Quando se trata de proteger ambientes industriais contra fugas de refrigerante, a escolha da tecnologia de deteção desempenha um papel fundamental. Um conjunto diversificado de tecnologias de sensores de gás está pronto para ser utilizado. Cada tecnologia possui seus próprios pontos fortes e desvantagens, tornando o processo de seleção uma tarefa cheia de nuances. A jornada começa com a identificação do refrigerante específico a ser detectado e a determinação do nível de concentração em que os alarmes de gás refrigerante precisam ser ativados, estabelecendo a base para uma tomada de decisão informada. No entanto, uma análise mais aprofundada revela que, mesmo dentro de categorias específicas de tecnologia de sensores de refrigerante, existe uma variação significativa, exigindo uma compreensão completa das opções e do equilíbrio entre os benefícios para a aplicação e o custo de implementação. O cenário dinâmico das tecnologias de sensores de gás precisa de ser desvendado para se chegar às complexidades da moderna deteção de refrigerantes.

Sensores de semicondutores

Os sensores de semicondutores, também conhecidos como sensores de óxido metálico, destacam-se como ferramentas versáteis para a deteção de gás refrigerante. Esses sensores têm a capacidade de detetar uma ampla gama de gases em concentrações medidas em partes por milhão (ppm), bem como em faixas combustíveis para gases inflamáveis. Tipicamente composto de óxidos metálicos depositados numa pastilha de silício, a superfície do sensor é aquecida a temperaturas que variam de 300 a 800ºF (149 a 426ºC), dependendo dos gases visados. A composição da mistura de óxidos e a temperatura operacional ditam a resposta do sensor a vários gases tóxicos, vapores e refrigerantes.

Durante o funcionamento normal, as moléculas de oxigénio da atmosfera aderem à superfície do sensor, criando uma barreira de resistência. No entanto, quando um gás redutor entra em contacto com o sensor, como no caso de uma fuga de refrigerante, estas moléculas de oxigénio sofrem uma reação redox, alterando a resistência e aumentando a condutividade eléctrica. Esta alteração na condutividade é então medida e correlacionada para determinar a concentração do gás presente.

Apesar da sua versatilidade, os sensores de semicondutores apresentam alguns inconvenientes. Falta-lhes seletividade e podem responder a qualquer gás redutor, levando a potenciais falsos alarmes. Além disso, podem ser afectados por factores como o vapor de água, humidade elevada, flutuações de temperatura e baixos níveis de oxigénio, aumentando ainda mais o risco de falsas leituras.

Em termos práticos, os falsos alarmes podem resultar da exposição a vários materiais, incluindo solventes, produtos de limpeza, emissões de escape de veículos e hidrogénio de estações de carregamento elétrico (por exemplo, de empilhadores). Para atenuar este problema, a utilização de uma função de atraso de alarme pode ser eficaz. Esta função assegura que o detetor de fugas não dispara um alarme imediatamente, mas que, em vez disso, é ativado após um período definido, permitindo que os gases transitórios se dissipem e reduzindo a probabilidade de falsos alarmes.

Embora os sensores semicondutores tenham suas limitações, eles são altamente econômicos e continuam sendo ferramentas valiosas em aplicações de deteção de gás refrigerante, incluindo a deteção de vazamento de refrigerante HFC e HFO. Compreender essas limitações e empregar estratégias de mitigação adequadas é essencial para garantir uma deteção de gás precisa e confiável em ambientes industriais comerciais.

Sensores de infravermelhos

No coração da tecnologia de sensores de infravermelhos (IR) está um princípio fundamental: a absorção de radiação infravermelha pelo gás alvo a ser medido. Este princípio encontra aplicação em vários gases, incluindo HFCs e HFOs, e_CO2, cujas ligações químicas absorvem energia infravermelha em comprimentos de onda específicos dentro do espetro infravermelho. Em particular, a maioria dos refrigerantes, incluindo HFCs e HFOs, absorve luz em torno do comprimento de onda de 9 μm, devido às ligações hidrogénio-flúor.

Na prática, a medição é efectuada quando o ar proveniente da localização da amostra entra num banco ótico, quer por difusão quer por aspiração da amostra. Nesta configuração, a luz emitida por uma fonte de infravermelhos passa através do gás no banco, dirigida para um elemento detetor. As paredes do sensor, frequentemente micro-polidas e revestidas com metais preciosos, aumentam a refletividade para garantir a passagem máxima de luz e energia, optimizando assim a resposta no detetor de infravermelhos e a resolução da medição. A redução da intensidade da fonte de luz infravermelha, atribuída à presença do gás alvo, correlaciona-se diretamente com a concentração de gás. A eletrónica interna e o software processam estes dados para produzir um sinal de saída linearizado, facilitando a medição precisa.

No caso dos HFC e dos HFO, a dimensão do banco ótico, ou melhor, o comprimento do percurso através do qual a luz infravermelha atravessa o gás, surge como um fator crítico que influencia a resolução e a precisão. Os comprimentos de trajetória mais longos são essenciais para obter uma resolução e precisão elevadas. Estes comprimentos de percurso mais longos estão geralmente limitados a sistemas aspirados em aplicações de deteção de refrigerante, devido ao tamanho e ao custo relativamente elevado. Este nível de tecnologia de sensor infravermelho, embora superior em resolução e precisão, pode apresentar desafios na implantação de vários sensores em uma instalação devido ao tamanho maior dos sensores. As considerações económicas conduzem ainda mais o design do sistema para configurações centralizadas.

Os sensores infravermelhos de refrigerante de formato mais pequeno são mais vulgarmente utilizados em detectores de gás baseados na difusão, sendo mais económicos e, por conseguinte, mais facilmente implantados num sistema de deteção distribuído. Embora não ofereçam o mesmo nível de precisão ou limite inferior detetável para HFC e HFO, proporcionam as mesmas vantagens geralmente atribuídas à tecnologia de sensores de gás por infravermelhos.

Os sensores de refrigerante_CO2 estão geralmente disponíveis em formato mais pequeno, uma vez que a absorção é mais estreita, o que significa que é menos necessário um comprimento de percurso mais longo. Um fator chave na deteção de fugas de_CO2 é garantir que é selecionado um sensor e um detetor de gás refrigerante com um tempo de resposta suficientemente rápido, tanto para cumprir os requisitos das normas de segurança do refrigerante como para garantir a segurança do pessoal em risco de exposição a uma fuga de um sistema de_CO2.

Os sensores de infravermelhos gozam de imunidade a efeitos ou interferências de gases cruzados em aplicações de refrigerantes, juntamente com bons níveis de resolução e precisão. As mudanças de temperatura são compensadas eficazmente no software do sensor e a especificidade da medição visa apenas o refrigerante. Por conseguinte, não é afetado pelo tipo de interferência transitória de gás cruzado que pode afetar os sensores de semicondutores.

Um sensor de infravermelhos bem concebido é muito estável, não pode ser envenenado e não é suscetível de sofrer desvios ao longo do tempo. Isto reduz ainda mais o risco de falsos alarmes e assegura uma longa vida útil do sensor, normalmente de cerca de 10 anos. Esta longa vida útil e estabilidade podem tornar os sensores de infravermelhos particularmente adequados para aplicações em que os sensores são integrados diretamente em aparelhos como bombas de calor ou expositores refrigerados.

Os atributos dos sensores de infravermelhos para fluidos frigorigéneos tornam-nos uma excelente escolha para aplicações de deteção de fugas de HFC e HFO em que a medição precisa é fundamental ou em que as condições ambientais e os gases interferentes representam potenciais desafios. Embora tenha um preço mais elevado, a tecnologia de deteção por infravermelhos apresenta um desempenho superior na obtenção de níveis mínimos detectáveis mais baixos em comparação com os sensores de semicondutores quando aplicados a HFCs e HFOs, reforçando ainda mais a sua atração em cenários de deteção de gás em que existe uma vantagem em detetar a um nível mais baixo. No caso do_CO2, um detetor de gás refrigerante com um sensor de infravermelhos é a única opção realista, tornando a escolha do detetor importante no que respeita à sua adequação à aplicação e ao ambiente em que será instalado.

Tecnologias de sensores emergentes

Nos últimos anos, começaram a surgir novas tecnologias de sensores para a deteção de fluidos refrigerantes. Na sua maioria, estas estão limitadas a aplicações de deteção na gama de inflamabilidade, fornecendo dados em percentagem do limite inferior de inflamabilidade (%LFL) em vez de níveis inferiores de ppm.

A tecnologia de medição acústica funciona de uma forma que pode ser equiparada aos sensores de infravermelhos, só que neste caso não há absorção de uma fonte de luz, mas sim a redução da velocidade de uma onda sonora à medida que passa pela câmara de medição. A velocidade a que a onda sonora percorre a distância entre o emissor e o detetor é igual à concentração de gás. Embora se afirme uma redução do efeito dos factores ambientais em comparação com as tecnologias mais tradicionais de deteção de refrigerantes, a gama de gases detectáveis parece ser menor, a medição do nível de partes por milhão não está atualmente disponível para os refrigerantes e os dados parecem limitados para se fazer uma comparação significativa com a seletividade da deteção por infravermelhos. No entanto, trata-se de um desenvolvimento interessante nas opções de deteção de gases refrigerantes.

Os sensores de gás Molecular Property Spectrometer™ têm vindo a aparecer em aplicações de deteção de gás refrigerante, mais uma vez direcionados e limitados à medição de %LFL de refrigerantes inflamáveis (e outros gases inflamáveis). Com o fabricante de uma única fonte a vangloriar-se de uma vida útil muito longa do sensor, imunidade a envenenamento e ausência de falsos alarmes, para a deteção de gás refrigerante os benefícios parecem não ser diferentes dos dos sensores de infravermelhos de refrigerante, embora para uma gama mais limitada de aplicações. Parece haver poucos dados disponíveis sobre o princípio de medição, o que dificulta uma comparação tecnológica em relação às necessidades das aplicações de deteção de fugas de refrigerante.

Sensores electroquímicos para deteção de fugas de _NH3

Os sensores de semicondutores e os sensores de esferas catalíticas, ou o tipo normalmente utilizado para a deteção de gases inflamáveis, podem ser utilizados para detetar concentrações elevadas de amoníaco que se aproximam do seu LFL de 15%/vol.

É também necessária uma deteção de nível inferior devido aos efeitos tóxicos do amoníaco a baixas concentrações.

As normas e regulamentos variam consoante o país, mas os níveis típicos são os seguintes.

Concentração de NH3 no ar	Efeitos
25ppm	Limite de exposição a longo prazo – 8 horas TWA
35-50ppm	Limite de exposição a curto prazo – 15 minutos, algum desconforto físico
70-300ppm	Irritação grave do nariz, garganta e vias respiratórias, risco de acumulação de líquido nos pulmões
300ppm	Limite IDLH (Perigo Imediato para a Vida e a Saúde)
5.000ppm	Paragem respiratória rápida
15-28%	Inflamável, explosivo

A deteção de nível inferior é conseguida através da utilização de sensores electroquímicos, que podem ser especificamente adaptados a diferentes gamas de medição.

No princípio de funcionamento de uma célula eletroquímica para _NH3, o gás difunde-se através de uma membrana permeável ao gás para um elétrodo onde é reduzido ou oxidado. Em termos básicos, o sensor é constituído por um elétrodo de deteção/trabalho, um contra-elétrodo, um elétrodo de referência e um eletrólito.

Uma reação redox nos eléctrodos de deteção e nos contra-electrodos produz um sinal elétrico que é proporcional à concentração de amoníaco gasoso.

2 _NH3 → _N2 + 6 ^H+ + 6 ^e-

_O2 + 4 ^H+ + 4 ^{e- →} 2 _H2O

Para aumentar a estabilidade, um elétrodo de referência mantém uma tensão constante no elétrodo de deteção para compensar a degradação do eletrólito devido à reação na superfície do elétrodo, prolongando a vida útil do sensor. No entanto, a vida útil típica da maioria dos sensores electroquímicos para _NH3 é de cerca de dois anos. Existem, no entanto, alguns detectores de gás refrigerante atualmente no mercado com sensores de _NH3 comprovados no terreno com uma vida útil superior a cinco anos.

De um modo geral, existem algumas desvantagens na utilização de sensores de amoníaco que devem ser tidas em conta para garantir que as rotinas de manutenção e as práticas de instalação adequadas proporcionam um sistema de deteção de refrigerante eficaz. A vida útil limitada é vital a ser observada, e não há como evitar o fato de que os sensores eletroquímicos têm um custo relativamente alto. O ideal é que o sensor, e não todo o detetor de gás, possa ser substituído no campo. Os sensores podem também ser envenenados por contaminantes ou mesmo por exposição excessiva a níveis muito elevados de amoníaco, e podem ser afectados por níveis de humidade muito elevados ou muito baixos.

Este aspeto é compensado pelos aspectos positivos da deteção de _NH3 com sensores electroquímicos. Existe um elevado grau de seletividade e não é provável a ocorrência de falsos alarmes. A precisão é muito boa e podem ser detectados níveis adequadamente baixos de amoníaco de forma fiável e eficaz.

Selecionar o sensor certo

A escolha do detetor de gás refrigerante e da tecnologia de sensor de refrigerante utilizada é, por natureza, uma decisão subjectiva, dependendo tanto dos requisitos da aplicação como das preferências do utilizador. O que é certo é que existem opções disponíveis.

É provável que os fornecedores especializados em deteção de gás refrigerante tenham uma gama de tipos de sensores para atender às diversas necessidades dos seus clientes. Na maioria das vezes, não existe uma abordagem única para a deteção de gás, por isso é aconselhável procurar uma discussão com um especialista para ajudar a tomar a decisão certa para cada utilizador ou cada projeto.

Sobre o autor

Tom Burniston é o Diretor de Marketing da SAMON e Chefe de Gestão de Produtos do Grupo Safe Monitoring. Tem 20 anos de experiência na deteção de gás, trabalhando em disciplinas como marketing, vendas técnicas internacionais, gestão de canais e produtos e planeamento estratégico. Com experiências em indústrias como refrigeração, petróleo e gás, aterros sanitários e biogás, Tom tem experiência no desenvolvimento de novos produtos e mercados, posicionamento de produtos e no alinhamento de produtos com os padrões e as melhores práticas da indústria. As suas viagens mais recentes levaram-no aos EUA, Espanha, Itália e Alemanha, onde apresenta informações sobre refrigeração durante as principais conferências e feiras comerciais. Tom é licenciado pela Universidade de Leicester e reside no Reino Unido