http://www.revista.ingenieria.uady.mx/volumen15/sensor.pdf

http://www.analesranf.com/index.php/mono/article/viewFile/1068/1065

http://www.acredit.ece.buap.mx/_DOCUMENT%20COMPROBAT%20DE%20AUTOEVALUAC/17_IA%2045%20C.8.1.2/Memorias%20FCE/fmcelect/P-FMC-003.pdf

http://www.saber.ula.ve/bitstream/123456789/23848/1/s_menolasina.pdf

Ejemplos

Ejemplo 1: Sensor de oxígeno (sensor de dos electrodos)
Los gases de combustión y las moléculas de oxígeno contenidas en ellos penetran a través de la membrana permeable al gas hasta el cátodo. Debido a su composición material, tiene lugar una reacción química en el cátodo con la formación de iones OH (los iones son partículas cargadas). Estos iones migran al ánodo a través del electrolito, creando un flujo de corriente proporcional a la concentración de O2. La caída de tensión desarrollada en una resistencia situada en el circuito sirve luego como señal de medición que se utiliza para el procesado electrónico posterior.
La resistencia incorporada con coeficiente de temperatura negativo (NTC), se usa para compensar los efectos de la temperatura, garantizando así que el sensor permanezca estable frente a los cambios de temperatura. La duración de un sensor de oxígeno de este tipo es de unos 3 años.
Ecuaciones de reacción del sensor de oxígeno:
En el cátodo:              O2 + 2H2O + 4e- ------> 4OH-
En el ánodo:               2Pb + 4OH- ------> 2PbO + 2H2O + 4e-
Balance:                  2Pb + O2 ------> 2PbO




 
Ejemplo 2: Sensores para CO, SO2 y NOx (sensor de tres electrodos)
Para componentes del gas tales como CO, SO2 o NOx, se usan sensores con tres electrodos.
El funcionamiento se explica basándonos en un sensor de CO; cómo se aplica esto a los otros componentes se puede ver a partir de las ecuaciones de reacción.
Las moléculas de monóxido de carbono (CO) pasan, a través de la membrana permeable al gas, al electrodo de trabajo donde se forman iones H+ como consecuencia de una reacción química. Estos migran en el campo eléctrico al contraelectrodo, donde se genera un flujo de corriente en el circuito externo mediante otra reacción química desencadenada por el oxígeno (O2) del aire puro, también aportado. El tercer electrodo (electrodo de referencia) sirve para estabilizar la señal del sensor. La duración operativa de este tipo de sensor es de unos 2 años.
La duración de este tipo de sensor es alrededor de 2 años.

Ecuaciones de reacción para el CO
Ánodo:                        CO + H2O     -------->     CO2 + 2H+ + 2e-
Cátodo:                   1/2 O2 + 2H+ + 2e-      -------->     H2O

Otras ecuaciones de reacción
                                    SO2 + 2H2O    ------>      H2SO4 + 2H+ + 2e
                                    NO + 2H2O      ------>      HNO3 + 3H+ + 3e-
                                    NO2 + 2H+ + 2e-   ---->   NO + H2O



Sensor para CO y otros gases (esquema)

 

http://www.academiatesto.com.ar/cms/sensores-electroquimicos
 

Senseores electroquímicos

Una definición clásica del sensor químico es: “pequeño dispositivo que, como resultado de una interacción química entre un reactivo analítico y un elemento  sensor,  transforma información química o bioquímica de tipo cuali o cuantitativo en una señal medible y útil que se representa en una pantalla o registro”. Cuando la determinación se hace a través de un electrolito líquido se denomina al dispositivo Sensor Electroquímico [1].

Un sensor electroquímico consiste en un electrodo sensor (cátodo, donde ocurren  reacciones de reducción, +) que puede ser de plomo (Pb), Plata (Ag). Oro (Au)  o Cadmio (Cd) y un contra electrodo (llamado el electrodo de trabajo, electrodo de medición o ánodo ocurren reacciones de oxidación, signo -) de Platino (Pt) separados por una delgada capa de material electrolito, que generalmente es un gel de una sal inorgánica como el Cloruro de Potasio (KCl, NaCl, AgCl)  a una concentración 0,1 – 3,4 M, o perclorato de litio (sensores de HCN). El gas tóxico que entra en contacto con el sensor reacciona sobre la superficie del electrodo sensor generando una reacción de oxidación o reducción. Los materiales del electrodo, específicamente desarrollados para el gas de interés, catalizan estas reacciones. Se genera un flujo o caudal de electrones que produce una corriente proporcional a la concentración de gas, que puede ser medida para determinar la concentración de gas. [2].

 

Existe una membrana que separa el ambiente exterior del interior del sensor, que esta inmerso en un líquido electrolito, la membrana funciona como una barrera hidrófoba del tipo Zintex (para evitar el ingreso de agua) o Teflón (PTFE), las moléculas del gas ingresan al sensor  y  se produce una oxido-reducción, cerrando el circuito entre el ánodo y cátodo,  los electrones resultantes producidos se  miden con un circuito electrónico, la intensidad de la corriente es proporcional a la cantidad de gas que ingresa a al sensor y en consecuencia con la concertación del gas en el ambiente de trabajo. [3].

Ejemplo de detección de Monóxido de Carbono, CO:

Las reacciones de oxidación  en el ánodo:

2CO + 2H₂O                2CO₂ + 4 H ⁺ + 4e ^–

Las reacciones de reducción  en el cátodo:

O₂ + 4 H ⁺+ 4e^–                         2H₂O

Reacción total en el Sensor:

2CO + O₂                            2CO₂

En esta reacción se genera una corriente eléctrica de 4 e^–           

Los electrodos son de diferentes materiales

Características de los sensores electroquímicos más importantes y que debemos considerar al momento de seleccionar un sensor:

1. Los sensores de celda electroquímica están diseñados para utilizarse como monitores de gases tóxicos.
2. Estos sensores sólo son adecuados para rangos de muy baja concentración (ppm,  ppb y hasta ppt).
3. Para aplicaciones portátiles, el sensor electroquímico tiene muchas ventajas:

• Tiene muy bajo consumo de energía.
• Responde rápidamente a un  gas específico.
• No se ve afectado por la humedad.
• Los sensores sólo están expuestos a gas periódicamente, lo que maximiza la vida del sensor.
• La esperanza de vida es de dos años; sin embargo, dependiendo de del uso y ambiente de trabajo, puede ser mucho más corto.

Hay aproximadamente 20 gases tóxicos que pueden medirse en ppm mediante sensores electroquímicos entre ellos: NH3, CO, CL2 , H2 , HCL, HCN, H2S, NO, NO2 , O2 , O3 y SO2. Para el resto de los gases (para rangos de ppm) se usan sensores de estado sólidos o de Fotoionización (PID) [4].

Los equipos de monitoreo de gases tóxicos de las diferentes marcas disponibles en el mercado tiene como base el funcionamiento de varios sensores de gases instalados en el equipo (frecuentemente hasta 6), debemos aclarar que los fabricantes de los sensores no son los mismos “fabricantes” de los equipos de medición, por ejemplo en el mercado conocemos marcas como MSA, RAE, Speridan, Scott, Draeger etc y algunos usan sensores de marcas como  Synkera, Dart Sensors Ltd,, ATS AGRO, FLOWMEET ARGENTINA, Membrapor, Electrochemical Sensor Technology (EST) Ltd.  y muchísimos más ; esto nos debe permitir hacer una selección más apropiada de equipos de medición con sensores que se adapten a nuestras condiciones de trabajo y lograr mas exactitud y precisión, mas duración y menos necesidad de calibraciones externas.

Existen equipos que son muy resistentes, pero a lo mejor la calidad de las mediciones con los sensores que traen de fábrica presenta algunas desviaciones en función de las características  de cada sensor.

[1] http://calima.univalle.edu.co/revista/vol38_4/articulos/38041355.pdf

[2] http://www.atsintech.com/tablas/ISTBook.pdf 

[3] http://www.flowmeet.com/docs/Tecnologia%20de%20sensores%20H2S.pdf 

[4]  http://www.cdc.gov/niosh/docs/2003-154/pdfs/chapter-h.pdf

Funcionamiento de una celda voltaica.

 

En estos videos podemos observar el funcionamiento de una celda galvanica con electrodos de cobre y zinc, de una forma simple en el primero, y de forma más detallada en el segundo.

Celda electrolítica



Celda galvanica