Medición de CO2 en incubadoras – Preguntas y respuestas

El propósito de este documento es responder las preguntas más frecuentes formuladas sobre mediciones de CO2 y productos afines.

El sensor Vaisala CARBOCAP® tiene tres componentes principales: una fuente de luz, un interferómetro y un detector de IR. La fuente de luz se posiciona de manera que ilumine el detector de IR de modo que la luz viaje una distancia fija hasta el detector, donde se mide la intensidad de la luz.

Justo enfrente del detector de IR está posicionado un interferómetro Fabry-Perot (FPI). El FPI es un filtro ajustable que permite que sólo ciertas longitudes de onda de luz pasen a través del detector. El dióxido de carbono absorbe ciertas longitudes de onda y no otras, de manera que el FPI está diseñado para dejar pasar luz sólo de la longitud de onda que absorbe el CO2 (4,26 μm) y una longitud de onda cercana, no absorbente. Vea la ilustración de la derecha.

Cuando el sensor está operando, el FPI es regularmente ajustado hacia atrás y hacia adelante entre las dos longitudes de onda. A la longitud de onda que absorbe el CO2, la intensidad de la luz detectada se reduce en proporción a la concentración de CO2 en la trayectoria óptica. La intensidad de la luz medida en la longitud de onda no absorbente sirve como base de comparación.

Al variar la concentración de CO2, también varía la diferencia entre las intensidades de luz. La relación exacta entre la intensidad de la luz IR y la concentración de volumen de CO2 se determina cuando el instrumento se ha calibrado usando nitrógeno puro (0 ppm CO2) y una concentración conocida de CO2.

El diseño del sensor CARBOCAP® es simple y robusto, usa sólo una fuente de luz y un detector de IR. Esto elimina los errores causados por leves diferencias en los múltiples componentes de diseños de sensores de doble haz. El FPI usado en el sensor CARBOCAP® está micromaquinado a partir de siliconas y no tiene partes móviles, brindando así una confiabilidad muy superior a la de diseños mecánicos de “rueda cortadora de luz”.

A la longitud de onda de absorción de CO2 , la luz es absorbida por el dióxido de carbono presente en el gas. La modulación del FPI deja fuera todas las otras longitudes de onda, de manera que la intensidad de la luz que alcanza el detector IR varía en función de la cantidad de CO2 presente dentro del sensor.

Todos los instrumentos infrarrojos no dispersivos generalmente miden densidad molar (la cantidad de moléculas en la trayectoria del haz). La mayoría de los usuarios prefieren el resultado en porcentaje de volumen, de manera que los instrumentos de CO2 se ajustan para que lo indiquen correlacionando la cantidad de moléculas con una concentración conocida de volumen de CO2.

Como los gases son comprimibles, sus densidades molares cambian al variar la presión atmosférica y la temperatura ambiente, lo que significa que el resultado es dependiente de la temperatura y la presión; véanse las ilustraciones a continuación.

La medición de CO2 tiene que debe ser compensada si las condiciones de la medición se desvían significativamente de las condiciones de calibración, que son 1013 hPa y 25 °C. Consulte las Tablas 1 y 2 para ver la magnitud del efecto de los cambios no compensados de presión y temperatura, de acuerdo con la ley de gas ideal.

Para comprender detalladamente la necesidad de la compensación, primero debe entenderse algo sobre el comportamiento de los gases. En cualquier mezcla de gases, la presión total del gas es la suma de las presiones parciales de los gases componentes. Esta es la Ley de Dalton y se representa de la siguiente manera:

La absorción y la referencia están medidas con el sensor CARBOCAP®.

El FPI se sintoniza a una longitud de onda no absorbente cercana, en la que el detector infrarrojo mide la intensidad total de luz, creando una línea base de comparación. Cualquier cambio en el rendimiento de la fuente de luz, FPI o Detector infrarrojo, afecta igualmente a ambas medidas, preservando la diferencia entre ellas y, por tanto, la calibración del sensor. Esto es clave para la estabilidad a largo plazo del sensor.

La cantidad de cualquier gas en una mezcla puede expresarse como una presión. En el ejemplo del aire, los componentes principales son el nitrógeno, el oxígeno, el dióxido carbónico y el vapor de agua, de modo que la presión atmosférica total está compuesta de las presiones parciales de estos gases.

La presión parcial de cada gas es el producto de su concentración en volumen y la presión total del sistema.

El aire que respiramos se compone de un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno, un 0,9% de argón y aproximadamente un 0,04% de dióxido de carbono. Estos porcentajes se mantienen en líneas generales constantes en la atmósfera, independientemente de la altitud.

La presión media de la atmósfera al nivel del mar es de aproximadamente 1013 hPa, por lo tanto la presión parcial del dióxido de carbono es del 0,04% de 1013 hPa (0,0004*1013), ó 0,405 hPa. Por ejemplo en Denver, Colorado, EE.UU., donde la altitud es de aproximadamente 5280 pies y la presión atmosférica de aproximadamente 834,3 hPa, ese mismo 0,04 % de dióxido de carbono nos da una presión parcial de 0,334 hPa versus 0,405 hPa.

Incluso aunque el CO2 todavía constituye hasta el 0,04 % de la atmósfera a esta mayor altitud, la presión es menor, y cuando la presión disminuye la densidad molar también disminuye. Como los sensores NDIR miden fundamentalmente densidad molar, se debe hacer una compensación cuando se requiera una lectura de porcentaje de volumen o ppmv. La compensación de temperatura también es importante porque al disminuir la temperatura, se incrementa la densidad molar.

La mayoría de los transmisores de dióxido de carbono de Vaisala cuentan con un sensor de temperatura integrado, cuando el dispositivo puede compensar automáticamente las variaciones en la medida relacionadas con la temperatura. Además, también se pueden fijar compensaciones de oxígeno y humedad relativa, pero estos parámetros tienen un efecto menor en la precisión de la medición.

Tabla 1. Efecto de cambios no compensados de presión de las lecturas de %CO2 en un sensor NDIR de acuerdo con la ley de los gases ideales.

Tabla 2. Efecto de cambios no compensados de temperatura de las lecturas de %CO2 en un sensor NDIR de acuerdo con la ley de los gases ideales.

Las mediciones de dióxido de carbono realizadas a temperaturas y presiones diferentes de las condiciones de calibración pueden necesitar una corrección para alcanzar la precisión requerida. La forma más simple de corrección para una lectura en porcentaje de volumen puede hacerse usando una fórmula de acuerdo con la ley de los gases ideales:

En el medidor portátil de dióxido de carbono Vaisala CARBOCAP® GM70, la temperatura y la presión ambientales en el punto de medición pueden configurarse fácilmente en el menú del usuario. Las compensaciones se hacen internamente y el instrumento muestra la medición corregida. La corrección interna también toma en consideración las dependencias causadas por la ley de gases reales, así como los componentes electrónicos y ópticos del instrumento. Para el GM70 la corrección interna es más precisa que la corrección por la ley de gases ideales.

Otra manera de compensar la temperatura es conectar una sonda de humedad y temperatura Vaisala HUMICAP® HMP77B al indicador MI70 junto a la sonda de CO2. La temperatura medida con la sonda puede ajustarse para que se compense automáticamente la lectura de CO2.

Las sondas GMP231 y GMP251 de dióxido de carbono CARBOCAP® de Vaisala tienen compensaciones de temperatura interna, cuando la sonda mide y compensa automáticamente la temperatura. También se pueden fijar compensaciones de humedad relativa y oxígeno para una mayor precisión.

El Vaisala GM70 con la sonda de humedad junto con la sonda de dióxido de carbón.

El GM70 tiene dos métodos alternativos de toma de muestras: por difusión y por aspiración con bomba. La opción de aspiración con bomba está diseñada para extraer muestras en espacios donde no es posible la medición directa basada en la difusión.

Debe tenerse precaución al extraerse una muestra de gas en entornos húmedos, pues las superficies ópticas del sensor NDIR dentro de la sonda y la cámara de bombeo deben protegerse de la condensación.

Es difícil hacer mediciones de incubadoras y cámaras climatizadas, pues la muestra de gas generalmente se extrae de un ambiente a temperatura y humedad elevadas a una sala a temperatura ambiente, lo que produce condensación.

El Vaisala GM70 se usa para verificar el nivel de CO2 en incubadoras.

Puede evitarse la condensación en los tubos y el sistema de muestreo usando un tubo de muestreo de un material llamado Nafion® (disponible como accesorio Vaisala, parte nro. 212807GM).

Tubo de Nafion®, parte Vaisala nro. 212807GM.

La tecnología clave de las tuberías es el Nafion® 1) que es altamente selectivo en la extracción de agua. El agua se mueve a través de la pared de la membrana y se evapora en el aire circundante en un proceso llamado perevaporación. El Nafion® extrae agua por absorción que ocurre como una reacción cinética de primer orden. En aplicaciones de secado, el cambiador de humedad transfiere vapor de agua de una corriente de gas seco a la atmósfera circundante. El secado está completado cuando el nivel de humedad de la muestra es igual al nivel de humedad ambiente. Como el secado actúa como una reacción cinética de primer orden, este nivel puede alcanzarse muy rápidamente, en general dentro de 100 a 200 milisegundos. Este comportamiento hace del tubo el método ideal en aplicaciones en que una muestra muy húmeda se lleva a temperatura ambiente. La humedad de la muestra de gas puede ser reducida con sólo una corta longitud de tubo. Para obtener más información sobre la tubería, véase www.permapure.com.

1 Nafion® es un copolímero de Dupont, de tetrafluoroetileno (Teflón) y ácido
3,6- perfluoro-4-dioxa-7-metil- octeno-sulfónico.

Sistema de muestreo con tubo de membrana de Nafion®.

Cuando se usa la bomba GM70 para extraer la muestra de una incubadora, debe usarse un tubo de Nafion® para eliminar la posibilidad de condensación de humedad en el sistema de muestreo. Se recomienda seguir las siguientes pautas:

⦁ Es deseable tener el tubo de muestreo de Nafion® presente en el punto de transición entre la incubadora y el ambiente. 20 cm de Nafion® en el ambiente son suficientes para transferir vapor de agua de la muestra extraída al ambiente. El resto de la tubería de muestreo puede ser de Neopreno o de otro material. Conecte los tubos usando conectores arponados o algún otro método que evite fugas de aire ambiente hacia la muestra. Mantenga toda la línea de muestreo lo más corta posible.

⦁ Si hace el muestreo a través de la puerta de la incubadora, inserte el tubo de Nafion® en la incubadora y cierre suavemente la puerta, asegurándose de que el sello de la misma no dañe al tubo y cierra herméticamente alrededor del mismo.

⦁ Cuando extraiga una muestra de gas desde una cámara, deben colocarse unos pocos centímetros de la línea de muestreo dentro de la cámara. Si existe el riesgo de condensación dentro de la cámara de la que extrae la muestra, tenga especial cuidado de que el condensado no ingrese al tubo.

⦁ Para verificar que la condensación no haya alcanzado la sonda, puede extraer la sonda de CO2 de la bomba GM70. Al reinsertar la sonda, no empuje la sonda hasta el fondo. En cambio, ponga al mismo nivel los dos empaques circulares con la superficie lisa de la sonda para lograr una conexión hermética.

⦁ Si extrae muestras a través de un orificio u otra puerta de la incubadora, inserte el tubo de Nafion® en la incubadora y selle alrededor.

⦁ Si se hace el muestreo a través de un conector arponado de manguera o puerta de muestreo, use una longitud muy corta de tubo de Neopreno para insertar el conector del tubo de Nafion al conector de la incubadora. Use el Neopreno como un “conector” para mantener el tubo de Nafion® lo más cerca posible del conector arponado. No es aconsejable que el gas de muestra pase a través del de Neopreno, porque dentro del tubo de Neopreno puede producirse condensación.

⦁ Como precaución, mantenga la bomba GM70 sobre el nivel de la puerta de muestreo de la cámara. Si se produce condensación en la línea de muestreo, esto evitará que el agua líquida dañe el sensor de CO2.

Cuando se usa un tubo de Nafion® para secar la muestra, la concentración de CO2 en la muestra seca será evemente mayor que en la muestra húmeda. Esto se debe a un fenómeno llamado dilución. La densidad del CO2 se “diluye” en la incubadora por el volumen que ocupa el vapor de agua. Si se extrae vapor de agua de la muestra, las fracciones ocupadas por otros gases, incluso el CO2, se incrementaran correspondientemente.

La Tabla 3 contiene los coeficientes de dilución para la concentración de gas cuando se seca una muestra de gas. En el eje horizontal se elige el punto de rocío (a 1013 hPa) de la muestra de gas en la incubadora y en el eje vertical el punto de rocío de la muestra de gas en el punto de medición. El punto de rocío de la muestra de gas en el punto de medición puede determinarse con una sonda de humedad (HMP75B, HMP76B ó HMP77B).

Tabla 3 Coeficientes de dilución. Como ejemplo: se extrae una muestra de gas de un ambiente a 40ºC (Td) y se introduce en un ambiente a 10ºC (Td), donde la concentración del gas medido es del 5,32%. En el ambiente a 40ºC (Td), esto corresponde a un 5% de CO2 (5,32% X 0,939= 5.00%) pues el mayor contenido de agua diluyó la muestra.