Olfateando el aire: Sensores para monitoreo de calidad del aire y seguridad

Los contaminantes del aire tales como las partículas y gases nocivos son perjudiciales para la salud humana. En el caso de la industria, por otro lado, las altas concentraciones de gases como el metano o propano, o el monóxido de carbono resultantes de malos procesos de combustión, pueden presentar un riesgo inmediato para la seguridad. Para superar estos problemas, una amplia gama de grupos como los propietarios, operadores de edificios comerciales o zonas industriales, de los ayuntamientos y organismos ambientales necesitan tener acceso a equipo de monitoreo de la calidad del aire y detectar la presencia de diversos gases.

Estudios sobre contaminación atmosférica

La contaminación del aire, especialmente la contaminación por material particulado (PM), está estrechamente vinculada a los niveles de enfermedad y mortalidad según la Organización Mundial de la Salud (OMS). Las partículas pequeñas, que puede ser de 10 o 25 micras (conocidas como PM10 y PM25), constituyen la mayor amenaza para la salud. Las partículas de estos tamaños son emitidas por vehículos de carretera y otras actividades domésticas e industriales, y también proceden de fuentes naturales tales como el suelo o la arena. Los habitantes de países desarrollados y de naciones en desarrollo pueden estar expuestos a altos niveles de contaminación PM. Un informe de la Agencia Europea de Medio Ambiente publicado en 2012 constató que más del 80% de la población urbana de la UE está expuesta a niveles de PM que superan las directrices sobre calidad del aire publicadas por la OMS en 2005.

Las autoridades ciudadanas están bajo presión para mejorar la calidad del aire. Diversos programas relacionados con el transporte se han puesto en marcha para reducir los efectos de las emisiones de los vehículos en los sectores céntricos de las ciudades. Muchas ciudades han introducido un gravamen por congestión para reducir los niveles de tráfico, mientras que otros estudios y programas piloto incluyen experimentación vehículo que cuentan con celdas de combustible de hidrógeno realizados por los municipios de Birmingham y Coventry en el Reino Unido, y programas de prueba de recarga inalámbrica de vehículos eléctricos en Londres, que en última instancia tienen por objeto establecer una infraestructura viable para el uso generalizado de vehículos eléctricos. Datos precisa en cuanto a la calidad del aire proporcionan información vital que permitirá a las autoridades evaluar los resultados de dichos esfuerzos.

Monitoreo de la calidad del aire

En lo que respecta a calidad de aire interior (IAQ), dispositivos tales como los purificadores de aire han estado disponibles para su uso en los hogares y en las oficinas desde ya hace algún tiempo. Más recientemente, han entrado en el mercado sistemas de gama alta que incorporan sensores inteligentes de monitoreo de calidad del aire. El usuario accede a esta información a través de una pantalla, y también puede ser usada para ajustar el purificador para lograr una óptima eliminación de una variedad de gases, así como partículas tales como pequeños pelos, polvo y humo de tabaco.

Un sensor de polvo, el Sharp GP2Y1010 , cuantifica la presencia de partículas en el ambiente circundante utilizando un LED infrarrojo y un fototransistor. Una muestra del aire que se quiere controlar ingresa a través de una serie de orificios en el receptáculo del sensor, situado encima del LED de infrarrojos y del detector, como aparece en la Figura 1.


Al pasar las partículas a través del sensor, la respuesta del fototransistor proporciona una indicación de la concentración de partículas en la muestra. Una de las principales virtudes de este sensor es su capacidad para generar una salida proporcional a la concentración de partículas en µg/m³ Esto puede ayudar a simplificar el diseño de sistemas de control de la calidad, ya que esta expresión de concentración de partículas es ampliamente utilizada en aplicaciones para el control de calidad del aire.

El nivel de dióxido de carbono (CO₂) emitido por los ocupantes de un edificio también tiene una gran influencia sobre la calidad del aire, sobre todo en grandes locales comerciales, tales como edificios de oficinas. La detección precisa y en tiempo real de CO₂ proporciona un medio eficaz de controlar los sistemas de aire acondicionado o los sistemas de ventilación para optimizar la calidad del aire y reducir al mínimo el consumo total de energía de un edificio. Los sensores de CO₂ de Amphenol Advanced Telaire, tales como el T6613 y el T6615, permiten a los sistemas HVAC proporcionar ventilación controlada según la demanda (DCV). En un sistema DCV, los sensores detectan el aumento en los niveles de CO₂ cuando hay un gran número de ocupantes presentes. El sistema de ventilación se activa sólo cuando el nivel alcanza un umbral predeterminado, y se vuelve a apagar cuando el nivel desciende hasta un nivel aceptable. El sistema se activa con menor frecuencia a veces, cuando menos ocupantes se encuentran en el edificio, lo que ayuda a evitar el exceso de ventilación del edificio. Esto puede reducir la energía consumida por el sistema de ventilación y reducir los costos de calefacción.

Los sensores de Telaire detectan la concentración de CO₂ mediante tecnología infrarroja no dispersiva (NDIR), que aprovecha el hecho de que las moléculas de CO₂ absorbe una longitud de onda específica de la luz infrarroja. Cada sensor incorpora una fuente infrarroja, una guía de ondas patentada, filtros infrarrojos diseñados a la medida, y un detector termopila micromecanizado para medir la absorción de luz que permite calcular la concentración de CO ₂. Los sensores T6613 utilizan el algoritmo de autocalibración ABC Logic™ patentada de GE, el cual mantiene el sensor calibrado con referencia a bajos niveles de ocupación. Los sensores T6615 son dispositivos de doble canal que poseen canales de referencia y de medición separados, que les permiten mantener la calibración automáticamente durante largos períodos sin necesidad de usar el ABC Logic.

Detección de gases industriales

En el sector industrial, tienen lugar situaciones que involucran el procesamiento de productos químicos, la explotación minera, o la fabricación, escapes de gases inflamables o explosivos, tales como el propano o metano, o la presencia de otros gases potencialmente peligrosos como el monóxido de carbono, los cuales pueden constituir una amenaza para la seguridad y deben ser detectados inmediatamente.

Las directivas europeas ATEX obligan a los empleadores no sólo a aplicar las medidas de prevención contra explosiones en las zonas de trabajo donde se presente un entorno explosivo, sino también a proporcionar la protección adecuada para los trabajadores. En particular, la Directiva 1999/92/CE (relativa a las disposiciones mínimas para mejorar la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de atmósferas explosivas) señala que los trabajadores deben recibir advertencias visuales y/o acústicas de alarma y ser retirados de la zona antes de producirse condiciones de explosión.

Los equipo aptos para la detección de gases que cumplen con normativas BS EN 60079-29-1:2007 y los requisitos de rendimiento de los detectores de gases inflamables y los requisitos esenciales de seguridad (ESR) IEC/EN60079-1, pueden ser certificados de acuerdo con las normas ATEX. Se aplican además las normativas de Integridad de Seguridad (SIL) EN50402 y EN61508.

Parallax ofrece una variedad de sensores para el uso en dispositivos y sistemas diseñados para detectar gases peligrosos, que se pueden utilizar en aplicaciones industriales o domésticas. Un ejemplo de ello es el sensor de gas Parallax 605-00008, apto para detectar Gas Licuado de Petróleo (GLP), iso-butano, propano, metano, alcohol, o hidrógeno, y también se puede utilizar para detección de humo. El sensor consta de un tubo miniatura de alúmina (Al2O₃), una capa de detección de de dióxido de estaño (SnO ₃), un electrodo de medición y un calentador. El calentador mantiene la componentes de detección en su temperatura de funcionamiento correcta. Cuando está conectado a un circuito como el que aparece en la Figura 2, la resistencia del sensor varía según la concentración de gases detectados.

Cuando está correctamente calibrado, el sensor 605-00008 puede utilizarse para activar una alarma si la concentración supera un nivel predeterminado. Parallax recomienda que el detector sea calibrado para 1000 ppm de gas en el aire, o 1000 ppm de iso-butano, con una carga de resistencia (R _L) entre 5 kΩ y 47 kΩ. Para lograr un ajuste preciso, también deben tenerse en cuenta los efectos de la temperatura y la humedad. Las características de sensibilidad de gases y la dependencia de la temperatura/humedad se detallan en la hoja de datos del sensor.


Otras aplicaciones, como por ejemplo los controladores de combustión de calderas o generadores de oxígeno utilizados en la aviación, requieren detección precisa del flujo de oxígeno para asegurar el correcto funcionamiento del equipo. Un sensor de oxígeno como el Honeywell KGZ10 proporciona una larga vida útil en estos tipos de aplicaciones.

El sensor contiene dos de discos de dióxido de zirconio (ZrO ₂) con una pequeña cámara herméticamente sellada entre ambos. Uno de los discos funciona como una bomba de oxígeno reversible, que se utiliza sucesivamente para llenar y vaciar la cámara. El segundo disco mide la relación de la diferencia de presión parcial y genera una detección de voltaje correspondiente. Un elemento de calentamiento de la sonda produce los 700° C necesarios para que el ZrO₂ alcance su temperatura de funcionamiento. Al contrario que otros sensores electroquímicos, estos sensores de zirconia no requieren gas de referencia, y por lo tanto ofrecen una mayor precisión y durabilidad.

El sensor KGZ-10 es accionado mediante un circuito de medición electrónica que controla el funcionamiento del sensor y el procesamiento de señal. Los diseñadores pueden incorporar este circuito en su propio hardware, o bien utilizar un Oxymac, Elecdit, o una placa de interfaz DE800 de Honeywell. Estas placas de interfaz implementan todas las funciones necesarias para manejar y leer el sensor, incluyendo circuitos de control de la resistencia de calentamiento, y también para apoyar las pruebas de funcionamiento y calibración. La sección de procesamiento de señal de la placa genera una salida lineal de medida de contenido de oxígeno en formato de voltaje o de corriente. La placa DE800 integra una fuente de alimentación para el calentador, mientras que las placas Oxymac50 y Elecdit requieren una fuente de alimentación externa para el calentador.

Conclusión

Los sensores de gas y partículas ofrecen muchas funciones importantes en la medición de la calidad del aire para salud pública y personal, y son de vital importancia en los sistemas de seguridad industrial, como las alarmas de peligro y los controladores de procesos. Los resistentes sensores para medir la calidad del aire también son eficaces para ayudar a reducir los costos de funcionamiento y la huella medioambiental de las oficinas u otros edificios utilizados por un gran número de personas.