ANALIZADORES DE OXÍGENO

El oxígeno es usado a menudo como reactivo en procesos químicos y su concentración debe ser controlado de manera precisa y en otros casos debe ser evitada, por motivos de seguridad.

Una de las principales aplicaciones de la medida de oxígeno es el control de combustiones en calderas y hornos con un gas combustible hay que controlar el oxígeno para evitar deflagraciones o explosiones no deseadas, los valores de oxígeno en esos casos suele ser de   2-4%. Por la peligrosidad que conlleva un descontrol de la concentración de oxígeno, y por los diversos usos que se le da en procesos industriales los valores a controlar pueden ir desde 100% a 0,1 ppm.

Imagen 2

Características a tener en cuenta en la medida de oxígeno:

 Presión parcial.

La presión parcial de los componentes de una mezcla gaseosa es la presión que ejerce cada componente por separado que forma parte del gas. Por lo que la presión total de un gas es la suma de las presiones parciales de los componentes que forman la mezcla.

En los analizadores de susceptibilidad magnética, se puede asumir, aunque no es del todo cierto, que el único gas que contruye a la susceptibilidad magnética es el oxígeno. Este parámetro estará relacionado con el número de moléculas de oxígeno por unidad de gas y, a su vez, es proporcional al porcentaje en volumen de oxígeno y la presión absoluta de la muestra.

Efecto del vapor de agua.

El vapor de agua afecta a la medida de oxígeno dependiendo de su concentración. Considerando que un gas contiene oxígeno, vapor de agua y otros gases se trata de medir su contenido en oxígeno. Por ejemplo en las chimeneas se hace una medida de base húmeda directamente, la cual contiene un porcentaje de agua.

Si a esta muestra se le elimina el vapor de agua antes de analizarla, el resultado del contenido de los componentes será mayor que el previsto en proporción a la pérdida de vapor de agua. Para ello el gas se saca caliente para que no condense y se baja a un armario donde se enfría la muestra y se quita el agua, esto se denomina medida de base seca y se compara con la húmeda. Los analizadores de medidas secas deben calibrarse con gas patrón seco, haciéndolo pasar por un adsorbente (gel de sílice, perclorato de magnesio, etc.) y la muestra deberá secarse con el mismo adsorben te que el gas de calibración.

 

Efecto de la presión barométrica y la humedad.

 Los analizadores de oxígeno se calibran en términos de porcentaje en volumen pero realmente responden a la presión parcial del oxígeno. Esto se puede demostrar aumentando la presión de la muestra y verificando el aumento del oxígeno, aunque su concentración es constante.

En analizadores basados en la susceptibilidad magnética, la molécula de oxígeno es atraída por el campo magnético, siendo mayor la atracción cuanto mayor es el número de moléculas de oxígeno por unidad de volumen. La humedad atmosférica afecta en la calibración de analizadores que utilizan aire ambiente para ajustar el rango y en aquéllos que miden concentraciones de oxígeno en aire ambiente. Se debe tener en cuenta que si se utiliza el aire ambiente para una calibración precisa, se debe conocer la presión barométrica y la humedad en términos de presión parcial de vapor de agua. Con estos datos, debe calcularse el valor real del porcentaje de oxígeno utilizándolo como ajuste de rango.

Calibración de medidores de oxígeno

 Existen botellas de gas patrón con las que calibrar los equipos de medida de oxígeno. Por ejemplo para calderas y hornos los patrones más utilizados son los de 0,4 % de O2, 8 % de O2 y 12 % de O2 siendo el resto del gas nitrógeno. Para calibrar el fondo de escala se puede usar aire de instrumentos seco con un 21% de O2.

Por otro lado, para una calibración de Zero se puede usar nitrógeno ya que este gas inerte desplaza el oxígeno consiguiendo una ausencia del mismo.

 

Tipos de medidores de oxigeno

Medidores paramagnéticos.

 Las sustancias paramagnéticas son las que tienen tendencia a ser atraídas por un campo magnético, como por ejemplo el oxígeno. Las que son repelidas se llaman diamagnéticas.

Esta propiedad del oxígeno es aprovechada como principio de medida para medir concentraciones de oxígeno en otros gases.

 

Principio de viento magnético.

 El “viento magnético” se basa en un efecto termo magnético. Se suelen utilizar dos tipos de detector: el tipo anular y el tipo de filamentos.

  • Detector de tipo anular: consiste en un bloque de metal que aloja un anillo con la entrada de muestra por la parte inferior y la salida por la superior. Un fino tubo de cristal se fija a través del diámetro horizontal del anillo. En los extremos del tubo se fijan dos filamentos conectados formando dos de los brazos de un puente de Wheatstone.

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Los polos de un imán permanente se sitúan en un extremo del tubo. Cuando la corriente pasa a través del puente, los filamentos se calientan a una temperatura determinada a través del tubo. Cuando una muestra conteniendo oxígeno pasa a través del anillo, el oxígeno es atraído por el campo magnético, provocando que el caudal de gas se incremente en esa zona. Este aumento de caudal provoca un enfriamiento superior en el filamento que contiene el campo magnético, lo que provoca un desequilibrio del puente que es directamente proporcional a la concentración de oxígeno en la muestra.

  • Detector de tipo filamento: la cámara de análisis es un bloque de metal que contiene dos cavidades idénticas, cada una de las cuales contiene una abertura a la muestra de gas y un filamento en su interior, ambos están conectados como dos brazos de un punto de Wheatstone.

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Los filamentos son calentados por la corriente del puente. Los polos de un imán permanente están situados en una de las cavidades de tal manera que el campo magnético se encuentra parcialmente dentro y fuera de la zona calentada por el filamento. Cuando pasa una muestra de gas conteniendo oxígeno a través de la celda de detección, el oxígeno es atraído hacia el campo magnético. La atracción empieza más pronunciada en la cara fría del campo magnético y un caudal de gas es así inducido hacia la cavidad, enfriando el filamento en relación con el filamento que no tiene campo magnético.

El puente es desequilibrado de modo directamente proporcional a la concentración de oxígeno en la muestra de gas. Generalmente las muestras de gas de las corrientes de proceso no interfieren en la medida de oxígeno por susceptibilidades magnéticas similares, pero sí interfieren por conductividad térmica.

Los hidrocarburos y otros gases combustibles presentes en la muestra pueden causar errores en la medida por reacciones debidas a la temperatura de los filamentos. Causan variaciones de temperatura y de resistencia. Durante la instalación de los sistemas de tipo anular, se debe asegurar la horizontalidad del tubo transversal para evitar errores debidos a efectos gravitacionales.

Algunos medidores paramagnéticos usan un compensador de presión atmosférica ya que la variación de esa presión influye en la concentración del gas y por lo tanto en la medida.

Principio de Quinke (magneto-neumático).

 A este método también se le llama principio magneto neumático. Se pasa un gas de referencia (nitrógeno) a través de unos filamentos que están conectados a un puente de Wheatstone.

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El caudal del gas de referencia se ajusta hasta conseguir el equilibrio del puente. La corriente de gas de referencia pasa a través de dos brazos paralelos que se unen en una salida común. En la salida de uno de los brazos existe un campo magnético. La muestra se introduce en la corriente de la salida común del gas de referencia mezclándose con dicho s. Si hay oxígeno presente en la muestra, éste será atraído por el campo magnético generando una pequeña contrapresión a la salida de la corriente de referencia que tiene el campo magnético. Esto provocará una variación en el caudal del gas de referencia que hay alrededor de los filamentos. Como resultado, el puente se desequilibrará de forma directamente proporcional a la concentración de oxígeno en la muestra de gas.

 

Principio de medida directa de paramagnetismo.

 La susceptibilidad magnética total de una muestra de gas es la suma de las susceptibilidades de los componentes individuales presentes en la muestra, pero, en la mayoría de los casos, es prácticamente debida a la presencia del oxígeno. Por tanto, se puede considerar que esta medida es una indicación precisa de la concentración de oxígeno. La susceptibilidad total de una muestra de gas puede ser medida por un método que se basa en el experimento original de Faraday.

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Medida del oxígeno por combustión catalítica.

 El oxígeno y el hidrógeno reaccionan en presencia de un catalizador, como el  paladio, formando agua: O2 + 2H2 -> 2H2O.

El calor generado por esta reacción es directamente proporcional a la concentración de oxígeno. Si proveemos una cantidad suficiente de hidrógeno para asegurar que todo el oxígeno reaccione, este método puede ser utilizado para determinar concentraciones de oxígeno en muestras gaseosas.

En la Fig. 7.1.8.4-1 se muestra un esquema de un detector de Oxígeno de tipo Combustión Catalítica.

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Método electroquímico con células galvánicas.

 La célula fuel-cell fabricada y patentada por Teledyne, está formada por un ánodo pensado para obtener la máxima superficie de reacción y un cátodo con numerosas perforaciones para facilitar que la superficie se humedezca con el electrolito, asegurando una resistencia interna mínima durante la reacción.

Ver en la Fig. 7.1.8.5-1 la celula galvánica tipo Fuel-Cell.

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La superficie externa del cátodo está recubierta de oro y una membrana de teflón cubre ambos electrodos, que se encuentran inmersos en un electrolito de hidróxido potásico.

Este tipo de célula no requiere ningún tipo de mantenimiento ya que el conjunto está encapsulado de forma compacta, sustituyéndose completamente en caso de avería o envejecimiento. Por ello, este tipo de célula se suele utilizar en analizadores de oxígeno portátiles.

7.1.8.6 Medida de oxígeno con sensor de óxido de zirconio.

Está compuesto por dos conductores eléctricos de platino unidos a cada una de las caras de un electrolito sólido encerrado al final de un tubo de material cerámico, el cual, a una temperatura determinada, se comporta como un conductor eléctrico al ser atravesado por los iones de oxígeno. Ver las Fig. 7.1.8.6-1 y 7.1.8.6-2. El potencial a través de la célula viene dado por la ecuación de Nernst:

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  • R = Constante universal de los gases
  • T = Temperatura absoluta
  • F = Constante de Faraday Fig. 7.1.8.5-1
  • P1 = Presión parcial del oxígeno de la muestra
  • P2 = Presión parcial del gas de referencia.

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La presión parcial del gas de referencia es conocida; por lo tanto, la diferencia de potencial entre los dos electrodos estará relacionada con la presión parcial del oxígeno de la muestra de gas. La salida de este tipo de sensor, incrementa al disminuir la concentración de oxígeno y puede trabajar en una alta gama de rangos. Un punto importante de este tipo de sensores es que requiere trabajar con temperaturas por encima de los 600°C (840°C). La sonda se ubica en el interior de un pequeño horno a temperatura controlada por medio de resistencias eléctricas.

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Este tipo de sensores puede trabajar con muestras calientes, húmedas, sucias y corrosivas, sin necesidad de utilizar sistemas de acondicionamiento.

 

Iker Martinez – Catalin Dardac – David Crespo

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