Dos tipos distintos de medición se encuentran en un mismo linaje tecnológico
La instrumentación de seguridad industrial nació para advertir del peligro antes de que las personas estén expuestas a gases peligrosos, falte oxígeno o se forme una atmósfera inflamable. La instrumentación ambiental se desarrolló para registrar cómo los contaminantes atmosféricos y los gases de efecto invernadero cambian según el tiempo y el lugar, y para evaluar los efectos de la reducción de emisiones o de las políticas. Una parece ser una medición que impulsa a actuar ahora en el lugar de trabajo, y la otra una medición que explica el estado y los cambios a lo largo del tiempo. Sin embargo, al examinar hoy los equipos de ambos campos, aparecen una y otra vez los mismos principios de detección: electroquímico, de absorción infrarroja, de fotoionización y de combustión catalítica.
Esta convergencia no es casual. Aunque las preguntas finales de ambos campos sean distintas, el problema físico inicial es el mismo. Es necesario convertir en una señal eléctrica los pequeños cambios que se producen cuando un componente específico del aire interactúa con los electrodos, la trayectoria óptica o la superficie catalítica de un sensor, y relacionar esa señal con la concentración. La guía técnica de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de Estados Unidos sobre instrumentos de lectura directa explica que los detectores de fotoionización ionizan moléculas con luz ultravioleta y producen una corriente proporcional a la concentración, que los analizadores infrarrojos utilizan la absorción del gas según la longitud de onda y que los monitores de gases tóxicos suelen utilizar celdas electroquímicas. La medición ambiental también puede usar los mismos principios de conversión. La diferencia crece no tanto por el nombre del sensor como por el diseño de la entrada de muestra, los filtros, los algoritmos de corrección, la lógica de alarma y los procedimientos de control de calidad que se han diseñado a su alrededor.
Principio común 1: electroquímica que lee reacciones químicas como corriente
En un sensor electroquímico, el gas objetivo se oxida o se reduce en un electrodo, generando corriente. Si se seleccionan un electrolito y un potencial de electrodo adecuados, pueden medirse diversos gases, como monóxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, dióxido de nitrógeno, dióxido de azufre y oxígeno, en dispositivos pequeños y de bajo consumo. Por ello se utilizan ampliamente en detectores personales portátiles de gases y alarmas fijas de gases tóxicos, y también se adoptan en nodos de sensores de aire urbano o interior. La ventaja de que el sensor sea pequeño y pueda funcionar durante mucho tiempo con batería beneficia tanto al equipo de seguridad que debe llevar el trabajador en el cuerpo como a las redes ambientales que deben instalarse densamente en muchos puntos.
Pero que ambos se llamen electroquímicos no significa que tengan el mismo rendimiento de medición. Otros gases también pueden reaccionar en el electrodo y causar sensibilidad cruzada, y la temperatura, la humedad, el estado del electrolito y el envejecimiento del sensor alteran el cero y la sensibilidad. En el equipo de seguridad importa no pasar por alto el peligro cerca del valor de ajuste de alarma, mientras que en el equipo ambiental puede ser importante separar de forma estable pequeñas diferencias a concentraciones mucho más bajas. Incluso si se utiliza el mismo elemento de detección, distintas combinaciones de filtros, ecuaciones de compensación, rangos de medición válidos y evidencias de validación constituyen sistemas de medición distintos.
Principio común 2: medición infrarroja que lee la absorción de luz de las moléculas
Las moléculas como el metano y el dióxido de carbono absorben longitudes de onda infrarrojas específicas. Si se mide cuánto se ha debilitado la luz emitida por una fuente después de atravesar una muestra, puede estimarse la concentración. El método infrarrojo no dispersivo implementa este principio en una estructura relativamente robusta y se utiliza ampliamente en la detección de gases inflamables, la supervisión de procesos, la gestión del dióxido de carbono en interiores y la observación de gases de efecto invernadero. Como no depende de una reacción de combustión que consume oxígeno, ofrece ventajas distintas de las de los sensores de combustión catalítica en algunas condiciones.
La miniaturización de las fuentes de luz, los detectores, los filtros ópticos y los circuitos electrónicos de bajo consumo desempeñó un papel importante en que los entornos de seguridad y la observación ambiental compartieran componentes infrarrojos. La medición óptica, antes más próxima a los equipos de laboratorio, pasó a instrumentos de campo, y los mismos componentes básicos pudieron combinarse con trayectorias ópticas más largas, otras bandas de filtro y otras celdas de muestra. Sin embargo, que un equipo para alarma de fugas de metano esté diseñado para juzgar rápidamente un determinado porcentaje del límite inferior de explosividad no lo convierte en un equipo capaz de registrar con precisión pequeños cambios de metano en la atmósfera de fondo. La longitud de la trayectoria óptica, la resolución, la corrección de humedad, la corrección de presión, el límite de detección y el intervalo de calibración son diferentes.
Principio común 3: sensores que utilizan el calor de combustión y la ionización
Los sensores de combustión catalítica leen los cambios de temperatura y resistencia que se producen cuando un gas inflamable se oxida sobre una superficie catalítica calentada. Como responden a diversos gases inflamables, son útiles para detectar rápidamente si aumenta el riesgo de explosión en el lugar de trabajo. Los detectores de fotoionización miden la corriente producida cuando los fotones ultravioleta ionizan compuestos orgánicos volátiles. Ambos pueden utilizarse para localizar puntos de fuga o examinar gradientes espaciales de concentración de contaminantes.
También aquí existen límites de selectividad. La guía de OSHA advierte que los detectores de fotoionización reaccionan de forma no específica a diversas sustancias y, por tanto, podrían no identificar de manera concluyente una sustancia en aire mezclado. Asimismo, los sensores de gases inflamables pueden no responder suficientemente a algunos vapores o perder sensibilidad por compuestos de silicio o azufre. Por eso hay que distinguir entre el hecho de que «se muestra un número» y el hecho de que «se ha validado la concentración efectiva de la sustancia deseada». Los datos de cambios relativos útiles para buscar una fuente de contaminación en una investigación ambiental pueden no ser concentraciones absolutas para una decisión regulatoria, y un valor de fotoionización que reacciona en una ronda de seguridad tampoco significa automáticamente la concentración de exposición a una sustancia tóxica determinada.
Cuatro cambios que impulsaron la convergencia
En primer lugar, el avance de los circuitos electrónicos compactos y de las comunicaciones de bajo consumo facilitó aplicar un mismo módulo de sensor a alarmas portátiles, nodos fijos y redes inalámbricas de observación. En segundo lugar, se pudieron incluir sensores auxiliares de temperatura, humedad y presión para corregir las influencias del campo. En tercer lugar, la computación en la nube y en el borde hizo posible la corrección de señales en bruto, la detección de valores atípicos y el análisis de tendencias a largo plazo. En cuarto lugar, los usuarios comenzaron a exigir simultáneamente inmediatez y densidad espacial. Los departamentos de seguridad quieren un mapa de riesgos de toda el área de trabajo, y los departamentos ambientales quieren llenar con más sensores los vacíos espaciales entre equipos de referencia costosos.
Estos cambios redujeron las fronteras del hardware, pero no eliminaron la frontera entre los propósitos de medición. La Enhanced Air Sensor Guidebook de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos orienta a definir primero la pregunta y a diseñar el estudio en el orden de planificación, instalación, recopilación y evaluación. Esto significa que la elección de sensores no debe partir de una lista de productos, sino de qué datos con qué resolución temporal y espacial se necesitan para tomar una decisión.
Calibración: aun con el mismo gas patrón, la pregunta es distinta
La calibración es el proceso de comprobar la respuesta de un sensor frente a un patrón de concentración conocida y ajustar la relación entre la lectura y la concentración. En la instrumentación de seguridad, son especialmente importantes las pruebas funcionales antes del uso cotidiano y la calibración periódica. La guía de OSHA sobre pruebas y calibración de monitores portátiles de gases de lectura directa indica que se debe comprobar la exactitud mediante la respuesta a un gas de prueba de concentración conocida y trazable, y seguir las recomendaciones del fabricante. La prueba de respuesta es una comprobación funcional que aplica gas para verificar que el sensor y la alarma reaccionan. Si se sale del rango permitido, se requiere una calibración completa. Es un procedimiento para comprobar que, en el momento de peligro, el sensor, la bomba, la pantalla y las alarmas sonoras y vibratorias funcionan como un solo sistema.
En la instrumentación ambiental, la medición simultánea en campo y la gestión de la deriva a largo plazo pueden tener mayor peso. El sensor se coloca junto a un analizador de grado de referencia para estimar el sesgo en condiciones reales de temperatura, humedad y gases coexistentes. Cuando cambia la estación o el sensor envejece, también debe volver a comprobarse el modelo de corrección. El Manual de Garantía de Calidad para la Medición de la Contaminación Atmosférica de la EPA de Estados Unidos explica que los objetivos de calidad de los datos se vinculan con indicadores como precisión, sesgo, representatividad, límite de detección, integridad y comparabilidad. Es decir, la calibración ambiental no consiste en ajustar un número una vez, sino en demostrar que los datos recopilados durante un período prolongado son adecuados para el propósito de uso definido inicialmente.
El tipo y la concentración del gas de calibración también deben ajustarse al propósito. El resultado de calibrar un detector de metano para riesgo de explosión en un intervalo de concentraciones altas no puede por sí solo garantizar pequeños cambios en el nivel de fondo. A la inversa, si un analizador de bajas concentraciones se encuentra con una fuga sin diluir y se satura, puede no mostrar correctamente la magnitud del peligro. Aunque exista un historial de calibración, se debe comprobar que el gas objetivo, la matriz, el rango, el caudal y las condiciones de temperatura y humedad coincidan con el uso real.
Rango de medición: ppm, ppb y el límite inferior de explosividad son distintos tramos del mismo eje
El rango de concentración que maneja un sensor no es una mera especificación numérica; refleja el propósito del sistema. Un monitor de seguridad de gases inflamables suele manejar un intervalo vinculado al peligro inmediato, como un porcentaje del límite inferior de explosividad. Un monitor personal de gases tóxicos puede calcular valores instantáneos, promedios de corta duración y promedios ponderados en el tiempo en torno a los límites de exposición ocupacional. La instrumentación ambiental puede requerir límites de detección más bajos y estabilidad a largo plazo para observar la concentración de fondo regional, los aumentos durante episodios de contaminación y los promedios diarios o estacionales.
Ampliar el rango de medición no siempre es mejor. Un rango amplio puede retrasar la saturación a concentraciones elevadas, pero puede perjudicar la resolución y la incertidumbre a concentraciones bajas. Un rango estrecho de baja concentración es sensible a los cambios ambientales, pero puede superar su límite superior en caso de una fuga grande. Por tanto, si un sensor muestra ambos rangos, hay que comprobar si se han validado de forma independiente en cada rango la linealidad, el sesgo, la repetibilidad y los efectos de las interferencias. La guía de NIOSH para la evaluación de monitores de gases y vapores de lectura directa indica evaluar no solo el tiempo de respuesta, sino también la calibración, la estabilidad, el rango, los límites de medición, los efectos ambientales, las interferencias y la fiabilidad. Esta es la razón por la que no se puede juzgar el rendimiento por un solo tipo de sensor.
Tiempo de respuesta: los segundos de una alarma y el intervalo de promediado de los datos ambientales
En la instrumentación de seguridad, el tiempo de respuesta se relaciona directamente con el tiempo disponible para evacuar o detener un proceso. No basta con que solo el elemento sensor sea rápido. Importa el tiempo de respuesta del sistema, que suma el tiempo que tarda el gas en atravesar la entrada y el filtro para llegar al sensor, el caudal de la bomba, la longitud del tubo, el promediado por software y el retraso de la alarma. El estudio de NIOSH sobre el tiempo de respuesta de los medidores de metano para minas presenta un caso en el que, solo al cambiar la tapa contra el polvo y las condiciones de flujo, el tiempo de respuesta medido al 90% cambió y la respuesta fue de 6 a 16 segundos más rápida al retirar la tapa. Es una evidencia concreta de que la estructura de protección y el flujo en campo afectan a la velocidad real de la alarma.
La instrumentación ambiental tampoco ignora el tiempo de respuesta. En la observación móvil o el seguimiento de una pluma de fuga, la respuesta en segundos es importante para relacionar con precisión la ubicación y la concentración. En cambio, en estudios que observan una variación diaria suave en un punto fijo, pueden ser más importantes la estabilidad y la integridad de los promedios de 1 minuto, 1 hora o un día. Suavizar excesivamente los valores rápidos en bruto hace que se pierdan picos breves, y usar directamente para alarmas valores con mucho ruido aumenta las falsas alarmas. Por ello, las especificaciones del tiempo de respuesta y el intervalo de promediado de datos deben divulgarse juntos.
Certificación: el rendimiento de medición y la seguridad frente a explosiones son demostraciones distintas
Los equipos instalados en lugares peligrosos no requieren solo mediciones exactas. También deben verificarse su construcción y método de protección para que el propio equipo no se convierta en una fuente de ignición. El esquema de equipos certificados IECEx es un sistema internacional en el que un tercero independiente ensaya y evalúa equipos eléctricos y mecánicos utilizados en atmósferas explosivas, y audita los sistemas de calidad de fabricación. La lista de normas aplicables publicada por IECEx distingue las series IEC 60079 relativas a los requisitos generales de equipos, la seguridad intrínseca, el rendimiento de los detectores de gases inflamables y la selección, instalación, uso y mantenimiento.
A los sensores ambientales se les aplica un contexto de aptitud para el uso diferente. Los sensores exploratorios para investigación, los instrumentos de gestión propia de un centro de trabajo y los equipos para la determinación legal de la calidad del aire no tienen el mismo nivel de exigencia. La EPA de Estados Unidos explica, al describir los métodos federales de referencia y equivalentes, que los métodos utilizados para determinar el cumplimiento de las normas de calidad del aire se ensayan y aprueban para proporcionar una calidad de decisión equivalente a la de los métodos de referencia. Que un sensor ambiental de bajo coste muestre patrones espaciales útiles no lo convierte automáticamente en un equipo de decisión regulatoria. A la inversa, que un detector de seguridad tenga certificación de protección contra explosiones tampoco significa que esté certificado para la exactitud y comparabilidad de los datos de regulación ambiental. Hay que leer una marca de certificación para saber qué demuestra y en qué alcance.
Propósito de los datos: valores que desencadenan acciones y valores que acumulan evidencias
La primera misión de los datos de seguridad es la acción. Cuando se supera un umbral de alarma, los trabajadores deben evacuar, activar la ventilación, cerrar una válvula o suspender un permiso de trabajo. Por ello, la ausencia de datos o un retraso pueden ser críticos, y son importantes funciones como ajustes de alarma conservadores, autodiagnóstico, estado de la batería y alarmas en el lugar cuando falla la comunicación. La función de registro también es necesaria para la investigación de accidentes y la evaluación de la exposición, pero la protección en tiempo real es prioritaria.
La primera misión de los datos ambientales suele ser la comparación y la interpretación. Deben explicar cambios respecto de la línea base, diferencias entre puntos, tendencias estacionales y el antes y el después de la reducción de emisiones. La preservación de los datos en bruto, las marcas de tiempo, el tratamiento de datos faltantes, las versiones de corrección y los metadatos como la ubicación y las condiciones meteorológicas determinan la reproducibilidad de los resultados. Si el uso requiere verificación externa, como ocurre con la regulación o la contabilidad de carbono, son aún más importantes la incertidumbre de medición, la trazabilidad a patrones, las reglas de validación de datos y el historial de cambios. Incluso para la misma salida de sensor, un registro de eventos de alarma y una serie temporal ambiental de largo plazo deben tener distintos ciclos de recopilación, métodos de conservación y procedimientos de aprobación.
Diseño conjunto orientado al propósito, no sustitución directa
No se debe convertir sin más un equipo de seguridad en un monitor ambiental ni un sensor ambiental en una alarma de seguridad. Los equipos de seguridad deben confirmar la exactitud de la alarma con los gases objetivo reales y a concentraciones peligrosas, el tiempo de respuesta de todo el sistema, la aptitud para protección contra explosiones y el comportamiento en caso de fallo. Los equipos ambientales deben validar el límite de detección y la incertidumbre en el rango de concentración objetivo, la deriva a largo plazo, la comparación con equipos de referencia, la integridad de los datos y la representatividad. El hecho de que la ficha de producto indique el mismo método de detección no sustituye esta validación.
La verdadera oportunidad que ofrece la convergencia de ambos campos no es el uso indiscriminado de un solo equipo para dos fines, sino la conexión de los flujos de datos. Si se analizan conjuntamente, por tiempo y ubicación, los eventos de alarma de alta concentración de detectores de seguridad certificados y las tendencias de baja concentración de redes de sensores ambientales gestionadas con control de calidad, se pueden encontrar fugas antes y comprobar a largo plazo los efectos de la ventilación o el mantenimiento. Aun así, los datos en bruto y el historial de correcciones deben conservarse por separado, y debe indicarse el alcance de decisión permitido para cada dato.
Preguntas prácticas que deben confirmarse antes de la adopción
¿Se utilizará este valor para adoptar de inmediato medidas de seguridad como la evacuación o la parada, para analizar tendencias ambientales a largo plazo o para ambas cosas?
¿Cuáles son los gases objetivo y las concentraciones mínima y máxima previstas, y qué unidades y límites de detección se necesitan?
¿La composición, la concentración y la trazabilidad del gas de calibración representan la muestra real y el rango de medición?
¿Se ha validado el efecto sobre los resultados de la sensibilidad cruzada, la temperatura, la humedad, la presión, la concentración de oxígeno, el polvo y el agua?
¿El tiempo de respuesta indicado corresponde solo al elemento sensor o al sistema que incluye filtro, bomba, tubo, promediado y lógica de alarma?
¿Cumple los requisitos necesarios de certificación de protección contra explosiones y de rendimiento de detección de gases, o los requisitos de métodos ambientales de referencia o equivalentes?
¿En qué se diferencian la prueba de respuesta, la calibración completa, la medición simultánea en campo, el mantenimiento y los intervalos de sustitución de sensores?
¿Se conservan por separado los datos en bruto, los datos corregidos, los eventos de alarma, las marcas de calidad y las versiones de corrección?
¿La alarma en el lugar funciona de forma independiente incluso si falla la comunicación o la alimentación eléctrica?
¿El informe de resultados indica claramente cuál de estos usos está permitido: para decisiones de seguridad, exploración, investigación o determinación regulatoria?
Que los mismos principios de detección hayan conectado la seguridad y el medio ambiente es una señal de que la industria de sensores ha madurado. Sin embargo, un sensor es solo un componente de un sistema de medición. La elección correcta del equipo comienza por reconocer los puntos en común de los métodos de detección y se completa cuando se comprueban hasta el final las diferencias en calibración, rango, respuesta, certificación, calidad de los datos y acción final.