Cómo medir el dióxido de carbono (CO₂)

El dióxido de carbono y otros gases compuestos por dos o más átomos diferentes absorben la radiación infrarroja (IR) de una forma característica y única. Es posible detectar dichos gases mediante el uso de técnicas de IR. El vapor de agua, el metano, el dióxido de carbono y el monóxido de carbono son ejemplos de gases que pueden medirse por medio de un sensor de IR. Las franjas características de su absorción se muestran en la Figura 1.

La detección de IR es la tecnología más aplicada para la detección de CO₂. Los sensores de IR presentan muchos beneficios respecto de los sensores químicos. Son estables y altamente selectivos del gas medido. Tienen un ciclo de vida extenso y, debido a que el gas medido no interactúa en forma directa con el sensor, los sensores de IR soportan la humedad alta, el polvo, la suciedad y otras condiciones hostiles.

Los principales componentes de un detector de CO₂ de IR son la fuente de luz, la cámara de medición, el filtro de interferencia y el detector de IR. La radiación de IR se traslada desde la fuente de luz a través del gas medido hasta el detector. Un filtro ubicado en la parte de adelante del detector impide que otras longitudes de onda que no sean las específicas del gas medido pasen a través del detector. Así, se detecta la intensidad de la luz y se convierte en un valor de concentración de gases.

El sensor de dióxido de carbono CARBOCAP® de Vaisala utiliza tecnología de detección de IR para medir la concentración volumétrica de CO₂. El sensor cuenta con un filtro específico Interferómetro Fabry-Pérot (FPT) sintonizable eléctricamente para medir la longitud de onda doble. Esto significa que, además de medir la absorción de CO₂ el sensor CARBOCAP® también realiza una medición de referencia, que compensa cualquier cambio que se produzca en la intensidad de la fuente de la luz y también la acumulación de suciedad y la contaminación. Esto hace que el sensor presente un alto nivel de estabilidad con el tiempo. Para obtener más información sobre la gama completa de productos de Vaisala para la medición del CO₂ visite www.vaisala.com/CO2

Figura 1. Absorción de CO₂ O2 de IR y algunos otros gases.

La Ley de gases ideales resulta útil para estimar el efecto de los cambios de temperatura y presión sobre la medición del CO₂. Se puede utilizar para compensar las lecturas de CO₂.

El gas ideal es un gas hipotético compuesto por partículas de puntos idénticos que se desplazan en forma aleatoria cuyo tamaño es insignificante y poseen fuerzas intermoleculares insignificantes. Las moléculas de los gases ideales experimentan colisiones elásticas entre sí y contra las paredes del recipiente.

En realidad, los gases no se comportan exactamente como los gases ideales pero con frecuencia se utiliza la aproximación para describir el comportamiento de los gases reales. En la ley de gases ideales, se establece una relación entre una cierta cantidad de gas y su presión, volumen y temperatura según la siguiente ecuación:

pV = nRT 
donde
p = presión [Pa] 
V = volumen del gas [m3] 
n = cantidad de gas [mol] 
R = constante universal de los gases ideales (= 8.3145 J/mol K) 
T = temperatura [K]

Figura 2. Estructura del sensor de CO₂ CARBOCAP® de Vaisala.

La mayoría de los sensores de gas arrojan una señal proporcional a la densidad molecular (moléculas/ volumen de gas), aún cuando la lectura se exprese en partes por millón (volumen/volumen). A medida que cambia la presión y/o la temperatura, la densidad molecular del gas se modifica conforme a la ley de gases ideales. El resultado se observa en la lectura ppm del sensor.

En los siguientes dibujos se muestra de qué manera el incremento de la presión o la temperatura modifica el estado del gas y cómo afecta la medición de CO₂.

La ley de gases ideales se aplica para calcular la densidad molecular de un gas a una temperatura y presión determinadas, cuando se conoce la densidad del gas en Condiciones Normales de Presión y Temperatura Ambiente (CNPT). Si se reemplaza la cantidad de gas (n) por ρV/M, y se supone que la masa molar del gas (M) se mantiene constante en las dos condiciones diferentes, la ecuación puede escribirse como en la Ecuación 1.

donde
ρ = concentración del volumen de gas [ppm o %] 
p = presión ambiente [hPa]
t = temperatura ambiente [°C]

Equation 1. Calculation of gas concentration at given temperature and pressure.

Es posible utilizar la fórmula de den-idad para estimar de qué manera cambian las lecturas del sensor de gas a medida que cambian la temperatura y/o presión.

La fórmula de densidad se utiliza para compensar las variaciones de temperatura y de presión al medir el CO₂. Los típicos instrumentos de CO₂ no miden la presión y, por lo tanto, no pueden compensar las variaciones de presión automáticamente. Cuando se calibran en la fábrica, los instrumentos se configuran en condiciones de presión sobre el nivel del mar (1013 hPa). Cuando se realizan mediciones en otras altitudes que no sean a nivel del mar, se recomienda compensar el efecto de la presión. Esto puede hacerse de dos maneras: ingresando las configuraciones correctas de presión para la compensación interna (condiciones de presión constante) o programando la compensación en un sistema de automatización o PC (condiciones cambiantes de presión).

Las mismas reglas de compensación se aplican al efecto de la temperatura Sin embargo, cada vez hay más medidores de CO₂ disponibles que miden y compensan las variaciones de temperatura al mismo tiempo y que, en consecuencia, no requieren una compensación externa.

En la Tabla 1 se muestra un ejemplo de los cambios en la lectura del sensor de CO₂ (el gas contiene 1.000 ppm de CO₂ en CNPT) a medida que cambian la temperatura y la presión, conforme a la Ley de gases ideales.

Procesar la ley de gases ideales ofrece otra forma más de comprender lo que sucede cuando la composición de una mezcla de gas varía a presión, temperatura y volumen constantes. Por ejemplo, esto puede utilizarse para estimar el efecto de la humedad cambiante sobre la lectura de CO₂.

Las moléculas de una mezcla de gas existen en el mismo volumen de sistema (el volumen es el mismo para todos los gases) a la misma temperatura. La ley de gases ideales puede modificarse de la siguiente manera:

donde

n_gas1 = cantidad de gas 1 [mol] 
n_gas2 = cantidad de gas 2 [mol], etc.

y

donde

p = presión total de la mezcla de gas
p_gas1 = presión parcial de gas 1
p_gas2 = presión parcial de gas 2, etc.

La segunda ecuación se denomina Ley de las Presiones Parciales de Dalton. La ley establece que la presión total de una mezcla de gas es la suma de las presiones parciales de todos los gases presentes en la mezcla.

Esta información es útil cuando se tiene en cuenta la influencia del vapor de agua en las lecturas de los sensores de CO₂. Cuando se incorpora el vapor de agua a un gas seco a presión, temperatura y volumen constantes, el agua reemplaza a algunas de las moléculas de gas en la mezcla. Del mismo modo, cuando se extrae un gas en un ambiente con alta humedad y se lo deja secar antes de ingresar en la cámara de medición de un medidor de CO₂, la pérdida de moléculas de agua cambia la composición del gas y afecta la medición de CO₂.

El denominado efecto de dilución puede estimarse utilizando la Tabla 2. La concentración de CO₂ en un ambiente con alta humedad puede calcularse cuando se conoce la concentración de CO₂. Para lograrlo, deben conocerse el punto de rocío (T_d a 1013 hPa) o la concentración de agua (ppm) de las condiciones de humedad y sequedad. La condición de humedad del ambiente con alta humedad se selecciona del eje horizontal y la condición del gas secado, del eje vertical.

Ejemplo: Se extrae una muestra de gas de un ambiente con un punto de rocío de 40 ºC (73.000 ppm de agua) a un ambiente con una T_d de 20 ºC (23.200 ppm de agua). La concentración medida de CO₂ de 5,263 % a una T_d de 20 ºC se transforma en 5,00 % en un ambiente con una T_d de 40 ºC (5,263 % x 0,950 = 5,00 %). La lectura más baja se obtiene a partir de la dilución que resulta del mayor contenido de agua a una T_d de 40 ºC.