Cuando se trata de proteger los entornos industriales contra las fugas de refrigerante, la elección de la tecnología de detección desempeña un papel fundamental. Existe una gran variedad de tecnologías de sensores de gas listas para ser utilizadas. Cada tecnología tiene sus propias ventajas e inconvenientes, por lo que el proceso de selección es una tarea llena de matices. El viaje comienza con la identificación del refrigerante específico que debe detectarse y la determinación de a qué nivel de concentración deben activarse las alarmas de gas refrigerante, sentando las bases para una toma de decisiones informada. Sin embargo, profundizar más revela que, incluso dentro de categorías específicas de tecnología de sensores de refrigerante, existen variaciones significativas, que requieren un conocimiento profundo de las opciones y un equilibrio entre las ventajas para la aplicación y el coste de su implantación. El dinámico panorama de las tecnologías de sensores de gas necesita ser desentrañado para llegar a las complejidades de la detección moderna de refrigerantes.

Sensores semiconductores

Los sensores semiconductores, también conocidos como sensores de óxido metálico, destacan como herramientas versátiles para la detección de gases refrigerantes. Estos sensores tienen la capacidad de detectar una amplia gama de gases en concentraciones medidas en partes por millón (ppm), así como en rangos combustibles para gases inflamables. Compuesto normalmente de óxidos metálicos depositados sobre una oblea de silicio, la superficie del sensor se calienta a temperaturas que oscilan entre 149 y 426ºC (300 y 800ºF), según los gases que se detecten. La composición de los óxidos mezclados y la temperatura de funcionamiento dictan la respuesta del sensor a diversos gases tóxicos, vapores y refrigerantes.

Durante el funcionamiento normal, las moléculas de oxígeno de la atmósfera se adhieren a la superficie del sensor, creando una barrera de resistencia. Sin embargo, cuando un gas reductor entra en contacto con el sensor, como en el caso de una fuga de refrigerante, estas moléculas de oxígeno sufren una reacción redox, alterando la resistencia y aumentando la conductividad eléctrica. Este cambio en la conductividad se mide entonces y se correlaciona para determinar la concentración del gas presente.

A pesar de su versatilidad, los sensores semiconductores presentan algunos inconvenientes. Carecen de selectividad y pueden responder a cualquier gas reductor, lo que puede dar lugar a falsas alarmas. Además, pueden verse afectados por factores como el vapor de agua, la humedad elevada, las fluctuaciones de temperatura y los niveles bajos de oxígeno, lo que aumenta aún más el riesgo de falsas lecturas.

En la práctica, las falsas alarmas pueden deberse a la exposición a diversos materiales, como disolventes, productos de limpieza, emisiones de escape de vehículos e hidrógeno de estaciones de carga eléctrica (por ejemplo, de carretillas elevadoras). Para mitigar este problema, puede ser eficaz utilizar una función de retardo de la alarma. Esta función garantiza que el detector de fugas no dispare una alarma inmediatamente, sino que se active tras un periodo determinado, permitiendo que los gases transitorios se disipen y reduciendo la probabilidad de falsas alarmas.

Aunque los sensores semiconductores tienen sus limitaciones, son muy rentables y siguen siendo herramientas valiosas en las aplicaciones de detección de gases refrigerantes, incluida la detección de fugas de refrigerantes HFC y HFO. Comprender estas limitaciones y emplear estrategias de mitigación adecuadas es esencial para garantizar una detección de gases precisa y fiable en entornos industriales comerciales.

Sensores infrarrojos

En el corazón de la tecnología de sensores de infrarrojos (IR) subyace un principio fundamental: la absorción de radiación infrarroja por el gas objetivo que se va a medir. Este principio se aplica a varios gases, como los HFC, los HFO y_{el CO2}, cuyos enlaces químicos absorben energía infrarroja en longitudes de onda específicas del espectro infrarrojo. En particular, la mayoría de los refrigerantes, incluidos los HFC y los HFO, absorben la luz en torno a la longitud de onda de 9 μm, debido a los enlaces hidrógeno-flúor.

En la práctica, la medición tiene lugar cuando el aire de la ubicación de la muestra entra en un banco óptico, ya sea por difusión o por aspiración de la muestra. En esta configuración, la luz emitida por una fuente de infrarrojos atraviesa el gas del banco y se dirige hacia un elemento detector. Las paredes del detector, a menudo micropulidas y chapadas con metales preciosos, mejoran la reflectividad para garantizar el máximo paso de luz y energía, optimizando así la respuesta en el detector de infrarrojos y la resolución de la medición. La reducción de la intensidad de la fuente de luz infrarroja, atribuida a la presencia del gas objetivo, se correlaciona directamente con la concentración de gas. La electrónica interna y el software procesan estos datos para producir una señal de salida linealizada, facilitando una medición precisa.

En el caso de los HFC y los HFO, el tamaño del banco óptico, o más bien la longitud del camino por el que la luz infrarroja atraviesa el gas, surge como un factor crítico que influye en la resolución y la precisión. Las longitudes de trayectoria más largas son esenciales para conseguir una resolución y una precisión elevadas. Estas longitudes de trayectoria más largas suelen estar restringidas a los sistemas aspirados en aplicaciones de detección de refrigerantes, debido a su tamaño y a su coste relativamente elevado. Este nivel de tecnología de sensores infrarrojos, aunque superior en resolución y precisión, puede plantear problemas a la hora de desplegar varios sensores en una instalación, debido al mayor tamaño de los sensores. Las consideraciones económicas impulsan aún más el diseño del sistema hacia configuraciones centralizadas.

Los sensores de refrigerante por infrarrojos de formato más pequeño se suelen utilizar en detectores de gas basados en la difusión, ya que son más económicos y, por tanto, más fáciles de implantar en un sistema de detección distribuido. Aunque no ofrecen el mismo nivel de precisión ni el límite inferior detectable para los HFC y los HFO, proporcionan las mismas ventajas que se atribuyen generalmente a la tecnología de sensores de gas por infrarrojos.

Los sensores de refrigerante de_CO2 suelen estar disponibles en formato más pequeño, ya que la absorción es por stringer, lo que significa que es menos necesaria una mayor longitud de recorrido. Un factor clave en la detección de fugas de_CO2 es garantizar que se selecciona un sensor y un detector de gas refrigerante con un tiempo de respuesta lo suficientemente rápido, tanto para cumplir los requisitos de las normas de seguridad de refrigerantes como para garantizar la seguridad del personal expuesto a una fuga de un sistema de_CO2.

Los sensores infrarrojos gozan de inmunidad a los efectos de gases cruzados o interferencias en aplicaciones con refrigerantes, junto con buenos niveles de resolución y precisión. Los cambios de temperatura se compensan eficazmente con el software del sensor, y la especificidad de la medición se centra sólo en el refrigerante. Por tanto, no se ve afectado por el tipo de interferencias transitorias de gases cruzados que pueden afectar a los sensores semiconductores.

Un sensor de infrarrojos bien diseñado es muy estable, no se puede envenenar y no es propenso a desviarse con el tiempo. Esto reduce aún más el riesgo de falsas alarmas y garantiza una larga vida útil del sensor, que suele ser de unos 10 años. Esta larga vida útil y estabilidad pueden hacer que los sensores infrarrojos sean especialmente adecuados para aplicaciones en las que los sensores se integran directamente en aparatos como bombas de calor o vitrinas refrigeradas.

Los atributos de los sensores de refrigerante por infrarrojos los convierten en una opción excelente para aplicaciones de detección de fugas de HFC y HFO en las que la medición precisa es primordial o en las que las condiciones ambientales y los gases interferentes plantean posibles retos. Aunque tiene un precio más elevado, la tecnología de detección por infrarrojos ofrece un rendimiento superior al conseguir niveles mínimos detectables más bajos que los sensores semiconductores cuando se aplica a los HFC y los HFO, lo que refuerza aún más su atractivo en los escenarios de detección de gases en los que la detección a un nivel más bajo resulta beneficiosa. Para el_CO2, un detector de gas refrigerante con sensor de infrarrojos es la única opción realista, por lo que la elección del detector es importante en cuanto a su idoneidad para la aplicación y el entorno en el que se instalará.

Tecnologías de sensores emergentes

En los últimos años han empezado a surgir nuevas tecnologías de sensores para la detección de refrigerantes. En su mayor parte, se limitan a aplicaciones de detección en el rango de inflamabilidad, dando salida en porcentaje del Límite Inferior de Inflamabilidad (%LFL) en lugar de en niveles inferiores de ppm.

La tecnología de medición acústica funciona de forma equiparable a los sensores de infrarrojos, sólo que en este caso no hay absorción de una fuente de luz, sino reducción de la velocidad de una onda sonora al atravesar la cámara de medición. La velocidad a la que la onda sonora recorre la distancia del emisor al detector se equipara a la concentración de gas. Aunque se afirma una reducción del efecto de los factores ambientales en comparación con las tecnologías de detección de refrigerantes más tradicionales, la gama de gases detectables parece ser menor, actualmente no se dispone de medición del nivel de partes por millón para los refrigerantes, y los datos parecen limitados para hacer una comparación significativa con la selectividad de la detección por infrarrojos. No obstante, es un avance interesante en las opciones de detección de gases refrigerantes.

Los sensores de gas Molecular Property Spectrometer™ han aparecido en aplicaciones de detección de gases refrigerantes, de nuevo dirigidas y limitadas a la medición de %LFL de refrigerantes inflamables (y otros gases inflamables). El fabricante de una sola fuente afirma que la vida útil del sensor es muy larga, que es inmune al envenenamiento y que no produce falsas alarmas, por lo que las ventajas de la detección de gases refrigerantes no parecen ser distintas de las de los sensores de refrigerantes por infrarrojos, aunque para una gama de aplicaciones más limitada. Parece que se dispone de pocos datos sobre el principio de medición, lo que dificulta una comparación tecnológica en relación con las necesidades de las aplicaciones de detección de fugas de refrigerante.

Sensores electroquímicos para la detección de fugas de _NH3

Los sensores semiconductores y los sensores de microesferas catalíticas, o del tipo utilizado habitualmente para la detección de gases inflamables, pueden utilizarse para detectar altas concentraciones de amoníaco que se aproximen a su LFL de 15%/vol.

También es necesaria la detección a bajo nivel debido a los efectos tóxicos del amoníaco a bajas concentraciones.

Las normas y reglamentos varían según el país, pero los niveles típicos son los que se indican a continuación.

Concentración de NH3 en el aire	Efectos
25 ppm	Límite de exposición a largo plazo – 8 horas TWA
35-50ppm	Límite de exposición a corto plazo – 15 minutos, algunas molestias físicas
70-300ppm	Irritación grave de nariz, garganta y vías respiratorias, riesgo de acumulación de líquido en los pulmones
300 ppm	Límite IDLH (Peligro Inmediato para la Vida y la Salud)
5.000 ppm	Parada respiratoria rápida
15-28%	Inflamable, explosivo

La detección de niveles inferiores se consigue utilizando sensores electroquímicos, que pueden adaptarse específicamente a distintos rangos de medición.

En el principio de funcionamiento de una célula electroquímica para _NH3, el gas se difunde a través de una membrana permeable al gas hasta un electrodo donde se reduce o se oxida. En términos básicos, el sensor consta de un electrodo sensor/de trabajo, un contraelectrodo, un electrodo de referencia y un electrolito.

Una reacción redox en los electrodos sensor y contraelectrodo produce una señal eléctrica proporcional a la concentración de gas amoníaco.

2 _NH3 → _N2 + 6 ^H+ + 6 ^e-

_O2 + 4 ^H+ + 4 e- ^→ 2 _H2O

Para mejorar la estabilidad, un electrodo de referencia mantiene un voltaje constante en el electrodo sensor para compensar la degradación del electrolito debida a la reacción en la superficie del electrodo, lo que prolonga la vida útil del sensor. No obstante, la vida útil típica de la mayoría de los sensores electroquímicos para _NH3 es de unos dos años. Sin embargo, en la actualidad hay en el mercado algunos detectores de gases refrigerantes con sensores de _NH3 probados en la práctica con una vida útil superior a cinco años.

En general, el uso de sensores de amoníaco presenta algunos inconvenientes que conviene tener en cuenta para garantizar que las rutinas de mantenimiento y las prácticas de instalación adecuadas proporcionen un sistema de detección de refrigerante eficaz. Es vital tener en cuenta la limitada vida útil, y no se puede obviar el hecho de que los sensores electroquímicos tienen un coste relativamente elevado. Lo ideal es que el sensor, y no todo el detector de gas, pueda sustituirse sobre el terreno. Los sensores también pueden envenenarse por contaminantes o incluso por sobreexposición a niveles muy altos de amoníaco, y pueden verse afectados por niveles muy altos o muy bajos de humedad.

Esto se compensa con los aspectos positivos de la detección de _NH3 con sensores electroquímicos. Hay un alto grado de selectividad, y no es probable que se produzcan falsas alarmas. La precisión es muy buena, y se pueden detectar niveles de amoníaco adecuadamente bajos de forma fiable y eficaz.

Seleccionar el sensor adecuado

La elección del detector de gas refrigerante y de la tecnología de sensores de refrigerante utilizada es, por naturaleza, una decisión subjetiva, que depende tanto de los requisitos de la aplicación como de las preferencias del usuario. Lo que es seguro es que hay opciones disponibles.

Es probable que los proveedores especializados en detección de gases refrigerantes dispongan de una gama de tipos de sensores para satisfacer las diversas necesidades de sus clientes. La mayoría de las veces, no existe un enfoque único para la detección de gases, por lo que es aconsejable hablar con un experto para que te ayude a tomar la decisión más adecuada para cada usuario o cada proyecto.

Sobre el autor

Tom Burniston es Director de Marketing de SAMON y Jefe de Gestión de Productos del Grupo de Vigilancia Segura. Tiene 20 años de experiencia en detección de gases, trabajando en disciplinas como marketing, ventas técnicas internacionales, gestión de canales y productos y planificación estratégica. Con experiencia en sectores como la refrigeración, el petróleo y el gas, los vertederos y el biogás, Tom tiene experiencia en el desarrollo de nuevos productos y mercados, el posicionamiento de productos y la adaptación de los productos a las normas y mejores prácticas del sector. Sus viajes más recientes le han llevado a EE.UU., España, Italia y Alemania, donde presenta información sobre refrigeración en importantes conferencias y ferias comerciales. Tom es licenciado por la Universidad de Leicester y reside en el Reino Unido.