Sensores de gas, ¿cómo funcionan?

Los sensores de gas son dispositivos que indican la presencia de algún gas específico, en algunos casos pueden configurarse o, en caso de tener sensores más precisos, miden la concentración de gas. Los sensores de gas son usados para prevenir la exposición a gases combustibles y gases tóxicos. Se recomienda usar estos sensores en espacios confinados y pequeños debido a que su eficiencia es mayor.

Tipos de sensores para gases

Hay varios tipos de sensores de gas que funcionan diferentemente entre sí y dependen del tipo de tecnología que empleen. Dependiendo de su modo de operación, existen dos grupos generales de sensores de gas: el primer grupo lo conforman sensores que funcionan por medio de absorción, reacciones químicas y de contacto con el gas; el segundo grupo lo conforman sensores que funcionan con base en emisiones infrarrojas o ultrasónicas. Por otro lado, los sensores -independientemente de su configuración y funcionamiento- pueden agruparse de acuerdo al tipo de gas que detectan: los sensores que detectan gases combustibles generalmente son sensores catalíticos e infrarrojos, mientras que para la detección de gases tóxicos generalmente se emplean sensores electroquímicos y de semiconductores de óxido metal (MOS -metal oxide semiconductor-)

A continuación se mencionan algunos de los diferentes tipos de sensores para gases de acuerdo a su tipo de operación:

  • Sensores semiconductores. Sensores con semiconductores de óxido metal. Funcionan con una película sensible al gas que está compuesta principalmente por cristales de oxido-metal del tipo n – normalmente es dióxido de estaño (SnO2), óxido de indio (InO3), óxido de wolframio (WO3), entre otros-. Estos sensores son muy eficientes ya que pueden operar en un rango amplio de ambientes húmedos. En estos sensores, una reacción química ocurre cuando el gas hace contacto con el sensor provocando que la resistencia eléctrica en el sensor decrezca. En los sensores que usan el dióxido de estaño, la sensibilidad para diferentes gases varía con la temperatura, por lo que hay un filamento que se calienta por medio de una corriente eléctrica.

  • Sensores infrarrojos. Estos sensores funcionan con emisores y receptores de luz infrarroja. Si un gas se encuentra en el ambiente, éste interfiere con la potencia de transmisión entre el emisor y el receptor. Esta alteración determina qué tipo de gas se encuentra presente.

El funcionamiento de estos sensores se basa en el principio de que el gas absorbe energía de la emisión a una determinada longitud de onda -normalmente en el rango de los infrarrojos- Los gases que puede detectar este tipo de sensor son aquellos que contengan más de un tipo de átomo, como dióxido de carbono (CO2) o metano (CH4) ya que absorben la radiación infrarroja. Los gases con un sólo tipo de átomo -como el oxígeno (O2) o el hidrógeno (H2)- no pueden. Cuando los gases pasan entre el emisor y el receptor, el gas absorbe parte de la radiación infrarroja y la menor intensidad de la emisión es detectada por el receptor. La concentración del gas detectado es proporcional a la cantidad de luz infrarroja absorbida.
  • Sensores ultrasónicos. Estos sensores usan emisiones ultrasónicas para detectar cambios en el ruido de fondo del ambiente en donde se encuentren, principalmente para detectar fugas en tuberías -la fuga de un gas genera un sonido ultrasónico en un rango promedio entre los 25 kHz y los 10 Mhz-
  • Sensores electroquímicos. Estos sensores tienen dos electrodos divididos por una capa de electrolitos, la cual puede ser líquida, sólida o en forma de gel. Cuando el gas entra en el sensor a través de una membrana y la tensión de polarización está aplicada a los electrodos, se presenta una reacción de reducción-oxidación que genera una corriente eléctrica directamente proporcional a la concentración de gas.

  • Sensores catalíticos. A estos sensores también suelen llamarlos pellistores -palabra formada por la combinación de las palabras en inglés pellet y resistor-. Su funcionamiento es por la oxidación del gas vía catalítica. Dado que estos son los sensores de gas más asequibles para el publico en general, se ahondará un poco más en su configuración y en su funcionamiento.

Estos sensores están compuestos por dos bobinas de platino, ambas encapsuladas en un material cerámico de alumina. Uno de estos encapsulados está cubierto de un material catalizador -normalmente de paladio- que causa y acelera la oxidación del elemento (esta parte es conocida como elemento detector) mientras que el otro encapsulado no tiene ese material para la oxidación del gas (esta parte se conoce como elemento de referencia), por lo que es inerte.

El principio de operación de este sensor consiste en la oxidación del gas en la superficie del elemento catalítico por medio de calor generado a partir de una corriente eléctrica que circula por la bobina. La corriente pasa por la espiras hasta alcanzar una temperatura entre los 450°C y los 550°C, permitiendo la oxidación del gas. Cuando este gas ha sido oxidado -esto es, que se ha quemado- provoca un incremento superior de temperatura en la bobina tratada y no en la otra, ocasionando un desajuste en el circuito mediante la variación de la resistencia eléctrica, ya que el incremento de la temperatura en el elemento detector provoca un aumento en su resistencia eléctrica mientras que en el elemento de referencia su resistencia eléctrica permanecerá sin cambios.

El desajuste ocurre en un circuito con una configuración llamada puente Wheatstone.

El puente Wheatstone es formado por ambos elementos -ver la figura- Una resistencia variable es ajustada para mantener un balance del circuito cuando el sensor se encuentre en un ambiente con aire. Cuando, además del aire hay un gas, sólo la resistencia del elemento detector se incrementa, causando un desajuste en el circuito que proporciona una diferencia de potencial.

Los sensores catalíticos son sensibles y pueden funcionar indeseablemente en presencia de gases inhibidores tales como dióxido de azufre (SO2), ácido sulfhídrico (H2S), compuestos halogenados, etc. También el catalizador puede sufrir envenenamiento si se encuentra en el aire vapores de silicón, grasas, ésteres de fosfato, ácidos, entre otros.

Los sensores contienen una malla de hilos de acero y debajo de esta malla se encuentra confinado el elemento de sensado. La importancia de esta malla radica en los siguientes aspectos:

  • Sirve como filtro al retener las partículas suspendidas que se encuentren en el ambiente, permitiendo solamente el paso de compuestos gaseosos.
  • Protege las bobinas encapsulados.
  • Es una malla anti-explosión que mantiene al sensor intacto a altas temperaturas.

Consideraciones adicionales

Uno de los aspectos esenciales para un funcionamiento adecuado del sensor es su calibración, ya que al calibrarlo puede asegurarse que el sensor detecte correctamente los gases que se encuentren en el ambiente; además, dado que pueden sufrir contaminación por su uso, puede desajustarse y no medir la cantidad de gas adecuadamente. Por otra parte, el tiempo de vida útil también depende de la cantidad de gas a la que esté expuesto.

Finalmente, todos los sensores arrojarán una diferencia de potencial, la cual variará dependiendo de la concentración del gas. Para determinar la concentración de un gas en el aire se recurre al término de partes por millón -ppm-, que básicamente consiste en determinar cuántas unidades de algo hay por cada un millón de otras unidades. Esta forma de medición es relativa, por lo que debe consultarse las unidades que estén usándose.

En los siguientes enlaces puede encontrase información de utilidad acerca de los sensores de gases. Los primeros tres enlaces son muy recomendados.

 

http://www.electronics-base.com/general-description/gas-sensors/171-electronic-gas-sensors-and-detectors-clasification-and-operating-principles
http://es.slideshare.net/gasestoxicos/emergencias-quimicas-profepa-2012
http://slideplayer.com/slide/4795529/
http://www.engineersgarage.com/insight/how-gas-sensor-workshttp://www.thomasnet.com/articles/instruments-controls/How-Gas-Detectors-Workhttp://www.figaro.co.jp/en/technicalinfo/principle/mos-type.htmlhttps://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_bead_sensorhttps://en.wikipedia.org/wiki/Pellistor
Uriel Méndez

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