Detector de infrarrojos de trayectoria abierta

Los detectores de gas infrarrojos de trayectoria abierta emiten un haz de luz infrarroja que detecta gas en cualquier punto a lo largo de su recorrido. Este sensor lineal suele tener una longitud de entre unos pocos metros y varios cientos de metros. Los detectores de trayectoria abierta se diferencian de los sensores infrarrojos puntuales .

Se utilizan ampliamente en las industrias petrolera y petroquímica , principalmente para la detección rápida de fugas de gases inflamables en concentraciones comparables al límite inferior de inflamabilidad (normalmente unos pocos por ciento en volumen). También se emplean, aunque en menor medida, en otras industrias donde pueden presentarse concentraciones inflamables, como en la minería del carbón y el tratamiento de aguas . En principio, la técnica también puede utilizarse para detectar gases tóxicos , como el sulfuro de hidrógeno , en las concentraciones necesarias de partes por millón, pero las dificultades técnicas que implica han impedido hasta ahora su adopción generalizada para gases tóxicos.

Por lo general, se utilizan unidades transmisoras y receptoras independientes en los extremos de un haz recto. Alternativamente, la fuente y el receptor se combinan, y el haz se refleja en un retroreflector situado en el extremo opuesto del recorrido de medición. Para uso portátil, también se han fabricado detectores que utilizan el albedo natural de los objetos circundantes en lugar del retroreflector. La presencia de un gas (o clase de gases) determinado se detecta por su absorción de una longitud de onda infrarroja adecuada en el haz. La lluvia, la niebla, etc., en el recorrido de medición también pueden reducir la intensidad de la señal recibida, por lo que es habitual realizar una medición simultánea en una o más longitudes de onda de referencia. La cantidad de gas interceptada por el haz se deduce a partir de la relación entre las pérdidas de señal en las longitudes de onda de medición y de referencia. El cálculo lo realiza normalmente un microprocesador que también lleva a cabo diversas comprobaciones para validar la medición y evitar falsas alarmas.

La cantidad medida es la suma de todo el gas a lo largo de la trayectoria del haz, a veces denominada concentración integral de trayectoria del gas. Por lo tanto, la medición tiene un sesgo natural (deseable en muchas aplicaciones) hacia el tamaño total de una liberación de gas no intencionada, en lugar de la concentración del gas que ha alcanzado un punto particular. Mientras que las unidades de medida naturales para un sensor puntual infrarrojo son partes por millón (ppm) o el porcentaje del límite inferior de inflamabilidad (%LFL), las unidades de medida naturales para un detector de trayectoria abierta son ppm·metros (ppm·m) o LFL·metros (LFL·m). Por ejemplo, el sistema de seguridad contra incendios y gases en una plataforma marina en el Mar del Norte normalmente tiene detectores configurados a una lectura de escala completa de 5 LFL·m, con alarmas bajas y altas que se activan a 1 LFL·m y 3 LFL·m respectivamente.

Un detector de trayectoria abierta suele ser más caro que un detector puntual , por lo que hay pocos incentivos para aplicaciones que aprovechen las ventajas de un detector puntual: donde el detector puntual se puede colocar en la ubicación conocida de la mayor concentración de gas y se acepta una respuesta relativamente lenta. El detector de trayectoria abierta destaca en exteriores donde, incluso si se conoce la fuente probable de la fuga de gas, la evolución de la nube o pluma en desarrollo es impredecible. Es casi seguro que el gas entrará en un haz lineal extendido antes de llegar a cualquier punto específico. Además, los detectores puntuales en ubicaciones exteriores expuestas requieren la instalación de protectores contra la intemperie, lo que aumenta significativamente el tiempo de respuesta. Los detectores de trayectoria abierta también pueden mostrar una ventaja de costo en cualquier aplicación donde se requeriría una fila de detectores puntuales para lograr la misma cobertura, por ejemplo, el monitoreo a lo largo de una tubería o alrededor del perímetro de una planta. No solo un detector reemplazará a varios, sino que es probable que los costos de instalación, mantenimiento, cableado, etc., sean menores.

En principio, se podría utilizar cualquier fuente de radiación infrarroja, junto con un sistema óptico de lentes o espejos para formar el haz transmitido. En la práctica, se han utilizado las siguientes fuentes, siempre con algún tipo de modulación para facilitar el procesamiento de la señal en el receptor:

Una bombilla incandescente , modulada mediante la pulsación de la corriente que alimenta el filamento o mediante un modulador mecánico . En sistemas utilizados en exteriores, es difícil que una fuente incandescente compita con la intensidad de la luz solar cuando esta incide directamente sobre el receptor. Además, es difícil lograr frecuencias de modulación que se distingan de las que se producen de forma natural, por ejemplo, por el efecto de calor o por la reflexión de la luz solar en las olas del mar.

Una lámpara de descarga de gas es capaz de superar la potencia espectral de la luz solar directa en el infrarrojo, especialmente cuando se emite en pulsos. Los sistemas modernos de trayectoria abierta suelen utilizar un tubo de destello de xenón alimentado por la descarga de un condensador . Estas fuentes pulsadas están inherentemente moduladas.

Un láser semiconductor proporciona una fuente relativamente débil, pero que puede modularse a alta frecuencia tanto en longitud de onda como en amplitud. Esta propiedad permite diversos esquemas de procesamiento de señales basados ​​en el análisis de Fourier , útiles cuando la absorción del gas es débil pero de ancho de línea espectral estrecho .

Las bandas de paso de longitud de onda precisas utilizadas deben aislarse del amplio espectro infrarrojo. En principio, es posible cualquier técnica de espectrómetro convencional, pero la técnica NDIR con filtros dieléctricos multicapa y divisores de haz es la más utilizada. Estos componentes de definición de longitud de onda suelen ubicarse en el receptor, aunque un diseño comparte esta función con el transmisor.

En el receptor, la intensidad de la señal infrarroja se mide mediante algún tipo de detector infrarrojo . Generalmente se prefieren los fotodiodos, que son esenciales para las frecuencias de modulación más altas, mientras que para longitudes de onda más largas pueden ser necesarios detectores fotoconductores más lentos . Las señales se envían a amplificadores de bajo ruido y, posteriormente, se someten a algún tipo de procesamiento digital . El coeficiente de absorción del gas varía a lo largo de la banda de paso, por lo que no se puede aplicar directamente la ley de Beer-Lambert . Por este motivo, el procesamiento suele emplear una tabla de calibración , aplicable a un gas, tipo de gas o mezcla de gases específicos, y que a veces puede ser configurada por el usuario.

La elección de las longitudes de onda infrarrojas utilizadas para la medición determina en gran medida la idoneidad del detector para una aplicación particular. No solo el gas (o gases) objetivo debe tener un espectro de absorción adecuado , sino que las longitudes de onda deben estar dentro de una ventana espectral para que el aire en la trayectoria del haz sea transparente. Se han utilizado las siguientes regiones de longitud de onda:

• Región de 3,4 μm. Todos los hidrocarburos y sus derivados absorben fuertemente, debido al modo de vibración molecular de estiramiento CH . Se usa comúnmente en detectores puntuales infrarrojos donde las longitudes de trayectoria son necesariamente cortas, y para detectores de trayectoria abierta que requieren sensibilidad de partes por millón. Una desventaja para muchas aplicaciones es que el metano absorbe relativamente débilmente en comparación con hidrocarburos más pesados, lo que lleva a grandes inconsistencias de calibración. Para la detección de trayectoria abierta de concentraciones inflamables la absorción para hidrocarburos que no son metano es tan fuerte que la medición se satura, apareciendo una nube de gas significativa 'negra'. Esta región de longitud de onda está más allá del rango de transmisión del vidrio de borosilicato , por lo que las ventanas y lentes deben estar hechas de materiales más caros y tienden a tener una apertura pequeña .
• Región de 2,3 μm. Todos los hidrocarburos y sus derivados presentan coeficientes de absorción adecuados para la detección en trayectoria abierta a concentraciones inflamables. Una ventaja práctica es que la respuesta del detector a diversos gases y vapores es relativamente uniforme en función del límite inferior de inflamabilidad . El vidrio de borosilicato conserva una transmisión útil en esta región de longitud de onda, lo que permite fabricar ópticas de gran apertura a un coste moderado.
• Región de 1,6 μm. Una amplia gama de gases absorbe en el infrarrojo cercano. Por lo general, los coeficientes de absorción son relativamente bajos, pero las moléculas ligeras muestran líneas espectrales estrechas y bien definidas , en lugar de bandas anchas. Esto da como resultado valores relativamente altos del gradiente y la curvatura de la absorción con respecto a la longitud de onda, lo que permite a los sistemas basados ​​en láseres semiconductores distinguir moléculas de gas de forma muy específica; por ejemplo, sulfuro de hidrógeno o metano , excluyendo hidrocarburos más pesados.

El primer detector de trayectoria abierta ofrecido para uso industrial rutinario, a diferencia de los instrumentos de investigación fabricados en pequeñas cantidades, fue el 'Pathwatch' de Wright and Wright en EE. UU., en 1983. Adquirido por Det-Tronics (Detector Electronics Corporation) en 1992, el detector operaba en la región de 3,4 μm con una potente fuente incandescente y un modulador mecánico . No alcanzó grandes volúmenes de ventas, principalmente debido a su coste y a las dudas sobre su fiabilidad a largo plazo con piezas móviles. A partir de 1985, Shell Research en el Reino Unido recibió financiación de Shell Natural Gas para desarrollar un detector de trayectoria abierta sin piezas móviles. Se identificaron las ventajas de la longitud de onda de 2,3 μm y se presentó un prototipo de investigación. Este diseño contaba con un transmisor-receptor combinado con un retroreflector de esquina a 50 m. Utilizaba una lámpara incandescente pulsada, detectores fotoconductores de PbS en los canales de gas y referencia, y un microprocesador Intel 8031 ​​para el procesamiento de la señal. En 1987, Shell cedió la licencia de esta tecnología a Sieger-Zellweger (más tarde Honeywell ), que diseñó y comercializó su versión industrial como el «Searchline», utilizando un panel retrorreflectante compuesto por múltiples cubos de esquina. Este fue el primer detector de trayectoria abierta certificado para su uso en áreas peligrosas y sin partes móviles. Posteriormente, Shell Research empleó dos fuentes incandescentes pulsadas alternativamente en el transmisor y un único detector de PbS en el receptor, evitando las derivas de cero causadas por la respuesta variable de los detectores de PbS. Esta tecnología se ofreció a Sieger-Zellweger y, posteriormente, se cedió la licencia a PLMS, una empresa participada por Shell Ventures UK. Los PLMS GD4001/2, en 1991, fueron los primeros detectores en lograr un cero verdaderamente estable sin partes móviles ni compensación por software de las derivas lentas. También fueron los primeros detectores de gas infrarrojos de cualquier tipo en obtener la certificación de seguridad intrínseca . La empresa israelí Spectronix (también conocida como Spectrex) dio un importante paso adelante en 1996 con su SafEye, el primero en utilizar una fuente de tubo de destello, seguido por Sieger-Zellweger con su Searchline Excel en 1998. En 2001, el PLMS Pulsar, adquirido poco después por Dräger como su Polytron Pulsar, fue el primer detector en incorporar sensores para monitorizar la alineación mutua del transmisor y el receptor tanto durante la instalación como durante el funcionamiento rutinario.

• Atmósferas explosivas – Parte 29-4: Detectores de gas – Requisitos de rendimiento de los detectores de trayectoria abierta para gases inflamables; IEC 60079-29-4
• Atmósferas explosivas. Detectores de gas. Requisitos de rendimiento de los detectores de trayectoria abierta para gases inflamables; EN 60079-29-4:2010
• Dirección de Salud y Seguridad del Reino Unido, Estrategia contra incendios y explosiones; http://www.hse.gov.uk/offshore/strategy/fgdetect.htm