Cómo medir dióxido de carbono (CO₂)

La medición de dióxido de carbono es un requisito en un rango amplio de aplicaciones: desde automatización de edificios e invernaderos hasta ciencias de la vida y seguridad industrial.

Esta nota resume los fundamentos físicos de la medición de CO2 por infrarrojo, cómo compensar la lectura por temperatura, presión y humedad, dónde ubicar los transmisores según el caso de uso, y los riesgos asociados a la exposición al gas.

Esta nota cubre

• Principio de funcionamiento de los sensores infrarrojos de CO2
• La ley de los gases ideales y cómo compensar la medición por factores ambientales
• Ubicaciones óptimas para transmisores de CO2
• El efecto de la humedad en la lectura de CO2
• Riesgos de seguridad asociados al CO2

La ley de los gases ideales

La ley de los gases ideales es útil para estimar el efecto de los cambios de temperatura y presión sobre la medición de CO2, y permite compensar las lecturas en consecuencia.

Un gas ideal es un gas hipotético compuesto por partículas puntuales idénticas en movimiento aleatorio, de tamaño despreciable y sin fuerzas intermoleculares relevantes. En la práctica, los gases reales no se comportan exactamente así, pero la aproximación describe razonablemente bien su comportamiento.

La ley relaciona el estado de una cantidad de gas con su presión, volumen y temperatura:

pV = nRT

• p = presión [Pa]
• V = volumen del gas [m³]
• n = cantidad de gas [mol]
• R = constante universal de los gases (= 8,3145 J/mol·K)
• T = temperatura [K]

La mayoría de los sensores de gas entregan una señal proporcional a la densidad molecular (moléculas por volumen de gas), aunque la lectura se exprese en partes por millón (volumen/volumen). Cuando cambia la presión y/o la temperatura, la densidad molecular del gas cambia según la ley de los gases ideales — y ese efecto se refleja directamente en la lectura ppm del sensor.

Los instrumentos de CO2 típicos no miden presión y, por lo tanto, no compensan automáticamente sus variaciones. De fábrica, suelen calibrarse a condiciones de presión a nivel del mar (1013 hPa). Al medir en altitudes distintas, se recomienda compensar el efecto de la presión, ya sea configurando el valor correcto para compensación interna (en condiciones de presión constante) o programando la compensación en un sistema de automatización o PC (en condiciones de presión variable). La misma lógica aplica al efecto de la temperatura, aunque cada vez hay más equipos de CO2 que miden y compensan la temperatura internamente, sin necesidad de compensación externa.

La Tabla 1 muestra, a modo de referencia, cómo cambia la lectura de un sensor de CO2 (gas con 1.000 ppm de CO2 en condiciones estándar) según la temperatura y la presión, de acuerdo con la ley de los gases ideales.

Tabla 1. Lectura en ppm de un sensor de CO2 al medir un gas con concentración de 1.000 ppm, bajo distintas condiciones de temperatura y presión.

Ubicaciones óptimas para transmisores de CO2

Evitar ubicaciones donde las personas puedan respirar directamente sobre el sensor. También conviene evitar colocarlo cerca de conductos de entrada o salida de aire, ventanas o puertas.

En ventilación por demanda, los sensores montados en pared entregan datos más precisos sobre la efectividad de la ventilación que los montados en ducto. Los sensores de ducto son más adecuados para sistemas de una sola zona y deben instalarse lo más cerca posible del espacio ocupado, con fácil acceso para mantenimiento.

Cuando el objetivo es medir CO2 por razones de seguridad del personal, los transmisores deben instalarse cerca de los posibles puntos de fuga para permitir una detección temprana. Hay que considerar la geometría, ventilación y flujo de aire del área monitoreada — la cantidad y ubicación de los transmisores debe basarse en una evaluación de riesgo.

El efecto de la humedad en la medición

Las moléculas de una mezcla de gases ocupan el mismo volumen de sistema a la misma temperatura. Según la Ley de Dalton de las Presiones Parciales, la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales de cada gas que la compone.

Esto es relevante para entender la influencia del vapor de agua sobre la lectura de un sensor de CO2. Cuando se agrega vapor de agua a un gas seco en condiciones constantes de presión, temperatura y volumen, el agua desplaza parte de las moléculas de gas en la mezcla. De forma análoga, cuando una muestra de gas se toma de un ambiente de alta humedad y se seca antes de ingresar a la cámara de medición de un equipo de CO2, la pérdida de moléculas de agua cambia la composición del gas y afecta la medición.

Este efecto de dilución puede estimarse con la Tabla 2. Conociendo la concentración de CO2 del gas ya seco, es posible calcular la concentración de CO2 del ambiente de alta humedad original — para esto se necesita el punto de rocío (Td a 1013 hPa) o la concentración de agua (ppm) de ambas condiciones, húmeda y seca.

Ejemplo: se toma una muestra de gas de un ambiente con punto de rocío de 40 °C (73.000 ppm de agua) hacia un ambiente de 20 °C Td (23.200 ppm de agua). La concentración de CO2 medida de 5,263 % a 20 °C Td equivale a 5,00 % en el ambiente de 40 °C Td (5,263 % × 0,950 = 5,00 %). La lectura más baja se debe a la dilución producida por el mayor contenido de agua a 40 °C Td.

Tabla 2. Coeficientes de dilución al secar una muestra de gas.

Dióxido de carbono y seguridad

El dióxido de carbono es un gas no tóxico y no inflamable. Sin embargo, la exposición a concentraciones elevadas puede representar un riesgo para la vida. Cada vez que se utiliza, produce, transporta o almacena CO2 gaseoso o hielo seco, la concentración puede subir a niveles peligrosos. Como el CO2 es inodoro e incoloro, las fugas son imposibles de detectar a simple vista — de ahí la importancia de contar con sensores adecuados para proteger la seguridad del personal.

Este contenido técnico está basado en la investigación de Vaisala sobre sensores de CO2 por infrarrojo. AKRIBIS es partner autorizado de Vaisala para distribución y soporte técnico en América Latina — conozca la línea completa de instrumentación Vaisala.