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¿Cuáles son los diferentes tipos de sensores de oxígeno disuelto en agua?
¿Sabías que los sensores de oxígeno tradicionales, como los sensores electroquímicos de OD, tienen una vida útil limitada de aproximadamente 3 años, mientras que los sensores ópticos de OD modernos pueden durar varios años? La enorme diferencia en la vida útil se debe a su mecanismo de funcionamiento y a sus requisitos de mantenimiento. Comprender estas diferencias entre los tipos de sensores es crucial para seleccionar el detector adecuado.
Monitorear los niveles de oxígeno disuelto (OD) es crucial para mantener la calidad del agua. En aplicaciones como la vida acuática, el tratamiento de aguas residuales, la acuicultura y los procesos industriales, la medición precisa del OD es crucial. Conocer el OD permite un control preciso de la aireación, el cumplimiento normativo y la monitorización de los ecosistemas.
Existen principalmente dos tipos de sensores de oxígeno disuelto (OD): electroquímicos y ópticos. Esta guía explorará cada tipo, detallando su principio de funcionamiento, ventajas, limitaciones y aplicaciones típicas. También incluye una breve guía sobre cómo seleccionar el sensor adecuado para sus necesidades específicas. ¡Continúe leyendo para aprender todo sobre la monitorización del oxígeno disuelto (OD)!
1 Fundamentos de la medición del oxígeno disuelto
Antes de sumergirnos en la ingeniería y la química de los sensores DO, ¡primero entendamos qué es realmente el DO!
♦ ¿Qué es el oxígeno disuelto?
El oxígeno está presente en el agua, por lo que la vida acuática puede sobrevivir bajo el agua. La disolución de un gas, como el oxígeno, en el agua requiere un proceso llamado difusión. Para que un gas como el oxígeno se disuelva, según la Ley de Henry, su presión parcial debe ser mayor en el aire que en el agua.
Dado que la atmósfera contiene aproximadamente un 21 % de oxígeno, siempre existe una presión parcial de oxígeno que ejerce fuerza sobre la superficie del agua, impulsando las moléculas hacia el agua. Podemos medir la cantidad de oxígeno disuelto (OD) en el agua en miligramos por litro (mg/L) o partes por millón (ppm).
♦ ¿Por qué es importante medir el oxígeno disuelto?
Un ambiente acuático sano suele tener una concentración de oxígeno disuelto de 5 a 6 mg/L o superior. En casos como los procesos industriales, donde se utilizan tuberías metálicas, los altos niveles de oxígeno disuelto pueden provocar una corrosión acelerada. Esto representa un problema importante en industrias como la generación de energía, la manufactura y el petróleo y el gas, donde se utilizan tuberías y calderas metálicas para transportar agua.
Para obtener resultados precisos, es necesario comprender los desafíos que presenta la medición de OD en el agua. Los valores que se leen correctamente pueden parecer inexactos en algunos casos. En otros, incluso pueden no ser del todo correctos. Las siguientes condiciones pueden comprometer la fiabilidad de los resultados:
- Deriva: Tras la calibración, los sensores pueden empezar a desviarse de su valor real. En los sensores electroquímicos, esto puede deberse a la degradación del electrolito y la membrana. En los sensores ópticos, puede deberse a la lenta degradación del colorante fluorescente.
- Ensuciamiento: La capacidad de detección del sensor puede verse afectada por fenómenos biológicos, químicos o físicos. El ensuciamiento crea una barrera entre el agua y el sensor, impidiendo que el oxígeno llegue al elemento sensor.
- Temperatura: La temperatura del agua puede afectar la solubilidad del oxígeno en agua y la eficiencia del sensor. Por eso, los sensores modernos cuentan con compensación de temperatura.
- Salinidad: Un mayor contenido de sal provoca una disminución del valor de OD. Por lo tanto, un sensor también debe tener un sistema de compensación para el contenido de sal en el agua.
- Presión atmosférica: La concentración de oxígeno en el agua varía con la altitud a medida que aumenta la presión atmosférica. Como ya se mencionó, la presión de las partículas puede fluctuar, lo que provoca cambios en los niveles de oxígeno.
- Interferencias químicas: Ciertas sustancias químicas pueden interferir con los sensores de oxígeno disuelto electroquímicos u ópticos. Por lo tanto, considere la presencia de sustancias químicas que puedan alterar las lecturas.
2 Descripción general de las tecnologías de sensores de oxígeno disuelto
Los sensores pueden proporcionar valores en tiempo real, generalmente con un tiempo de respuesta de 30 a 60 segundos. Este tiempo es el que tarda el sensor en obtener el 90 % de su lectura estable final tras un cambio repentino en la concentración de oxígeno disuelto. Este tiempo es el mismo para los dos tipos principales de tecnologías de detección de oxígeno:
- Sensores electroquímicos (amperométricos, polarográficos, galvánicos).
- Sensores ópticos (fluorescencia/luminiscencia).
La elección depende de la aplicación y del grado de precisión requerido. A continuación, se presenta una breve tabla con detalles de ambos tipos:
Característica | Sensores electroquímicos de DO | Sensores ópticos de DO |
Exactitud | ±0,2 – 0,5 mg/L | ±0,1 – 0,3 mg/L |
Resolución | 0,1 mg/L típico | 0,01 mg/L típico |
Tiempo de respuesta (T90) | Rápido (segundos) pero requiere agitación para evitar el agotamiento de O₂ | <100 segundos; preciso incluso en agua quieta |
Mantenimiento | Recargas de electrolitos altos, reemplazo de membranas, limpieza de electrodos | Bajo: solo reemplazo de tapa (aproximadamente 2 años) |
Deriva/Estabilidad | Mayor deriva debido a la degradación del electrolito/electrodo | <0,3 mg/L por año de deriva; altamente estable |
Durabilidad/Vida útil | 1–2 años (desgaste de electrodos y electrolitos) | 5–7 años para el cuerpo del sensor; 2 años para la tapa |
En la siguiente sección, profundizaremos en estos sensores, sus mecanismos de funcionamiento y qué hace que un sensor sea mejor que otro en aplicaciones específicas.
3. Sensores electroquímicos de DO
3 .1. Principio de funcionamiento
El proceso electroquímico es una reacción química que genera electricidad como subproducto. La cantidad de corriente eléctrica es directamente proporcional al gas producido en la reacción química. Es el principio básico que sustenta el funcionamiento de todos los sensores electroquímicos.
Para comprender los sensores electroquímicos de oxígeno disuelto (OD), imagine dos electrodos, un cátodo y un ánodo, sumergidos en una solución electrolítica. El cátodo suele estar hecho de platino u oro, mientras que el ánodo suele estar compuesto de plata o plomo. La solución electrolítica suele ser cloruro de potasio (KCl) o hidróxido de potasio (KOH), ya que no interfiere con la reacción química con el oxígeno. Una membrana permeable separa el líquido de muestra que contiene oxígeno de la solución electrolítica. Esta membrana permite que el oxígeno se difunda a través de la membrana. La velocidad de esta difusión es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno en el agua.
La reducción en el cátodo provoca una ganancia de electrones
O2+2H 2O + 4e− → 4OH−
La oxidación en el ánodo provoca la liberación de electrones
4Ag+4Cl − →4AgCl+4e −
El flujo de corriente se mide utilizando un amperímetro, que es directamente representativo del oxígeno en el agua.
3 .2. Sensores polarográficos de DO
Como su nombre indica, requiere un voltaje externo para iniciar el proceso de polarización. Un voltaje de 0,8 V provoca la reducción de oxígeno en el cátodo. Proporciona resultados precisos, pero se recomienda su uso con muestras de gran tamaño. Al utilizar alimentación externa, no se consume el ánodo cuando no se suministra energía.
- Tiempo de calentamiento: tarda entre 10 y 15 minutos en comenzar a proporcionar un valor estable debido a la polarización.
- Mantenimiento: Requiere calibración frecuente.
3.3 . Sensores de DO galvánicos
Los sensores electroquímicos de DO de tipo galvánico son autoalimentados. Esto significa que los dos electrodos, el cátodo y el ánodo, producen una diferencia de voltaje suficiente para impulsar una reacción.
- Tiempo de calentamiento: Sin alimentación externa ni calentamiento. Proporciona lecturas instantáneas.
- Mantenimiento: El ánodo se consume continuamente, lo que produce una menor vida útil y requiere mantenerlo en un entorno de "cero DO".
4 Sensores ópticos de DO
4 .1. Principio de los sensores de DO ópticos/fluorescentes
Los sensores de oxígeno disuelto (OD) más eficientes y ampliamente utilizados se basan en un mecanismo óptico/fluorescente. Estos sensores utilizan el fenómeno de extinción de la fluorescencia para medir el OD.
- El sensor consta de un tinte luminiscente y un cuerpo que contiene un LED y un fotodetector. El LED proyecta luz azul sobre el tinte, lo que provoca que alcance un estado excitado. Cuando los electrones excitados alcanzan su estado estable, emiten luz.
- En el caso en que el oxígeno se absorbe en el tinte luminiscente, la luz azul excita el electrón, pero el oxígeno absorbe parte de su energía, lo que reduce la emisión de luz al volver a su estado estable.
La medición del cambio de luz a través de la salida del fotodetector proporciona un valor directo del oxígeno presente en el medio en contacto con el tinte de luminiscencia.
Su proceso de instalación también es muy cómodo y sencillo, como se muestra aquí:
4.2 . Ventajas del sensor óptico de DO sobre los tipos electroquímicos
Los sensores ópticos de OD ofrecen numerosas ventajas sobre los sensores electroquímicos. Son estables, precisos en agua estancada o con bajo contenido de OD, requieren poco mantenimiento, requieren una calibración mínima y tienen una larga vida útil. Estas son las principales razones por las que se prefieren los sensores ópticos de OD a los sensores electroquímicos:
- Sin consumo de oxígeno → funciona en agua estancada.
- No requiere agitación → Preciso en muestras quietas.
- Calibración mínima y baja deriva → mantiene la calibración durante meses.
- Bajo mantenimiento → solo reemplazo de tapa cada 2 años.
- Sin tiempo de calentamiento → funcionamiento instantáneo.
- Mejor estabilidad a largo plazo → resistente al H₂S y a la bioincrustación.
- Mayor precisión en niveles bajos de DO → confiable en entornos hipóxicos.
- Mayor vida útil → el cuerpo del sensor dura entre 5 y 7 años.
4.4 . Aplicaciones de los sensores ópticos de DO
Los sensores ópticos de oxígeno disuelto (OD) son mucho más robustos y ofrecen una amplia gama de aplicaciones. Su mantenimiento y configuración son sencillos, lo que los convierte en la opción ideal para:
- Acuicultura
- Aguas residuales
- Laboratorios de investigación
- Monitoreo ambiental
- Tratamiento de agua potable
5 Cómo elegir el sensor de oxígeno disuelto adecuado
Seleccionar el sensor de oxígeno disuelto adecuado requiere una evaluación cuidadosa de su aplicación. Considere esta breve guía paso a paso para encontrar el sensor de oxígeno disuelto ideal:
Paso 1: Considerar las solicitudes
Para aplicaciones que requieren monitoreo continuo a largo plazo, los sensores ópticos suelen ser la opción preferida debido a su estabilidad y bajo mantenimiento. Para comprobaciones rápidas sobre la marcha, los sensores electroquímicos galvánicos son ideales, ya que proporcionan lecturas instantáneas sin un tiempo de calentamiento de hasta 15 minutos.
Paso 2: Qué tan precisas necesitan sus lecturas
Si bien ambos tipos pueden ser muy precisos, los sensores ópticos ofrecen una estabilidad superior a largo plazo y son menos propensos a la desviación de la señal. Para aplicaciones que requieren una respuesta rápida a cambios repentinos de oxígeno disuelto (OD), algunos sensores electroquímicos ofrecen un tiempo de reacción ligeramente más rápido, de tan solo 10 a 30 segundos. Los sensores ópticos suelen responder en 30 a 60 segundos.
Paso 3: ¿Puedes tolerar un mantenimiento regular?
Si su aplicación puede soportar un mantenimiento frecuente, el menor costo inicial de un sensor electroquímico puede ser una buena alternativa, ya que estos requieren limpieza y reemplazo de electrolitos regulares. Para un enfoque sin intervención y de bajo mantenimiento, un sensor óptico es la mejor opción, ya que solo requiere un cambio de tapa cada 1 o 2 años.
Paso 4: Considere su presupuesto
Un sensor electroquímico tiene un precio de compra inicial más bajo. Sin embargo, si se considera el costo a largo plazo de las piezas de repuesto y el tiempo de mantenimiento, un sensor óptico puede tener un costo total de propiedad menor a lo largo de su vida útil, que puede ser de varios años.
Paso 5: Evaluar el entorno
Para entornos con interferencias químicas como el cloro o el sulfuro de hidrógeno, un sensor óptico suele ser más robusto, ya que estas sustancias químicas no afectan su principio de medición. Asegúrese de que el sensor tenga compensación de temperatura y presión para obtener lecturas precisas en entornos variables, ya que un cambio en la presión atmosférica puede alterar las lecturas hasta en 0,5 mg/L.
Conclusión
La capacidad de medir el oxígeno disuelto (OD) de forma precisa, consistente y rápida, sin interferencias químicas, depende del tipo de sensor de OD elegido. Como ingeniero o científico, debe considerar las ventajas y desventajas de cada tipo para tomar una decisión informada. Los sensores de OD de tipo electroquímico son excelentes, ya que son más sencillos y económicos, pero requieren un mantenimiento frecuente y presentan una mayor deriva. Por otro lado, los sensores ópticos requieren poco mantenimiento, son muy estables y duraderos, lo que los hace ideales para la monitorización a largo plazo.
La robustez de los sensores ópticos los convierte en el tipo de sensor de oxígeno disuelto más utilizado. Fabricantes como Rika ofrecen sensores de alta precisión, como su modelo RK500-04. Este ofrece:
- Alto nivel de precisión, con una resolución de 0,01 mg/L y una precisión de ±0,5% FS.
- Tiempo de respuesta rápido de menos de 60 segundos.
- Diseño integrado sin transmisor externo.
- La sonda está hecha de acero inoxidable 316L o aleación de titanio para su uso en entornos corrosivos como el agua salada.
- Una clasificación de protección de ingreso IP68 para mayor durabilidad.
- Compensación automática de temperatura en un amplio rango y una salida RS-485.
Si está interesado en encontrar una amplia gama de sensores DO con un diseño robusto, considere visitar el sitio web de RIKA para explorar todas las opciones.
Preguntas frecuentes (FAQ)
P1: ¿Qué industrias utilizan sensores de oxígeno disuelto?
Las industrias, independientemente de si requieren oxígeno o no, pueden utilizar sensores de oxígeno disuelto para obtener valores de OD en tiempo real. Industrias como la agricultura, la pesca, el tratamiento de aguas residuales, las plantas de tratamiento de agua potable y diversos sectores (incluidos los de bebidas y farmacéuticos) utilizan sensores de OD para la monitorización de la calidad del agua en tiempo real.
P2: ¿Cuál es el efecto de la temperatura en las mediciones de oxígeno disuelto?
La temperatura puede afectar la precisión de los sensores de oxígeno disuelto (OD), ya que la solubilidad del oxígeno disminuye con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, es necesario recalibrar los sensores para nuevas condiciones de temperatura. Los sensores de OD modernos incorporan compensación de temperatura, lo que les permite funcionar en cualquier condición de temperatura. Sin embargo, trabajar en condiciones extremas (efluentes calientes, lagos fríos) requiere una calibración cuidadosa.
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