Las industrias automovilística, química, petroquímica y metalúrgica, la investigación científica y médica, la producción de energía y la protección del medio ambiente son algunos de los principales sectores que recurren a una gama muy amplia de tecnologías, sobre todo en lo que se refiere a la instrumentación y elanálisis de gases.
Entre ellas se incluyen industrias tradicionales, desde la transformación de alimentos hasta el cemento y el refinado. Cada vez participamos más en nuevos sectores energéticos, como la metanización y las pilas de combustible, por citar algunos.
Las nuevas actividades requieren a menudo tecnologías de medición innovadoras y más eficaces. Al mismo tiempo, nuestras industrias tradicionales evolucionan rápidamente para seguir el ritmo. En esta encrucijada, las tecnologías de instrumentación y análisis de gases disponibles en el mercado son igual de variadas.
Tecnologías de medición del oxígeno gaseoso
El análisis de gases es una de las herramientas del amplio campo de la instrumentación industrial. Hoy en día, los analizadores de gases se encuentran en todos los campos. Desempeñan un papel activo en la mejora de los niveles de calidad de fabricación y la optimización de la eficacia de los procesos industriales. En general, lo que está en juego es tanto económico como ecológico.
Los analizadores de oxígeno son, con diferencia, los analizadores de gases más utilizados en la industria y la investigación. Pero las tecnologías utilizadas y los métodos de aplicación varían mucho de una aplicación a otra.
Estas tecnologías han avanzado considerablemente en las dos últimas décadas. A continuación repasamos los principios de medición de oxígeno más utilizados actualmente en la industria y la investigación. Señalaremos las ventajas e inconvenientes de cada tecnología de análisis de oxígeno.
Las tecnologías de medición de oxígeno más utilizadas son :
De hecho, existen dos principios de detección distintos y, por lo tanto, dos tipos igualmente diferentes de analizador paramagnético de oxígeno.
Pero cada uno aprovecha, como su nombre indica, la propiedad "paramagnética", o "susceptibilidad magnética", de la molécula de oxígeno.
Analizador paramagnético de oxígeno con detección óptica
Los analizadores paramagnéticos de oxígeno tipo mancuerna utilizan la detección óptica. Las pequeñas bolas de la mancuerna están llenas de nitrógeno (N2). Cuando el oxígeno entra en la célula a través de un campo magnético, la mancuerna tiende a girar y el espejo situado en el centro del eje devuelve una señal luminosa diferente a la que está en reposo. Una vez procesada, esta diferencia de señal es proporcional a la presión parcial de oxígeno en la célula y, por tanto, una vez calibrado el analizador, a la concentración de oxígeno en % en volumen.
Las ventajas del analizador paramagnético de oxígeno con detección óptica:
Este método tiene muy buena reputación.
El analizador paramagnético de oxígeno con detección óptica es a menudo exigido por las normativas locales o los oficios.
La célula es compacta.
Es una herramienta metrológica de alto rendimiento, con muy poca interferencia de otros compuestos gaseosos.
Desventajas del analizador paramagnético de oxígeno con detección óptica:
Sin embargo, es relativamente frágil debido al meticuloso montaje de las mancuernas.
Caro de adquirir y sustituir en caso de daño accidental.
Analizador paramagnético de oxígeno con microflujómetro másico
Cuando la muestra de gas se coloca en un campo magnético, las moléculas de oxígeno son atraídas. Esto produce una presión que es detectada por un microflujómetro de masa.
Las ventajas del analizador paramagnético de oxígeno con micro caudalímetro másico :
El analizador paramagnético de oxígeno con microflujómetro másico es famoso por su robustez, ya que no hay contacto entre el elemento sensor y el gas que se mide, ni piezas móviles.
También es rápido.
Sufre poco las interferencias cruzadas.
Se beneficia de una gran escala dinámica.
Desventajas del analizador paramagnético de oxígeno con micro caudalímetro másico :
En cambio, el analizador paramagnético de oxígeno con microflujómetro másico requiere el uso permanente de un gas de referencia (a menudo nitrógeno).
La célula electroquímica de O2 es un tipo de pila de combustible. El oxígeno de la muestra a analizar se difunde a través del diafragma. Una corriente fluye entre los 2 electrodos a través de un electrolito. También pasa a través de una resistencia y un termistor, a través de los cuales se mide una tensión. Esta tensión es proporcional a la concentración de oxígeno.
Las ventajas de los analizadores electroquímicos de oxígeno :
Robusto.
Compacto.
Barato.
No sufre interferencias gracias al electrolito ácido utilizado.
Desventajas de los analizadores electroquímicos de oxígeno :
La célula electroquímica de oxígeno tiene el inconveniente de degradarse a medida que se utiliza. Por lo tanto, debe sustituirse periódicamente.
¿Qué es un analizador de oxígeno de óxido de circonio?
El analizador de oxígeno de circonio utiliza la característica especial del óxido de circonio (ZrO2) que, cuando se calienta a alta temperatura, se comporta como un electrolito sólido con respecto a los iones de oxígeno. Si los electrodos de platino fijados a cada lado del electrolito sólido se exponen a una presión parcial de oxígeno diferente en cada lado, se produce una reacción electroquímica y se recoge una fuerza electromotriz en los electrodos.
Desde un punto de vista microscópico, esta reacción electroquímica se produce en la triple interfaz entre el electrolito sólido, el electrodo y el oxígeno.
Lado de alta presión parcial: O2 + 4e- >> 2O2- (ionización)
Lado de baja presión parcial: 2O2- >> O2 + 4e- (molecularización)
La fuerza electromotriz generada (E) satisface la ecuación de Nernst.
Ventajas del analizador de oxígeno de óxido de circonio :
Su robustez ha sido probada durante décadas.
El analizador de oxígeno de óxido de circonio es preciso y estable, con intervalos de calibración de hasta 6 meses o incluso un año.
El elemento sensible no es un consumible y tiene una vida útil de hasta 5 o incluso 10 años.
El coste de la solución es relativamente bajo.
El elemento sensible se regula a alta temperatura (800°C), por lo que puede utilizarse para analizar tanto gases fríos como calientes y húmedos.
Desventajas del analizador de oxígeno de circonio :
El inconveniente de la tecnología calentada es que el analizador debe ser capaz de disipar su calor. La versión extractiva es menos fácil de encajar en un analizador multigás y suele ser objeto de una pequeña caja externa, que debe instalarse por separado dentro del sistema.
Debido a la propia tecnología, basada en la ionización a alta temperatura, no es posible utilizar un analizador de oxígeno de óxido de circonio para medir la concentración de oxígeno en un gas combustible.
¿Qué es un analizador láser de oxígeno?
Los analizadores láser se conocen más exactamente como analizadores láser de diodo sintonizable (TDL). Se trata de un instrumento óptico que utiliza un rayo láser infrarrojo emitido por un emisor y dirigido hacia un receptor. La técnica de medición se basa en la absorción de la luz por las moléculas de gas presentes entre el emisor y el receptor.
La mayoría de los gases absorben la luz en determinadas longitudes de onda específicas, y la absorción es una función directa de la concentración de gas.
La longitud de onda del láser se analiza en una línea de absorción determinada, específica de la molécula en cuestión, evitando así casi todas las interferencias de otras moléculas presentes. La concentración de gas medida es, por tanto, proporcional a la amplitud de la línea de absorción.
Las ventajas de los analizadores láser de oxígeno :
El analizador láser de oxígeno ofrece un rendimiento inigualable, especialmente en términos de estabilidad de calibración, rango dinámico e interferencias cruzadas.
La versión in situ tiene la ventaja de no tener ninguna pieza en contacto con el gas que se mide. Por tanto, es posible analizar gases, por ejemplo, húmedos y/o muy polvorientos.
Por último, pero no por ello menos importante, es robusto porque no tiene piezas móviles.
Desventajas del analizador láser :
La principal desventaja de los analizadores de oxígeno por láser es su precio. Aunque esta tecnología se ha generalizado mucho en los últimos 25 años, sigue siendo una alternativa cara a las técnicas más tradicionales.
En la versión in situ, también debe purgarse permanentemente con un gas libre de oxígeno. Éste suele ser nitrógeno. Excepto a altas temperaturas, cuando la línea de absorción analizada es específica por encima de una determinada temperatura.
Estudiemos juntos sus necesidades y elijamos el analizador de oxígeno ideal.
Hemos estudiado las cuatro tecnologías de medición del oxígeno gaseoso y presentado las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas. Por supuesto, en función del uso previsto, los presupuestos asignados y las competencias de los equipos, una u otra serán más apropiadas. Por tanto, la elección del analizador de oxígeno ideal será sistemáticamente objeto de un estudio multicriterios.
