¿Qué es un Monitore de Oxígeno?
Un monitor de oxígeno es un dispositivo de medición utilizado para determinar la concentración de oxígeno en el aire.
También se le conoce como sensor de oxígeno o medidor de oxígeno. Los monitores de oxígeno son indispensables ya que el oxígeno es una sustancia vital para la vida humana.
La monitorización de los niveles de oxígeno es especialmente importante en entornos de trabajo con espacios confinados que pueden propiciar la falta de oxígeno. Además, diversos sectores científicos e industriales requieren un control preciso de la concentración de oxígeno para el control de procesos y el mantenimiento de equipos. Según los requisitos específicos de cada sector, existen sistemas de medición adaptados a una amplia gama de condiciones.
Algunos ejemplos comunes incluyen los sensores de óxido de circonio, empleados en el control de productos en la fabricación de semiconductores, la eficiencia energética en automóviles y la purificación de gases de escape.
Usos de los Monitores de Oxígeno
Los monitores de oxígeno se utilizan para dos propósitos principales: prevenir la deficiencia de oxígeno y controlar la concentración de oxígeno.
1. Control de los Niveles de Oxígeno (Detección y Control)
La monitorización de oxígeno desempeña un papel extremadamente importante en el mantenimiento de las actividades vitales en espacios cerrados. Se dice que si la concentración de oxígeno desciende por debajo del 15%, las personas tienen dificultades para respirar; por debajo del 7%, se deteriora la función cerebral; y por debajo del 4%, se produce la muerte. El equipo puede ser portátil o estar montado en la pared.
2. Control de la Concentración de Oxígeno en Procesos Industriales
En algunos procesos industriales de tratamiento térmico, como en la industria química, la cerámica y los metales, los niveles de oxígeno deben mantenerse bajos. Los procesos de combustión en hornos industriales también requieren la supervisión y el control de las concentraciones de oxígeno para optimizar la eficacia de la combustión y el proceso redox.
Los monitores de oxígeno para estas aplicaciones industriales pueden estar expuestos a reacciones químicas intensas en entornos de alta temperatura. Deben ser resistentes a entornos hostiles.
Principios de Funcionamiento de los Monitores de Oxígeno
Los dos principios de funcionamiento principales de los monitores de oxígeno son el “tipo de célula galvánica” y el “tipo de electrolito sólido de circonio”. Otros tipos son el “tipo magnético” y el “tipo de espectroscopia de láser semiconductor de longitud de onda sintonizable”.
1. Tipo de Pila Galvánica
Una pila galvánica consta de una membrana de resina que deja pasar el oxígeno del exterior, electrodos de oro (Au) y plomo (Pb) y un electrolito (solución acuosa de hidróxido de potasio). En cada electrodo se producen las siguientes reacciones
- Ánodo: Pb + 2OH– → Pb2+ +H2O + 2e–
- Cátodo: O2 + 2H2O + 4e– → 4H2O
Los electrones emitidos en el ánodo llegan al cátodo, donde el oxígeno tomado del aire absorbe los electrones emitidos en el ánodo. Este flujo de electrones (corriente) es proporcional a la concentración de oxígeno, por lo que la concentración de oxígeno puede medirse midiendo la corriente. Esta reacción se produce de forma espontánea y no requiere una fuente de alimentación para accionar el sensor.
2. Sistema de Electrolito Sólido de Circonio
Este método utiliza una célula de circonio, aprovechando el hecho de que el circonio presenta las propiedades de un electrolito sólido a temperaturas superiores a 500°C. La zirconia puede conducir iones negativos de oxígeno (O2-) en estado sólido y los iones se conducen desde un gas con una alta concentración de oxígeno (en el aire) a una atmósfera con una baja concentración de oxígeno (por ejemplo, en un horno industrial).
Esta conducción iónica genera una diferencia de potencial, y los electrodos se instalan en el lado de alta concentración de O2 y en el lado de baja concentración de O2, respectivamente, generando una fuerza electromotriz. La relación es como la de los electrodos positivo y negativo de una pila.
- Lado de alta concentración de O2: O2 + 4e– → 2O2–
- Lado de baja concentración de O2: 2O2– → O2 + 4e–
La fuerza electromotriz generada entre los electrodos obedece a la ecuación de Nernst (véase más abajo), por lo que puede determinarse la presión parcial de oxígeno en cada electrodo.
- E= (RT/4F) ·ln (PA/PB)
- (R: constante de los gases, T: temperatura, F: constante de Faraday, PA: presión parcial de oxígeno a alta concentración (en el aire), PB: presión parcial de oxígeno a baja concentración)
La temperatura se mide mediante termopares montados en la zirconia. En atmósferas por debajo de 400 °C, el gas objetivo se introduce en el dispositivo a través de un tubo de muestreo y la célula de óxido de circonio se calienta a la temperatura requerida mediante un calentador de platino o similar (método de muestreo). Esto se debe a que la zirconia requiere una temperatura de 500 °C o superior para funcionar como electrolito sólido.
Tipos de Monitores de Oxígeno
Deben utilizarse distintos productos para los monitores de oxígeno destinados a prevenir la deficiencia de oxígeno y los destinados a mantener bajas concentraciones de oxígeno en procesos industriales.
1. Monitores de Oxígeno Destinados a Prevenir la Deficiencia de Oxígeno
Los sistemas de oxígeno portátiles y fijos diseñados para prevenir la deficiencia de oxígeno utilizan un sistema de pilas galvánicas. Este tipo no requiere una fuente de alimentación para accionar el sensor.
La vida útil del sensor es de aproximadamente 2 a 3 años. Sin embargo, el entorno utilizable se limita a atmósferas próximas al entorno general, con una precisión de ±0,5% de O2. Los instrumentos están disponibles en versiones portátiles y de montaje en pared, y algunos son a prueba de explosiones.
2. Monitores de Oxígeno para Aplicaciones Industriales
Los productos del tipo de óxido de circonio son adecuados para medir las concentraciones de oxígeno en procesos industriales a alta temperatura, como hornos industriales, etc. En atmósferas superiores a 700 °C, se utiliza el tipo de inserción directa, en el que la parte del sensor se inserta directamente en la atmósfera.
En cambio, a temperaturas inferiores a 400 °C, es adecuado el método de muestreo, en el que el gas de la atmósfera del horno se aspira a través de un tubo de muestreo o similar y la célula de óxido de circonio se calienta por separado. La elección correcta debe hacerse en función de la aplicación.