conductividad térmica de un gas o vapor es una propiedad física - más que química- única, no surgen problemas por deterioro o contaminación de algún catalizador; por lo tanto, el sensor se mantiene estable durante un tiempo prolongado, comúnmente, hasta tres años. Asimismo. la medición se puede Ilevar a cabo sin necesidad del oxígeno requerido en un sensor catalítico de combustión. Los sensores de conductividad térmica pueden determinar concentraciones químicas de hasta el 100% y tienen una salida casi lineal. Se aplican para la mayoría de los gases que se incluyen en la Tabla 1, al igual que para los hidrocarburos combustibles adicionales. Pero no pueden medirse gases con conductividades similares a los del aire (es decir, con valores entre 0,7 y 1,2) porque el aire o N2 se utiliza comúnmente como gas en el elemento de referencia. Sensor de semiconductor de hilo caliente. Este tipo de sensor (ver Fig. 9) mide los cambios de la conductividad eléctrica originada por la absorción del gas en la superficie de un óxido semiconductor. El sensor está compuesto por una bobina de platino revestida con óxido semiconductor - como los óxidos de estaño, indio o estroncio -, que luego se sinteriza para formar una cápsula sensora. El óxido se selecciona según su capacidad selectiva para el gas o los gases que van a medirse. Por ejemplo, el óxido de estaño es un óxido semiconductor muy usado y tiene una amplia capacidad selectiva. El agregado de óxidos de cobre puede ajustar la selectividad para el sulfuro de hidrógeno. La bobina de platino funciona como termorregulador por lo que mantiene el sensor a un temperatura fija, generalmente entre 300 y 450°C, y, además, actúa como resistor para detectar la presencia de gases. La bobina de platino y el recubrimiento de óxido metálico funcionan juntos como si fuesen una red de resistores paralelos. Cuando se calienta el elemento sensor y se aplica una corriente polarizada a la bobina de platino, las moléculas de oxígeno del aire ambiente son

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absorbidas por la superficie de la cápsula sensora. El oxígeno absorbido elimina los electrones de la superficie de óxido metálico y crea hasta tres especies de iones de oxígeno, determinados por la temperatura

Figura 9. El sensor semiconductor de hilo caliente detecta el cambio de resistencia a través del hilo de platino, causado por una variación en la conductividad eléctrica y térmica. La respuesta se obtiene por el gas absorbido en la superficie de la cápsula del semiconductor. Este tipo de sensor tiene alta especificidad para gases, incluyendo al H2, metano y etanol.

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del sensor: iones de oxígeno moleculares (0 ), y dos especies diferentes -1 -2, de iones de oxígeno atómico (0 y 0 respectivamente). La eliminación de electrones de la superficie de óxido metálico crea una zona empobrecida de electrones, lo que reduce la conductividad de la cápsula sensora, es decir, aumenta la resistencia. Cuando el gas actúa como agente reductor (por ejemplo, el monóxido de carbono), reaccionara con los iones de oxígeno para reinyectar nuevamente los electrones eliminados del óxido metálico; esto genera una disminución en la resistencia. Pero si el gas de medición es un agente oxidante (como ser, el óxido de nitrógeno), se desplazará mayor cantidad de electrones de la superficie de óxido metálico, dando como resultado un aumento en la resistencia. El cambio en la resistencia del recubrimiento semiconductor también afecta la resistencia de la red combinada. Estos cambios pueden medirse como una diferencia en voltaje en términos de la salida de un circuito en puente y puede correlacionarse calibrándolo con una concentración de gas equivalente. Es posible hacer que el sensor sea selectivo para gases específicos mediante el control de impurezas en el semiconductor y el use de diversos tratamientos para la superficie. Esto se logra mediante la fabricación de cápsulas sensoras utilizando diversos óxidos metálicos en varias combinaciones, o dopadas con catalizadores, como ser de platino o paladio. Las aplicaciones más comunes incluyen LPG, metano, hidrógeno, monóxido de carbono, vapor de alcohol, Freón 502 y 22, gases semiconductores (AsH3, PH3, SiH4, B2H6, GeH4, etc.), y otros gases combustibles. En algunos diseños, se colocan filtros de membranas directamente en la cápsula sensora para optimizar la selectividad. Todos estos diseños proporcionan salidas altas en concentraciones bajas de gas, tienen un período de estabilización breve y una vida útil con excelente estabilidad. Los sensores semiconductores de hilo caliente resisten mucho más la contaminación que los sensores catalíticos de combustión; además, consumen menos energía (por lo general, decenas de voltios, contra los voltios que consume un sensor catalítico). Otros sensores semiconductores. Existen otros diseños de sensores semiconductores que operan sobre la base del mismo principio de

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absorción del gas en la superficie de un material óxido semiconductor. En lugar de tener un solo hilo de platino que actua como termorregulador y elemento sensor, se incorporan dos hilos más en la cápsula sensora. Estos dos hilos desacoplan las funciones térmica y sensora del dispositivo, permitiendo así obtener circuitos separados para el control individual. En otros diseños, la cápsula de óxido metálico sinterizada y el hilo de platino se reemplazan por una película delgada de óxido metálico que se deposita en el substrato de silicio con electrodos metálicos sensores distribuidos debajo de la película de óxido metálico (ver Figuras 10 y 11). En todos estos diseños, la conductividad del material se modifica y afecta el flujo de corriente en un circuito externo. Aunque los detalles varían, la mayoría incorpora un elemento térmico con el fin de regular la temperatura del elemento sensor para un gas especifico. Las características de la salida son similares a ]as del sensor de semiconductor térmico. Segun el diseno, estos sensores pueden calibrarse para hidrogeno, gases (hidrocarburos) combustibles comunes, CO, Cl2, sulfuro de hidrogeno (H2S), solventes industriales, o etileno. Este principio de diseño puede generar salidas eléctricas extremadamente grandes en concentraciones bajas de gas. Como los sensores trabajan a temperaturas relativamente altas, sus superficies son autolimpiantes y, por consiguiente, tienen una buena repetibilidad, estabilidad a largo plazo, una vida útil prolongada y son resistentes a la contaminación. Resulta imposible analizar todos los diseños de sensores de gas que se utilizan en la actualidad, pero hay dos tipos más que ameritan ser mencionados. Sensores de radiación infrarroja. En estos sensores, la luz infrarroja pasa a través de la muestra de gas en una celda de medición y a través de una celda de comparación contigua que contiene un gas de referencia (ver Figura 12). En ambas celdas, la radiación infrarroja es selectivamente absorbida por el gas interviniente. La luz infrarroja que no es absorbida se mide con fotodetectores que crean una señal diferencial proporcional a la concentración del gas que se desea medir. Una clase especial de sensores de radiación infrarroja, en los que toda

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la luz que no es absorbida se mide con pérdidas mínimas de absorción difusa, se conoce como detector IR no dispersivo (y corresponde a las siglas inglesas NDIR).

Figura 10. Este sensor semiconductor detecta la variación en la conductividad eléctrica originada por un gas adsorbido en la superficie de un óxido semiconductor. Es de alta sensibilidad, proporciona una extensa señal de salida en concentraciones bajas, y tiene una estabilidad de larga duración. 22

Figura 11. El sensor semiconductor de película delgada detecta la variación de conductividad eléctrica debido a un gas adsorbido en un semiconductor de película delgada. Es más sensible que el sensor semiconductor estándar y es selectivo a gases, entre los que se incluyen Cl,, H2S y el óxido de etileno. 23

Las longitudes de onda infrarrojas específicas absorbidas varían según el gas, por lo que el sensor puede ajustarse para cualquier gas capaz de absorber radiación infrarroja. Por lo general, se calibran para detectar CO, CO2, gases refrigerantes y algunos gases combustibles. Pueden calibrarse con precisión para moléculas de hidrocarburo e ignorar aquellos gases combustibles que no sean de hidrocarburos como el hidrógeno, que no absorbe energía en la porción infrarroja del espectro electromagnético. Por lo tanto, tienen sensibilidad cruzada mínima y son impermeables a la contaminación por otros gases o por concentraciones altas del gas que se desea medir. No obstante, los componentes ópticos deben mantenerse limpios y en óptimas condiciones. Detectores con cinta de papel. Los instrumentos con cinta de papel utilizan tiras de papel impregnadas con productos químicos para detectar gases tóxicos (ver Fig. 13). Al entrar en contacto con el gas de la muestra, se observa un cambio de color en el papel mediante una combinación lámpara/fotodetector a través de la cinta, que convierte

Figura 12. Los sensores de radiación infrarroja emplean comúnmente dos haces de luz infrarroja para medir un gas. El primer haz pasa a través de la muestra de gas a medida que este fluye a través de una celda de medición, mientras el segundo pasa por una celda de comparación que contiene un gas de referencia. La atenuación progresiva de la luz infrarroja al pasar a través de la muestra de gas es proporcional a la concentración de dicho gas. 24

la luz transmitida en un valor de concentración. Estos sensores son ideales para detectar gases tóxicos no reactivos en bajos niveles de concentración y, de hecho, detectarán una variedad mas amplia de estos gases que muchos otros dispositivos electrónicos. Sin embargo, no pueden usarse para la mayoría de gases combustibles ni tampoco se regeneran, puesto que el papel consumido, exige un reemplazo continuo. Debido a que los instrumentos con cinta de papel son relativamente costosos,' se los instala por lo general en ubicaciones centrales y conectados a los puntos de medición mediante extensos trayectos de tubos de muestreo y, por consiguiente, acarrean los mismos inconvenientes que toda conexión extensa de tubos para extraer muestras, especialmente cuando se extraen muestras de gases reactivos o vapores condensables.

Figura 13. Los detectores con cinta de papel constituyen otra forma de sensores químicos basados en el principio óptico. Se mide ópticamente el cambio de color en una cinta móvil mediante un fotodetector y es proporcional a la concentración de gas. La cinta de papel responde de un modo similar al papel de tornasol convencional y no puede volverse a usar. Por tal motivo, la cinta sensora se coloca en un cassette renovable similar a la cinta de un video. 25

Conclusión Los sensores químicos constituyen una parte esencial en cualquier equipo de detección de gases. Durante las últimas cinco décadas se ha desarrollado una amplia variedad de tecnologías en sensores químicos con el fin de satisfacer ]as necesidades del monitoreo industrial. Se necesitan diversas tecnologías para obtener mediciones confiables de la gran variedad de gases y vapores, según su composición química, grado de concentración y los requisitos que exija cada aplicación en particular. Puesto que una única tecnología no basta para cumplir con Las exigencias de cada aplicación, la necesidad de obtener mediciones químicos confiables Ilevó al perfeccionamiento en materia de sensores, como ser geometría de electrodos sensores, recubrimientos catalíticos, y filtros químicos selectivos. Esta optimización brinda mayor selectividad con la mínima sensibilidad cruzada y tiempos de respuesta más breves. El beneficio para el usuario es la posibilidad de contar con sistemas de detección de gases que proporcionen medidas confiables sin falsas alarmas.

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PARTE II LA CABEZA DEL DETECTOR DE GAS Para que un sistema de detección de gas funcione correctamente, es necesario seleccionar una adecuada cabeza de detección, instalarla y mantenerla como es debido. Edward M. Zdankiewicz Keithley Instruments, Inc. En la primera parte de este Cuaderno Profesional nos hemos ocupado de los principios y características de funcionamiento de los sensores químicos más usados. La tabla y la numeración de las figuras son continuación de esa primera parte. Es imposible que una única tecnología en sensores detecte todo tipo y concentración de gases (ver Tabla 2). No obstante, cada dispositivo si puede, de manera razonable, responder rápidamente y proporcionar un rendimiento confiable en términos de estabilidad, sensibilidad y selectividad para un gas - o clases de gas - específico, y resistencia a la sobrecarga (contaminación).

Diseños de instalación Un equipo de detección de gas integrado consiste comúnmente en detectores fijos, un sistema de control y monitoreo central (con software de interfaz "hombre-máquina"), y con conexión con otros sistemas y dispositivos de seguridad en la planta. Como observamos anteriormente, la cabeza del detector incorpora el sensor y el hardware de muestreo como ser, filtros, unidades pirolíticas, y bombas de extracción (ver Figura 14). Además de las instalaciones fijas, los instrumentos de detección de gas portátiles son muy usados. El sensor puede formar parte del equipo portátil o conectarse en forma adicional. Debido a determina-

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Tabla 2. Concentraciones permitidas para gases y vapores tóxicos presentes en procesos industriales

Figura 14. La pirólisis puede emplearse corriente arriba del sensor para oxidar la muestra de gas y facilitar su detección. Se pueden incluir filtros de diversos tipos para proteger el sensor, diversos tipos de selectividad para bloquear los gases de interferencia, y un filtro interno para proteger la bomba y el medidor de flujo.

dos códigos de seguridad, los instrumentos portátiles se utilizan con mayor frecuencia como suplementos de instalaciones fijas. Las aplicaciones más comunes incluyen:

• Detectar de fuentes de fuga en equipos de mantenimiento y emergencias

• Detectar perdidas durante el cambio de un tubo de gas y verificar los tubos nuevos

• Alertar a los operarios desprotegidos sobre la presencia de gases

tóxicos o deficiencia de oxígeno en espacios reducidos donde una instalación fija no resulta práctica • Verificar el cumplimiento del Método 21 EPA para emisiones de compuestos orgánicos volátiles En una instalación fija, la distribución de los equipos depende en gran medida del modo en que se Ilevan las muestras de gas a la cabeza del detector y por la manera en que se trasmiten las señales de salida al sistema de control y monitoreo (ver Figura 15). Los tres diseños de instalación fija más comunes son:

• Distribución de detectores que se comunican electrónicamente con

controles individuales a través de un cableado punto a punto: comúnmente usados para equipos pequeños y únicos • Distribución de detectores que se comunican a través de una red de comunicación electrónica de datos con controladores de sistema, comúnmente usados en sistemas integrales y completos ("Ilave en mano") • Centralización de detectores que extraen muestras de aire de las zonas monitoreadas a lo largo de toda la planta hasta una ubicación de control y detección común, este diseño incorpora por lo general instrumentos con cinta de papel que scanean secuencialmente las muestras de gas presentes en los conductos de muestreo múltiples. Los sistemas punto a punto, con detectores locales y conductos de muestreo cortos, emplean sensores especiales para gases especificós para monitorear los puntos de detección. Las principales ventajas

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de este diseño son el monitoreo confiable y una menor cantidad de ciclos de mantenimiento/calibración por año. El diseño de una red electrónica distribuida puede reducir los costos de instalación en forma significativa, puesto que disminuye el número

Figura 15. Los equipos de detección de gases en instalaciones fijas están generalmente configurados con sensores distribuidos que utilizan cableado de punto a punto (A); la distribución mediante un esquema de red digital (B); o un sensor centralizado que se comunica en forma múltiple y mecánica con los puntos de monitoreos mediante conductos extensos (C). 31

de cables que salen de los puntos de medición al controlador. La comunicación con puntos de monitoreo no necesita de cableado especial punto a punto y, además, los detectores adicionales pueden conectarse directamente a la red en el punto de medición. En un sistema centralizado, cada instrumento de detección extrae muestras de gas de los conductos de muestreo múltiples mediante el uso de un sensor común, un controlador y una bomba. Como por lo general estos instrumentos tienen una capacidad máxima de entre 16 y 20 canales, el gran numero de válvulas y conexiones tiende a aumentar los requisitos de mantenimiento. Además, los canales se monitorean en serie, y esto aumenta el tiempo del ciclo de medición.

Transmisión de datos La señal de salida de la cabeza del detector debe trasmitirse a un punto de monitoreo apropiado, para que de este modo se activa una alarma en la planta y en una estación de control central. Esto es sumamente importante cuando un gas tóxico no presenta olor característico que lo identifique ni tampoco provoque una respuesta fisiológica como ser lagrimeo o tos. Por más que un gas, como el sulfuro de hidrogeno, este lo suficientemente concentrado para producir un olor desagradable, el sentido del olfato se ajustara rápidamente a ese nivel de contacto. Para el caso del monitoreo centralizado, un serie de preguntas clave define los requisitos de la interfaz de comunicacion:

• ¿Se trata de un equipo único? • ¿Requiere una interfaz para los PLCs de la planta? • ¿Necesitará contactos de relé para activar las válvulas de las alarmas? • ¿Deberá trasmitir valores analógicos a los PLCs? • ¿Necesitara una conexión a la red de transmisión de datos existente? Las conexiones de transmisión del detector resultan mas sencillas de diseñar e instalar cuando las salidas del detector se hacen estándar

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para una amplia variedad de interfaces. Como ejemplo, las señales 1-6 VDC 6 4-20 mA son convenientes para una variada gama de interfaces. Las salidas de contacto de la alarma también se utilizan con anunciadores. Para facilitar la integración de los equipos de detección de gas con otros sistemas de seguridad en la planta, procure encontrar un vendedor que le suministre todo el hardware y software en un sistema de "llave en mano" totalmente integrado. Se recomienda tener controladores de más con un sistema en red, en caso de que se caiga el sistema principal de transición de datos. La confiabilidad aumenta también si se utiliza una red de comunicaciones en lazo; si surge algún desperfecto en el lazo, el controlador puede dirigir el tráfico de datos en cualquiera de las dos direcciones para Ilegar a todos los detectores. Aunque, por otra parte, el diseño en redes simplifica la integración, modificación y expansión del sistema, mediante el use de un protocolo e interfaz común de transmisión de datos. Este diseño acepta también una amplia variedad de software de supervisión de monitoreo y control. Asimismo, el sistema en red es también la forma mas eficaz de aumentar la confiabilidad de los equipos, puesto que reduce la complejidad en el sistema de cableado en la distribución de los detectores.

Instalación de la cabeza del detector Los detectores de gas son instrumentos de precisión; por lo tanto, se debe tener cuidado durante la instalación de los tipos de difusión y extracción de muestras, ya sea en instalaciones fijas o portátiles, debido a su sensibilidad frente a factores ambientales, ubicación física y métodos de montaje. Sólo técnicos capacitados pueden desarmar las cabezas de los detectores, cambiar sensores y realizar todo tipo de tareas de mantenimiento. Las precauciones generales durante la instalación incluyen:

• Instalar la cabeza del detector donde haya vibración mínima, y no someter el equipo a golpes o vibraciones durante la instalación.

• Seleccionar ubicaciones libres de fluctuaciones rápidas de tempe-

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ratura, temperaturas extremas (> 40°C), humedad excesiva, productos químicos corrosivos, ruido electromagnético, e interferencia radioeléctrica.

• Evitar colocar el extremo de los conductos de muestreo en un lugar

donde podría filtrarse agua, como ser cerca de las aberturas de tiraje de vapor. En el caso de ubicaciones en la intemperie (por ejemplo, el almacenamiento de tubos de gas), construya un gabinete a prueba de agua. • No instalar un detector en una zona con una atmósfera potencialmente explosiva a menos que el equipo este diseñado a prueba de explosiones o posea un servicio de seguridad intrínseca. • Ubicar los detectores de modo tal que resulte fácil el acceso para su mantenimiento. • Evitar situaciones donde el sensor quede expuesto a concentraciones de gas o vapor durante un período prolongado. Algunos sensores son más sensibles que otros a la contaminación (sobrecarga) y el tiempo de recuperación varía según el equipo. Las características mecánicas y estructurales como ser, paredes, divisiones, canales, lechos de cables, o incluso las piezas grandes del equipo, pueden afectar el modo en que se desplaza o acumula el gas. En primer lugar, determine la gravedad específica del gas que va a medir; luego utilice las pautas de la Tabla 3 para ubicar correctamente, ya sea el extremo de la entrada de la línea de muestreo del detector (detectores de extracción) o el elemento sensor expuesto (detectores de difusión). Las cabezas de detectores equipadas con bombas de extracción se utilizan comúnmente para muestras mas consistentes donde varía la circulación de aire o la velocidad del flujo. Esta configuración es, por lo tanto, una buena opción para espacios reducidos o conductos de Tabla 3. Puntos de obtención de muestras o diversas gravedades __________________________________ especificas (Sg)

escape, puesto que sólo debe introducirse el extremo de la entrada del conducto de muestreo. Los instrumentos electrónicos pueden entonces ubicarse fuera de la zona de riesgo de una barrera, esto facilita su use en aplicaciones con gases combustibles. (Más adelante, daremos mayor información sobre el cableado en aplicaciones de gases combustibles.) Las muestras de gas se dirigen comúnmente dentro del detector a través de una cañería de teflón con diámetro interno de 6 mm (1/4") o 4 mm (5/32"). Se aconseja limitar la longitud de la cañería hasta 20 metros. En cambio, en el caso de gases reactivos, como el fluoruro de hidrógeno, flúor, cloro y cloruro de hidrógeno, el caño tiene que ser lo más corto posible (<5 m) para limitar así la absorción del gas en las paredes de la cañería. Como ocurre con cualquier bomba, las bombas de extracción de muestras de la cabeza del detector tienen limitaciones en cuanto a la presión permitida en los punto de salida y extracción. La presión en el punto de extracción estará limitada hasta 4" H2O diferencial entre el punto de extracción y la presión atmosférica. Cuando el acceso de salida está conectado a un conducto de escape, la contrapresión del conducto no debe exceder 4" H2O absoluto en el acceso de salida. Un buen cableado significa cumplir con los códigos de electricidad apropiados y con las recomendaciones del fabricante del detector. Estos requisitos incluyen un tamaño de cable adecuado (para minimizar la caída de voltaje en los recorridos extensos), aislación (por lo general se utiliza cable impelente reglamentario), y terminales aislantes para cables. El alambre blindado o los pares retorcidos ayudan a eliminar el ruido eléctrico, pero estos cables no deben conectarse cerca de las líneas de alimentación eléctrica, transformadores o motores. Aquellos detectores que controlen gases combustibles o explosivos pueden requerir cableado a prueba de llama o conductos metálicos rígidos. Si la cabeza del detector está diseñada para servicios de seguridad intrínseca, deberá instalarse una barrera de diodo Zener en el circuito cableado en los puntos donde el cableado de la sala de control entra en zonas de riesgo (ver Figura 16).

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Mantenimiento y reparación de averías En la mayoría de los detectores son pocas las piezas o componentes que requieren un mantenimiento de rutina para garantizar una operación confiable. Los más comunes se detallan en la Tabla 4. En cuanto a la calibración, algunos detectores utilizan módulos con sensores enchufables; de este modo se evita la necesidad de calibrarlos en la planta, simplemente, se cambia el sensor por uno nuevo y el viejo se envía a la fábrica para su posterior calibración. Después de cada calibración o reemplazo de alguna pieza, se debe realizar una prueba de alarma y verificar el corrimiento del cero y del alcance. Algunos detectores y algunos tipos de sensores emplean materiales de duración limitada que cuando se agotan, deben reponerse. Por ejemplo, los instrumentos que utilizan cintas de papel; o los sensores de semiconductores o electroquímicos que consumen una porción de su elemento sensor (electrodos o electrolitos) y necesitan reemplazarse cada 2 ó 10 años, según el tipo. La mayoría de los equipos de detección de gas, ya sea sensores portátiles o fijos, cuentan con dispositivos de diagnóstico, los mas importantes incluyen:

Figura 16. Puede utilizarse una barrera Zener para aislar con seguridad intrínseca la cabeza del detector de los sistemas de alarma y control en aquellas aplicaciones donde la atmósfera es potencialmente combustible.

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• • • • •

Estado del sensor, como cortes o interrupciones del suministro eléctrico Velocidad de flujo de la bomba de extracción Señales de salida más allá del rango normal Pruebas de salida de alarma Salidas de diagnóstico digital con conexión a un sistema de control

El diagnóstico del sistema de monitoreo y control en instalaciones fijas es sumamente importante, puesto que afecta la confiabilidad de todo el equipo. Los sistemas de diagnóstico pobres y rudimentarios puede aumentar el tiempo de interrupción del servicio y los costos de mantenimiento cuando surgen problemas. Por lo tanto, el diagnóstico Tabla 4. inspección y mantenimiento de rutina de las cabezas de detector

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Alarma o indicador de diagnóstico del sensor

Pese a que el equipo portátil tiene baterías nuevas, la lectura del indicador muestra poca carga

El equipo portátil no se enciende o indica algún problema en el suministro eléctrico

Problema

Se detecta gas en la atmósfera Corrimiento del cero del sensor Defectos del sensor de gas Falla en el circuito

Defectos del sensor de gas Falla en el circuito

Error en la polaridad de la batería Corrimiento del ajuste del indicador de batería Falla en el circuito

Contactos pobres en la batería Error en la polaridad de la batería Bajo voltaje en la batería Corrosión en el contacto de la placa terminal de la batería Falla en el circuito

Causa posible

Cambiar el sensor Cambiar el tablero del circuito

Ajustar del cero en aire limpio Calibrar el cero Cambiar el sensor Cambiar el tablero del circuito

Cambiar el sensor Cambiar el tablero del circuito

Verificar la polaridad y recargar las baterías Hacer ajustes en el indicador de baja batería Cambiar el tablero del circuito

Reinstalar las baterías Verificar la polaridad de las baterías e instalarlas nuevamente Cambiar las baterías Cambiar la placa terminal de la batería Cambiar el tablero del circuito

Corrección

Tabla 5. Detección de averías y procedimientos de reparación (Parte 1)

Imposibilidad de ajustar el indicador de la cabeza del detector para la lectura del cero mediante el control ZERO ADJUST (ajuste de cero)

Defectos del sensor Falla en el circuito

Cambiar la bomba Cambiar el tablero del circuito

Ajuste del alcance (SPAN) insuficiente o nulo durante la calibración

Falla en la bomba Falla en el circuito

La bomba no funciona en condiciones normales de entrada de energía

El medidor no vuelve a cero después del ajuste mientras estaba apagado o en otro rango

Las luces de la alarma no se encienden durante las pruebas

Problema

Fallas en el sonido del equipo Fallas en el circuito

Electricidad estática en la caja del medidor Corrimiento del cero Defectos del medidor

Electricidad estática en la caja del medidor Corrimiento mecánico del cero Defectos del medidor

Lámpara de alarma fallada Falla en el circuito

Causa posible

Cambiar el equipo de sonido Cambiar el tablero del circuito

Frotar la caja del medidor con un paño húmedo y limpio Hacer ajustes mecánicos del cero Cambiar el medidor

Frotar la caja del medidor con un paño húmedo y limpio Hacer ajustes mecánicos del cero Cambiar el medidor

Cambiar de Iámpara Cambiar el tablero del circuito

Corrección

Tabla 5. Detección de averías y procedimientos de reparación (Parte 2)

En situaciones de alarma, la alarma no suena o el sonido es muy bajo

Frotar la caja del medidor con un paño húmedo y limpio Cambiar el medidor Cambiar la bomba Cambiar el sensor de gas Cambiar el tablero de la PC principal

La lectura del medidor está por encima del cero mientras el detector está apagado

Lecturas inestables en el indicador de la cabeza del detector

Electricidad estática en la caja del medidor Defectos del medidor Defectos de la bomba Defectos del sensor Falla en el circuito

Problema

Defectos del medidor Fallas en el circuito

Causa posible

Cambiar el medidor Cambiar el tablero del circuito

Corrección

Tabla 5. Detección de averías y procedimientos de reparación (Parte 3)

Mientras el detector está encendido, el medidor no da ninguna indicación, pero la bomba funciona con normalidad

Cambiar la pieza del filtro Eliminar la obstrucción o reemplazar la sonda Conectar nuevamente los componentes del equipo de muestreo Cambiar la manguera de muestreo Cambiar la pieza dañada

Cambiar la bomba

Cambiar el sensor de gas Cambiar el tablero del circuito

Ajustar el voltaje

Voltaje incorrecto en el suministro eléctrico Defecto del sensor de gas Fallas en el circuito

Cambiar la bomba

Ajustar las conexiones

Conexiones flojas en la entrada de gas, el filtro o el colector de humedad Fallas en la bomba

Demora o lentitud en la respuesta del Obstrucción en una pieza del filtro medidor del detector, o baja velocidad Obstrucción en la sonda de muestreo de flujo en la bomba (el interruptor de Perdida de aire en los conductor de flujo envía señales de alarma) muestreo Rotura de la manguera de muestreo Perdida de aire debido a un daño en un componente del equipo de muestreo Defectos de la bomba

La velocidad del flujo en la bomba es normal pero el tiempo de respuesta es lento

Poca extracción en la bomba o en la entrada del filtro después de limpiar o cambiar el filtro o el colector de humedad

debe ser continuo y automático y debe controlar todos los componentes del equipo. Además del control de la cabeza del detector, el sistema de diagnóstico debe hacer un seguimiento de las transmisiones del controlador y dirigir a los operarios y al personal de mantenimiento hacia aquellos componentes que requieran atención. Por lo general, los sistemas de diagnóstico forman parte del software del equipo, al que nos referiremos más adelante. La Tabla 5 muestra algunos problemas con sus posibles causas y soluciones.

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PARTE III

DISEÑO Y EMPLEO DE EQUIPOS DE DETECCION DE GASES Este Cuaderno Profesional concluye con un análisis del hardware y el software de los equipos, y el monitoreo automatizado de gases tóxicos en plantas de fabricación de semiconductores y en el aire de escapes. Edward M. Zdankiewicz, Keithley Instruments, Inc. La primera y segunda parte de este articulo examinaban las diversas tecnologías sobre sensores químicos que se emplean en la actualidad, al igual que la selección, instalación y mantenimiento de la cabeza del sensor.

El hardware Además de la detección de gases, el hardware del equipo desempeña funciones que incluyen control, monitoreo y comunicación de datos. Los diseños del hardware varían desde equipos portátiles de un solo instrumento hasta instalaciones fijas que incorporan una combinación de PLCs, computadoras, anunciadores, y una computadora base con dispositivos con interfaz que ayudan a integrar el equipo. Este articulo no pretende hacer un análisis exhaustivo sobre los diseños de hardware; sin embargo, hará hincapié en que en situaciones criticas se les deberá asignar hardware adicional como, por ejemplo, una computadora base, un controlador PLC, un monitor de estación maestro, un subsistema de comunicación de datos y, en algunos casos, cabezas de detectores con su correspondiente cableado. Siempre se debe contar con una provisión adecuada de piezas de repuesto.

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No desestime la importancia de la flexibilidad y capacidad de expansión del hardware. A medida que cambian los procesos, los equipos de detección deben adaptarse eficazmente para monitorear nuevos gases o herramientas. La facilidad de expansión para cumplir con requisitos futuros puede tener efectos significativos en el costo de la vida útil del equipo. Los equipos con detectores distribuidos ofrecen la ventaja de que los ingenieros de la planta puedan configurar los sistemas para los requisitos existentes mientras conservan la adaptabilidad para necesidades de los cambios. La instalación inicial puede incluir prácticamente cualquier tipo de configuración de puntos de monitoreo para gases de proceso y tienen la capacidad de expandirse sin tener que comprar un equipo completo. En muchas plantas, los equipos de detección de gases deben estar integrados a otros dispositivos y sistemas de seguridad. Tanto las características del hardware como las del software deben contribuir a facilitar las tareas de seguridad. Más adelante se detallan otros aspectos del diseño.

El software Muchas funciones del hardware se apoyan en el software, que también aporta los servicios de setup e informes del sistema. Para garantizar una operación confiable y eficaz, el software del equipo debe contar con:

• • • • • • • • •

Un interfaz hombre-maquina estándar (IHM) La capacidad de configurar el IHM para un diseño de planta específico Monitores (para concentraciones de gas) con estado en tiempo real Monitores para anunciadores Notificación de alarma con base en el controlador (alarma visual y auditiva) Registro de alarma Tendencia histórica de las concentraciones de gas Diagnósticos en tiempo real Generación de informes, incluyendo los resúmenes de cada turno

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Las pantallas (A), (B) y (C) ilustran algunos de los monitores y funciones mas comunes que se requieren en la mayoría de los equipos de detección gases. La información de estado de alarma incluye comúnmente una impresión de la hora y la fecha, la descripción de la situación, el tipo de gas, la ubicación la cabeza del detector, la concentración de gas, valor de referencia y estado de alarma (reconocido y no reconocido).

Un sistema de monitoreo de gases diseñado para una planta de procesamiento incluye, por lo general, un piano de la planta (ver pantalla A), una tabla con los registros de la alarma (B), y un diagrama con la tendencia histórica (pantalla C).

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Monitor portátil para compuestos orgánicos volátiles La Secretaria de Protección Ambiental de EE.UU. ordena el monitoreo de fuentes potenciales de emisiones de compuestos volátiles orgánicos (conocidos con la sigla inglesa VOC). En los equipos empleados en procesos químicos esto cubre una amplia variedad de componentes. Los puntos de posibles fugas de gases o vapores incluyen: válvulas, bombas, uniones con bridas y otras conexiones, compresores, dispositivos de seguridad de presión, drenajes, sellos, ventiladores, y sellos de la puerta de acceso a los reactores del proceso. Las técnicas de monitoreo cumplen con los requisitos establecidos por el Método 21 de EPA, que establece que toda fuga que se detecte en un proceso que exceda 10.000 ppm (1% vol.) de un compuesto orgánico volátil (COV) debe registrarse e informarse. Asimismo, estipula que deberá Ilevarse a cabo un programa de mantenimiento preventivo permanente para mantener en buen estado los equipos y sus correspondientes sellos. Mientras que el Método 21 no especifica los tipos de detectores, estos deben cumplir con ciertos requisitos y criterios de funcionamiento, tales como: • • •

La capacidad de medir un nivel de concentración de 10.000 ppm Escala de instrumentos con precisión de lectura de hasta ± 5% Un instrumento equipado con bomba de extracción (no se recomiendan las cabezas de detectores de difusión) • Bomba de extracción con capacidad de proporcionar una muestra continua al sensor con una velocidad de flujo nominal desde 0,5 Ipm hasta 3 Ipm • Condiciones de funcionamiento del instrumento de seguridad intrínseca para operar en atmósferas explosivas tal como lo define el Código Nacional de Electricidad (National Electrical Code) y la Asociación Nacional de Prevención de Incendios (National Fire Prevention Association) Las tecnologías en sensores que cumplen con los requisitos esta45

Especificación de equipos de monitoreo y detección de gases Entre los elementos esenciales en el diseño de los equipos de monitoreo de gases se encuentran:

• Número de puntos de detección • Lista de gases para ser medidos • Tecnología en sensores para ser usada en cada tipo de gas • Tipo de cabeza de detector para cada ubicación de monitoreo • Plataforma del equipo: hardware y software • Equipo/componente adicional • Anuncio de alarma externa/ remota • Interfaz con otros equipos de seguridad de la planta Al especificar estos elementos, la confiabilidad prima por sobre todos los objetivos: se deben detectar los gases infaliblemente en las concentraciones especificadas sin dar falsas alarmas. La clave radica en tener sensores con un alto grado de sensibilidad, selectividad y estabilidad; un tiempo de respuesta rápido; resistencia a la contaminación/intoxicación en concentraciones altas; e inmunidad a las interferencias electromotrices y radioeléctricas. Entre los demás objetivos de diseño se encuentran:

• Capacidad para medir una amplia gama de gases y vapores químicos • Flexibilidad para expandirse fácilmente o modificar el equipo para nuevos gases (es decir, detectores distribuidos en red)

• Diagnósticos de la cabeza de detector y equipo incorporado • Software que permita una fácil configuración del sistema y generación de informes

• Integración con otros sistemas de seguridad en planta • Experiencia y apoyo por parte del vendedor • Costo general de la propiedad, incluyendo instalaciones, cablea do, mantenimiento, confiabilidad y curva de aprendizaje.

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blecidos por la EPA incluyen, no taxativamente, sensores catalíticos, analizadores portátiles con iotización de llama, absorción infrarroja y técnicas de medición por fotoionización. Los instrumentos de detección portátiles son dispositivos económicos para la detección de fugas potenciales. En la industria de procesamientos químicos, por ejemplo, un técnico recorre la planta, yendo de un punto a otro, registrando las mediciones de fugas. Una refinería típica puede tener hasta 10.000 puntos de medición, de modo tal que una inspección Ileva generalmente varias semanas para completarse. Según los compuestos químicos que intervengan y la condición de los equipos, es necesario que las inspecciones se realicen cada 3, 6, 9 ó 12 meses.

Monitoreo automatizado de gases y vapores combustibles en el aire de escape Los compuestos orgánicos volátiles implican un riesgo de explosión o combustión, a veces, en concentraciones inferiores a las establecidas por el Método 21 de la EPA. Un buen ejemplo de esto es el proceso de curado en la pintura de un automóvil. En la industria automotriz, las carrocerías de acero y paneles accesorios deben tratarse con pintura de imprimación y terminación para protegerlas de la corrosión. Estas operaciones se Ilevan a cabo por un proceso de revestimiento automatizado en donde las piezas se pueden rociar o revestir, a menudo con pinturas a base de solventes. Después de la pintura, las piezas se transfieren inmediatamente a un horno de secado de zonas múltiples. Durante el proceso de secado de la pintura, los solventes orgánicos utilizados como portadores de pigmentos se eliminan con calor. El sistema de escape y ventilación integral del horno elimina estos vapores, pero puede sin embargo acumular concentraciones explosivas en los conductos de salida, especialmente, si falla un ventilador. Por consiguiente, los detectores de gases se utilizan para monitorear conductos de escape y advertir cuando una concentración de gas alcanza niveles altos.

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La practica generalizada consiste en instalar cabezas de detectores fijos con bombas de extracción que obtengan muestras de los conductos de salida en cámaras de hornos y chimeneas. Como solo nos interesa la presencia de concentraciones peligrosas de vapores explosivos, comúnmente se emplean los sensores catalíticos. Es importante que los detectores puedan medir y monitorear la concentración de gases explosivos que se acercan al Limite de Explosión Inferior(LEL) y tengan valores de referencia de alarmas al 50% de LEL para los compuestos químicos que se miden. Por ejemplo, el revestimiento de pintura podría necesitar detectar gases para solventes industriales tales como la metiletilcetona, tolueno o metanol, portadores comunes de pigmentación. En este caso, los valores de referencia de alarma típicos al 50% del LEL son:

• Metiletilcetona: 1% vol. • Tolueno: 0,6 % vol. • Metanol: 3,3 % vol. Si estos tres solventes aparecieran juntos en un conducto de escape, el valor de referencia de alarma del 50% del LEL se ajustara para la concentración mas baja de los tres. Esto se debe a que el sensor catalítico no puede distinguir entre los componentes individuales de gases en una mezcla. Por lo tanto, un enfoque conservador establece que se mida como objetivo el gas más peligroso, en este caso, el tolueno.

Monitoreo fijo y automatizado en la fabricación de semiconductores En la fabricación de semiconductores intervienen gases y solventes, donde la mayoría son muy tóxicos o combustibles y, por lo tanto, requieren un monitoreo continuo por razones de seguridad. Generalmente, esto se logra mediante una instalación fija de cabezas de detectores conectados a una estación de monitoreo central. Un ejemplo típico es un prepurificador (prescrubber) que oxida térmicamente los compuestos químicos tóxicos de un proceso de metalización, creando productos derivados de combustión benigna que luego

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se eliminan en una torre de purificación húmeda antes de que los residuos del proceso se venteen en la atmósfera. Las estrategias en el monitoreo de gases para este tipo de aplicación requieren comúnmente una cabeza de detector fija para cada gas o familia de gases que desean medirse. Las cabezas de detectores con bombas de extracción se seleccionan frecuentemente debido a su .facilidad para montarse en gabinetes o paneles próximos al purificador. Sólo los tubos de muestreo necesitan dirigirse hacia el purificador para obtener muestras en la zonas de conexiones de entrada de gas. Esta es una importante medida de prevención porque las conexiones de entrada pueden aflojarse con el tiempo debido a las vibraciones de las bombas o compresores adyacentes a menudo presentes en salas de maquinas equipadas con purificadores. El amoniaco, el flúor, el hidrogeno y el tetrahidruro de silicio se emplean generalmente juntos en la fabricación de discos de silicio y circuitos integrados. Las alarmas del detector de gas se fijan en los valores limite promedio del tiempo medido para cada gas, y los valores de referencia para estos gases serian:

• Amoníaco: 25 ppm para el monitoreo del personal y 8% vol. (50% LEL)

para la seguridad del personal y de la planta ante posibles explosiones, si la corriente del proceso del amoniaco presenta una concentración mayor • Flúor: 1 ppm para el monitoreo del personal • Hidrógeno: 0,4 % vol. (50% LEL) para la seguridad del personal y de la planta ante posibles explosiones cuando el caudal de hidrógeno en el proceso presenta una concentración alta • Tetrahidruro de silicio: 5ppm para el monitoreo del personal, y 0,5% vol. (50% LEL) para la seguridad del personal y de la planta ante posibles explosiones por caudales en el proceso con concentraciones más altas Es importante reconocer que pese a existir un enfoque generalizado respecto de la selección y localización de los detectores de gas, cada aplicación requiere una instalación personalizada. Ese es el motivo por el que las plantas de mayor envergadura confían a menudo en la

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experiencia de los proveedores de sistemas de monitoreo de gases para el diseño e instalación de sistemas "llave en mano".

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