Tipos de oxímetros y sensores
Los medidores de oxígeno disuelto pueden utilizar diferentes tipos de sensores (electroquímico, polarográfico, amperométrico, galvánico u óptico) para medir la cantidad de oxígeno gaseoso disuelto en una muestra.
Cada sensor de oxígeno disuelto basa su funcionamiento en una tecnología diferente y, por tanto, ofrecen ventajas y desventajas dependiendo de la aplicación en la que se empleen.
Se debe tener en cuenta que cada modelo de instrumento está diseñado para trabajar con un tipo de sensor concreto. Es decir, el medidor de O2 que utiliza un sensor polarográfico, por ejemplo, solo puede utilizar este tipo de sensor y no otro. En consecuencia, es importante realizar la selección del instrumento que mejor se adapta a las necesidades que debemos cubrir.
Estas y otras muchas variables son las que en LabProcess vamos a tener en cuenta cuando te ayudemos a elegir el oxímetro ideal para tu aplicación.
El sensor electroquímico de oxígeno disuelto
Tanto los sensores galvánicos como los polarográficos son sensores electroquímicos de oxígeno disuelto. En un sensor electroquímico, el oxígeno disuelto se difunde desde la muestra a través de una membrana permeable al oxígeno hacia el interior del sensor. Una vez dentro del sensor, el oxígeno sufre una reacción de reducción química que produce una señal eléctrica. Esta señal es la que puede ser leída por un instrumento de oxígeno disuelto.
La diferencia entre un sensor galvánico y un sensor polarográfico es que este último requiere que se le aplique una diferencia de potencial constante y que debe estar polarizado. En cambio, el galvánico se auto-polariza debido a las propias propiedades del material con el que está fabricado. Esto significa que, mientras los sensores galvánicos pueden utilizarse inmediatamente después de la calibración, los polarográficos requieren un tiempo de calentamiento de varios minutos, dependiendo del modelo.
El sensor óptico de oxígeno disuelto
Un sensor óptico de oxígeno disuelto no tiene ánodo ni cátodo, y el oxígeno no se reduce durante la medida. En su lugar, la tapa del sensor contiene un luminóforo (cuerpo emisor de luz) sobre un soporte transparente, y está equipado con un LED azul que emite la luz que activa la luminiscencia del luminóforo y con un LED rojo que sirve de elemento de referencia, un fotodiodo y un conversor electrónico.
El electrodo con la tapa roscada en su extremo se sumerge en el agua o líquido a medir, así las moléculas de oxígeno de la muestra entran, por lo tanto, en contacto directo con el luminóforo.
El LED azul de excitación transmite luz azul pulsada de alta energía, que incide, a través del material de soporte transparente en el luminóforo, al que transfiere parte de su energía radiante. Esto hace que algunos de los electrones del luminóforo salten de su nivel energético básico a un nivel superior. En un intervalo de microsegundos esos electrones retroceden a su nivel original pasando por varios niveles intermedios, y la diferencia de energía se emite en forma de luz roja, permitiendo medidas de gran precisión.
Cuando las moléculas de oxígeno están en contacto con el luminóforo, se producen dos efectos: por una parte, las moléculas de oxígeno son capaces de absorber la energía de los electrones del nivel superior y facilitar su regreso al nivel energético básico sin emitir luz. Cuanto mayor sea la concentración de oxígeno, mayor será la reducción de la intensidad de la luz roja emitida.
Por otro lado, las moléculas de oxígeno también provocan “choques” en el luminóforo, lo que hace que los electrones abandonen el nivel energético superior con mayor rapidez, reduciéndose por lo tanto la duración de la luz roja emitida. A ambos fenómenos se les denomina “quenching” (o extinción).
Sensores ópticos frente a galvánicos
Tanto la medición óptica del oxígeno disuelto como la galvánica presentan ventajas y desventajas. Es importante recordar que ambas tecnologías ofrecen un nivel de precisión similar a la hora de medir la concentración de oxígeno disuelto. Un punto de diferenciación entre ellos es que los sensores galvánicos son dependientes del flujo de oxígeno, de modo que se requiere una velocidad de entrada mínima para mantener la precisión de la medición. Los ópticos, en cambio, no requieren una velocidad mínima de entrada.
Los métodos de medida de oxígeno disuelto clásicos, mediante electrodos amperométricos o galvanométricos requieren que el usuario lleve a cabo un mantenimiento periódico, como la limpieza, la calibración, el cambio de membrana y electrolito, el pulido del ánodo.
El nuevo método de medida óptico en comparación con los métodos electroquímicos, ofrece al usuario considerables ventajas en lo que se refiere a la calidad de los valores medidos y el menor mantenimiento necesario.
Ventajas de los electrodos de O2 ópticos frente a los amperométricos o galvanométricos
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Sin calibración.
El electrodo de O2 óptico mide la concentración de oxígeno en base a una medida de tiempo sin deriva. Todo desgaste o decoloración del luminóforo sobre la cápsula del sensor influye en la intensidad, que no en la duración, de la luz roja emitida, la cual depende exclusivamente de la concentración de oxígeno de la muestra.
Antes de cada medición, los componentes ópticos son ajustados con referencia a un pulso de luz del LED rojo, que es transmitido exactamente por el mismo camino que la luminiscencia emitida. Quedan excluidos entonces los errores provocados por calibraciones defectuosas del usuario.
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Sin cambio de membrana o electrolito.
No necesitan electrolito ni membrana. Lo único que el usuario tiene que hacer es cambiar la cápsula medidora cada cierto tiempo (de uno a dos años de media).
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Gran precisión de medida sin necesidad de agitación de la muestra.
Los métodos de medida electroquímicos clásicos determinan la corriente o la tensión resultantes de la reducción del oxígeno a iones hidróxido en el cátodo. Para compensar este “consumo de oxígeno”, las moléculas de oxígeno deben difundirse continuamente en el electrolito.
El empobrecimiento en moléculas de oxígeno muy cerca del sensor solamente puede impedirse agitando la muestra en la proximidad del sensor.
El método óptico no implica consumo de oxígeno. Las moléculas de oxígeno simplemente tienen que mantenerse en contacto con la capa sensible al oxígeno.
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Insensible a la contaminación.
Si en un electrodo de medida electroquímica la reacción de reducción del oxígeno está limitada debido a que el ensuciamiento de la membrana impide la difusión del gas, se obtendrán resultados de medida bajos.
En el principio de medida óptico no se consume oxígeno. Por tanto, el ensuciamiento por materiales que no consumen oxígeno solamente aumenta el tiempo de respuesta, no produce resultados de medida bajos.
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Sin contaminación del sensor por H2S, CO2, u otros.
El H2S gaseoso hace que en el ánodo de las celdas de medida electroquímicas se forme una capa de sulfito de plata casi insoluble, que las deja inservibles.
El electrodo óptico es resistente al H2S y a muchos otros productos químicos. El sensor puede por lo tanto utilizarse sin problema para aplicaciones difíciles.
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Tiempos de respuesta rápidos.
En el método de medida óptico sólo se requiere que las moléculas de oxígeno entren en contacto con el luminóforo; por lo tanto, los tiempos de respuesta del método se expresan en segundos.
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Excelente sensibilidad a concentraciones de oxígeno bajas.
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Sensor robusto.
La cápsula del sensor es muy resistente a los esfuerzos mecánicos. Se elimina los problemas derivados de las roturas de la membrana de los sensores galvánicos o amperométricos durante el funcionamiento o mientras el usuario está realizando trabajos de limpieza.
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Larga vida útil del sensor.
Qué sensor utilizar en función del entorno
Algunos componentes de la muestra pueden interferir con la precisión de la medición. El sulfuro de hidrógeno, por ejemplo, es un compuesto que se encuentra en las aguas residuales, en los fondos de los lagos y en los humedales y puede permeabilizar la membrana del sensor galvánico.
En este caso, un sensor óptico de oxígeno disuelto sería una mejor opción en estos entornos, ya que no son susceptibles de interferir con el sulfuro de hidrógeno. Por contra, tienen un tiempo de respuesta más lento que los sensores galvánicos. Dependiendo del material de la membrana, estos son entre 2 y 5 veces más rápido que los ópticos. Se trata de una limitación engorrosa en aplicaciones en las que se va a realizar un elevado número de medidas de muestras. No obstante, el tiempo de respuesta no suele ser un factor limitante a la hora de elegir un sensor para aplicaciones de monitorización continua.
