Lo que la seguridad industrial exigió al NDIR
La medición de gases en entornos industriales no consiste simplemente en mostrar una cifra. Es un dato para decidir si un trabajador puede entrar, si se necesita más ventilación o si hay que detener el proceso. El sensor debe distinguir el gas objetivo, responder con suficiente rapidez a los cambios de concentración y proporcionar valores interpretables aunque cambien la temperatura, la presión, la humedad, la vibración y la contaminación. También hay que distinguir entre que el equipo esté encendido y que la lectura sea fiable. La razón por la que NDIR, es decir, el método de infrarrojo no dispersivo, ha llamado la atención en la seguridad industrial es un principio físico de medición que encaja bien con estas exigencias.
NDIR no depende únicamente de una reacción química entre el gas y un reactivo consumible. Detecta el fenómeno por el que las moléculas objetivo absorben energía en longitudes de onda infrarrojas específicas. Por ello, si se diseñan adecuadamente la longitud de onda y la trayectoria óptica, es posible medir de forma continua gases con características de absorción infrarroja definidas, como el CO₂. Sin embargo, esta ventaja es solo una propiedad del módulo sensor. Para ser un instrumento de seguridad industrial, la fuente de luz, el detector, la celda óptica, los filtros, el algoritmo de compensación, la carcasa, la alimentación, la salida, las alarmas, los diagnósticos y el procedimiento de calibración deben verificarse como un único sistema.
Cómo lee NDIR la concentración
La configuración básica de un sensor NDIR consta de una fuente de infrarrojos, una celda de medición por la que circula el gas, un filtro óptico que deja pasar solo determinadas longitudes de onda y un detector de infrarrojos. Cuando la luz emitida por la fuente atraviesa una celda de longitud fija y llega al detector, el gas objetivo dentro de la celda absorbe parte de esa longitud de onda. La relación entre la luz incidente y la transmitida depende conjuntamente de la intensidad de absorción, la longitud de trayectoria óptica y la concentración de gas. Se suele explicar mediante la relación de Beer-Lambert, pero los sensores reales calculan la concentración con un modelo de corrección que incluye líneas de absorción ensanchadas, respuesta del detector, temperatura y presión, y regiones no lineales.
El término no dispersivo significa que no se despliega y analiza en detalle todo el espectro infrarrojo con un prisma o una red de difracción. En su lugar, se selecciona y mide el intervalo de longitud de onda necesario mediante un filtro ajustado a la banda de absorción del gas objetivo. La estructura es relativamente compacta y adecuada para la medición continua, pero el diseño de la banda del filtro y de la celda óptica determina la selectividad y el rango de medición. A concentraciones altas, la absorción puede acercarse a la saturación y cambiar la resolución y la linealidad, por lo que debe elegirse un rango acorde con el uso previsto.
Por qué se necesita una longitud de onda de referencia
El NDIR industrial suele utilizar una señal de referencia además de leer una vez la longitud de onda de absorción objetivo. La longitud de onda de referencia se selecciona en una región que el gas objetivo apenas absorbe. Comparar la relación entre la señal de absorción y la de referencia puede compensar en parte cambios que afectan a ambas señales por igual, como el envejecimiento de la fuente, cambios de sensibilidad del detector o la contaminación gradual de las superficies ópticas. La explicación de Vaisala sobre su estructura de doble longitud de onda también indica que mide alternativamente, en la misma trayectoria óptica, la longitud de onda de absorción del CO₂ y una longitud de onda de referencia no absorbente.
No obstante, el canal de referencia no es un dispositivo universal de autocalibración. La compensación por relación puede no bastar si la contaminación afecta de forma distinta a las dos longitudes de onda, si el filtro bloquea selectivamente solo la longitud de onda objetivo o si el condensado altera irregularmente la trayectoria óptica. Por eso, aunque la señal de referencia mejore la estabilidad, siguen siendo necesarias comprobaciones funcionales periódicas y verificaciones con gas de concentración conocida.
De dónde procede la selectividad del CO₂
La molécula de CO₂ presenta una fuerte característica de absorción en determinadas bandas del infrarrojo medio. Como los sensores NDIR usan filtros ópticos dirigidos a esta banda característica, obtienen un tipo de selectividad distinto del de los sensores semiconductores calentados, que responden ampliamente a diversos gases reductores. También favorece la medición de CO₂ que no responde directamente a cambios de concentración de nitrógeno u oxígeno, que apenas absorben en la longitud de onda objetivo. Esta selectividad óptica encaja bien con aplicaciones que necesitan seguir directamente la concentración de CO₂, como la vigilancia continua a largo plazo, la comprobación del estado de ventilación y la supervisión de fugas de proceso.
Sin embargo, decir que es «selectivo para CO₂» no significa que ningún otro factor influya. Las colas de las bandas de absorción de otros gases, incluidas las moléculas de agua, pueden solaparse con la banda del filtro, y un cambio en la composición del gas de fondo modifica la densidad y las condiciones de presión de la mezcla gaseosa. Para reducir estos efectos, los fabricantes utilizan filtros de banda estrecha, múltiples longitudes de onda, compensación de temperatura, presión y humedad, y ajustes para gases de fondo específicos. Por ello, el usuario debe comprobar la lista de ensayos de gases interferentes y las condiciones de compensación de la ficha técnica. La presencia de un gas que no figure en la lista no permite concluir automáticamente que su efecto sea 0.
Un sensor para entorno industrial es un paquete, no un módulo
Colocar un módulo sensor de mesa de laboratorio en el campo no lo convierte por sí solo en un instrumento de seguridad industrial. El encapsulado para campo debe permitir que el gas llegue al sensor y, al mismo tiempo, controlar las gotas de agua y las partículas. Se diseñan conjuntamente filtros sinterizados o hidrofóbicos, carcasas resistentes al agua y al polvo, materiales resistentes a la corrosión, sensores de temperatura, calentadores, entradas de compensación de presión, alimentación estable y prensaestopas o conectores industriales. Si se trata de un equipo fijo, las salidas como 4–20 mA, relés y RS-485, así como las señales de fallo, deben llegar al sistema de control.
El filtro es un compromiso entre protección y velocidad de respuesta. Los filtros finos y las pantallas antisalpicaduras reducen la entrada de polvo y gotas de agua, pero ralentizan la difusión del gas. Las especificaciones de productos reales también pueden mostrar que el tiempo de respuesta T90 varía según se use un filtro estándar o una pantalla de pulverización. Una configuración de aspiración puede llevar la muestra con una bomba y medir puntos remotos, pero la longitud del tubo, el caudal, las fugas, la adsorción, la condensación y las obstrucciones se convierten en nuevas fuentes de error. Por tanto, no debe evaluarse solo el tiempo de respuesta del sensor, sino el tiempo de todo el sistema hasta que la muestra entra por la toma, llega a la celda y se estabiliza.
Si se instala en una zona peligrosa, el principio de medición y la idoneidad para atmósferas explosivas también deben tratarse como cuestiones distintas. No puede juzgarse solo por si el CO₂ es inflamable. Debe revisarse si existen otros gases o polvos inflamables en el lugar de instalación y si la electricidad, la temperatura superficial y la envolvente del equipo cumplen los requisitos de esa zona. Las normas IEC para detectores de gases abordan el diseño, la función, el rendimiento y los ensayos de equipos portátiles y fijos de acuerdo con el uso previsto del equipo. El principio NDIR del chip sensor por sí solo no puede sustituir la certificación o la conformidad de seguridad del equipo terminado.
Sensibilidad cruzada y efectos del gas de fondo
La sensibilidad cruzada es el fenómeno por el cual componentes distintos del gas objetivo modifican la lectura. En NDIR, una interferencia óptica típica es que la absorción infrarroja de otras moléculas se solape con la banda de medición. El vapor de agua afecta a una amplia región infrarroja, por lo que debe examinarse siempre en entornos con grandes variaciones de humedad. Los lugares donde hay hidrocarburos, gases anestésicos, refrigerantes o disolventes de proceso también requieren los datos de interferencias del fabricante y ensayos con la mezcla gaseosa real. Aunque el diseño del filtro fuera suficiente en un entorno, no garantiza el mismo rendimiento con otra composición de proceso.
Además de la absorción óptica, la temperatura y la presión son importantes. El número de moléculas en un mismo volumen cambia con la presión y la temperatura, y la salida de la fuente y del detector también se ve afectada por la temperatura. Esta es la razón por la que los fabricantes incorporan un sensor de temperatura o reciben un valor de presión externo para compensar. Si la compensación está desactivada o el valor de presión predeterminado difiere mucho del lugar real, puede aparecer un sesgo sistemático en la concentración indicada. Los cambios de altitud, los conductos presurizados, las cámaras de presión negativa y las salidas de proceso calientes deben revisarse antes de usar sin más un ajuste que presupone presión atmosférica interior.
La corrección del gas de fondo también requiere atención. El aire del lugar contiene oxígeno y humedad, mientras que el gas de punto 0 para calibración suele ser nitrógeno seco. Si el equipo se calibra entonces manteniendo aplicada la compensación de oxígeno y humedad para aire normal, las condiciones de calibración y las de medición real pueden no coincidir. Debe seguirse el procedimiento del fabricante para determinar cómo establecer los ajustes de compensación durante la calibración y cómo restaurar los ajustes originales después. No se deben tratar arbitrariamente el punto 0 con nitrógeno y el punto 0 con aire ambiente como si fueran lo mismo.
La condensación es más difícil que la humedad
Una humedad relativa alta y la condensación de agua sobre la superficie del sensor son estados distintos. Aunque una ficha técnica indique 0–100 %RH, puede estar sujeta a la limitación de «condiciones sin condensación». Si la temperatura baja por debajo del punto de rocío, se puede formar una película de agua en la ventana óptica o el filtro que disperse o absorba la luz, obstruya los canales de difusión y deje residuos contaminantes incluso después de secarse. Puede provocar un error grande momentáneo o un tiempo de recuperación prolongado, por lo que es más seguro no considerar las lecturas durante la condensación como mediciones normales.
La primera medida es conocer el punto de rocío y el gradiente de temperatura en el punto de instalación. Una pared exterior fría, las proximidades de tuberías de refrigeración, las condiciones justo después de la limpieza y una configuración que aspire gas cálido y húmedo por un tubo largo presentan alto riesgo de condensación. Pueden utilizarse un calentador de cabezal sensor, una línea de muestra calentada, un separador de humedad, una estructura de drenaje y un caudal apropiado, pero cada uno puede afectar a la composición de la muestra o al tiempo de respuesta. Incluso los productos con calentador deben respetar sus límites permitidos y el tiempo de precalentamiento, y no se debe extender la interpretación de estar sumergido en agua como condición normal de funcionamiento.
El polvo y la contaminación alteran lentamente la medición
El polvo causa problemas aunque no sea un gas con banda de absorción infrarroja. Al acumularse en la superficie del filtro, ralentiza la difusión; si entra en la celda óptica, atenúa o dispersa la luz. La longitud de onda de referencia puede compensar en parte la atenuación común, pero queda un error residual si la distribución de la contaminación es desigual o afecta de manera diferente a una longitud de onda concreta. En establos, instalaciones de manejo de piensos o grano, fábricas de cemento, minas y espacios con polvo de combustión, es difícil aplicar sin cambios el mismo ciclo de mantenimiento que en un interior limpio.
La gestión en campo debe incluir inspección visual del estado del filtro, limpieza de la carcasa mediante el método permitido por el fabricante, seguimiento del tiempo de respuesta y comprobación con gas de referencia. Cuando aumenta la contaminación, la respuesta puede ralentizarse antes de que la lectura se desvíe por completo, por lo que también merece la pena registrar como indicador de degradación los cambios en el tiempo necesario para alcanzar una concentración determinada.
Calibración, prueba de respuesta y comprobación funcional son distintas
La calibración consiste en ajustar la respuesta del equipo a un patrón usando gas de concentración conocida y trazable. Generalmente se comprueban el punto 0 y el span y, si es necesario, se ajustan. Una prueba de respuesta se parece más a un ensayo funcional en el que se expone brevemente el sensor al gas para confirmar que el sensor responde y que la alarma, la indicación y la salida funcionan realmente. Superar una prueba de respuesta no demuestra la exactitud de la concentración, ni una calibración correcta significa que la alarma acústica y los relés funcionen todos con normalidad. Los objetivos de ambos procedimientos deben gestionarse por separado.
OSHA da prioridad a las instrucciones del fabricante al usar monitores portátiles de gas de lectura directa y destaca la comprobación funcional antes del uso y la verificación de la exactitud con gas de prueba de concentración conocida. La guía de evaluación de NIOSH también considera, además de la calibración, la linealidad, la deriva, los tiempos de respuesta y recuperación, los efectos ambientales, las interferencias, los límites de medición, el sesgo y la precisión. Un programa de seguridad industrial no termina con una única casilla de «fecha de última calibración»: debe definir los intervalos de comprobación y las acciones ante fallos conforme al riesgo y la frecuencia de uso de cada equipo, el entorno de exposición, las recomendaciones del fabricante y los procedimientos internos.
También deben registrarse el valor certificado, la incertidumbre, la fecha de caducidad, la presión de la botella, la composición y el gas de equilibrio del gas de calibración. ISO 6143 establece un método para determinar y verificar, mediante comparación de una mezcla de gas de calibración con mezclas de referencia, la composición y la incertidumbre. Debe elegirse una concentración que abarque los puntos de alarma previstos del sensor y el rango de medición real, y dejar un tiempo suficiente de estabilización. Cuando se utiliza un adaptador de caudal, deben respetarse el caudal y las condiciones de descarga indicados por el fabricante. Una presión demasiado alta o un caudal incorrecto pueden cambiar la presión de la celda o aspirar aire exterior y generar un ajuste erróneo.
Aspectos fáciles de pasar por alto en la calibración de campo
Compruebe que la concentración del gas de calibración y el gas de equilibrio sean adecuados para el sensor y el rango de medición.
Registre el valor certificado de la botella, la incertidumbre, la fecha de caducidad y los valores antes y después del ajuste.
Registre la temperatura, presión y humedad del lugar de calibración, así como los ajustes de compensación del equipo.
Inspeccione fugas y obstrucciones en el filtro, el tubo, la bomba, el regulador y el adaptador.
Compruebe no solo la respuesta del sensor, sino también la indicación, la alarma, los relés, la transmisión remota y las señales de fallo.
En equipos que excedan la tolerancia permitida, no se limite a ajustar: revise la causa y el alcance del efecto sobre las mediciones anteriores.
Lo que NDIR hace bien y lo que no
NDIR tiene la ventaja de medir continuamente gases con una banda infrarroja objetivo definida. Para CO₂ no hay un electrolito que se consuma y, con un canal de referencia y una compensación adecuados, puede mejorarse la estabilidad a largo plazo. También pueden configurarse productos para rangos de concentración altos y es fácil integrarlos en transmisores fijos o analizadores de aspiración. Se diferencia asimismo de los principios catalíticos de combustión, cuya respuesta de medición se detiene por sí misma si falta oxígeno. Estas características son útiles en entornos industriales donde hay que vigilar la acumulación de CO₂, como espacios confinados, fermentación y elaboración de cerveza, procesos de refrigeración y alimentos, invernaderos, instalaciones ganaderas y las proximidades de equipos de digestión.
Por otro lado, un sensor NDIR de CO₂ no puede distinguir todas las causas de deficiencia de oxígeno. Aunque el nitrógeno o el argón desplacen el aire y reduzcan el oxígeno, el valor de CO₂ puede ser normal. Esta es la razón por la que un único sensor de CO₂ no puede sustituir a un sensor de oxígeno, un sensor de gas combustible ni sensores de otros gases tóxicos. Además, concentraciones altas fuera del rango del sensor, saturación óptica, cambios rápidos de temperatura o presión, gases interferentes no identificados, condensación, obstrucción del filtro o avería de la bomba pueden producir valores falsamente bajos o una respuesta lenta. Una indicación «cercana a 0 ppm» no siempre significa una atmósfera segura.
El ajuste de alarmas también es una decisión de gestión del riesgo distinta del rendimiento del sensor. Deben considerarse conjuntamente los límites legales de exposición, el riesgo de alta concentración a corto plazo, el tiempo de evacuación, el retraso de ventilación, el tiempo de respuesta del sensor y el lugar de instalación. Fijar el sensor al suelo basándose solo en la simple afirmación de que un gas es más pesado que el aire puede pasar por alto el flujo de aire real, la temperatura de la fuga, las turbulencias, los obstáculos y la zona de respiración del trabajador. Deben investigarse la fuente de liberación y el flujo de ventilación y, si es necesario, medir a varias alturas y puntos para confirmar la representatividad.
La decisión de adopción empieza por el escenario de uso, no por el principio del sensor
El valor de adoptar NDIR para la seguridad industrial depende menos de la frase «sensor preciso» que de cuán concretamente se haya definido el escenario de uso. Primero se determina qué gas se vigilará, en qué rango de concentración, con qué rapidez y en qué ubicación. Después se anotan la temperatura, presión, humedad, condensación, polvo y gases interferentes en funcionamiento normal y en las peores condiciones. Para esas condiciones se contrastan con la ficha técnica y los datos de ensayos de rendimiento el rango de medición, la exactitud, el T90, las alarmas, las salidas, la envolvente, las certificaciones y el método de calibración necesarios.
IEC 62990-1 distingue los equipos de detección de gases tóxicos en el lugar de trabajo entre usos de vigilancia de la salud centrados en la medición de exposición profesional y usos de vigilancia de la seguridad centrados en alarmas. Esto no significa que todas las aplicaciones de CO₂ queden automáticamente incluidas en el ámbito de esta norma, pero es útil la perspectiva de definir primero si se necesita un equipo que gestione la exactitud de concentración o uno que priorice el funcionamiento de la alarma. La especificación de compra no debe indicar solo el principio del sensor: debe incluir la tolerancia permitida por condición ambiental, ensayos de interferencia, tiempo de respuesta, indicación de fallo, intervalo de calibración, vida útil de componentes, condiciones de sustitución del filtro, registro de datos y responsabilidad de mantenimiento.
En última instancia, NDIR no es un dispositivo que garantice por sí solo la seguridad, sino una capa de un sistema de gestión del riesgo. Debe utilizarse junto con el diseño de ventilación, los permisos de trabajo, los procedimientos para espacios confinados, la vigilancia independiente de oxígeno, gases combustibles y gases tóxicos, y los procedimientos de actuación tras una alarma. Cuando se combinan un principio de medición físicamente selectivo, un encapsulado industrial, una calibración verificable y una operación que reconoce los límites de campo, las cifras de NDIR se convierten en información que puede utilizarse para decisiones de seguridad reales.