UNIVERSIDAD DE LA SERENA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO INGENIERÍA DE MINAS
VENTILACION DE MINAS
Prof.: José Chebair P.
Ayudante: Camilo Espinoza C.
Instrumentos para la Medición de la
Concentración de Contaminantes al
Interior Mina
Aplicaciones
INTEGRANTES:
JUAN ARANCIBIA MUÑOZ
MIGUEL PLAZA VELÁSQUEZ
EDUARDO ROJAS VALENZUELA
28 DE OCTUBRE DE 2014
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 2
Contenido
Introducción ...................................................................................................................................3
1. Conociendo la Medición de Gases .............................................................................................4
1.1. Tipo de Detectores para Minería Subterránea .....................................................................5
1.2. Métodos de Detección de Gases .........................................................................................6
1.3. Detectores de Mano ............................................................................................................7
2. Análisis de los Diferentes Medidores .........................................................................................9
2.1. La Flama.............................................................................................................................9
2.1.1. Funcionamiento ..........................................................................................................9
2.1.2. Tipos ...........................................................................................................................9
2.1.3. Lugares de utilización: ..............................................................................................13
2.2. El Canario.........................................................................................................................14
2.2.1. Funcionamiento ........................................................................................................14
2.2.2. Lugares de utilización ...............................................................................................15
2.3. Tubos Colorimétricos .......................................................................................................17
2.3.1. Funcionamiento ........................................................................................................17
2.3.2. Procedimiento de muestro y medición.....................................................................18
2.3.3. Tipos .........................................................................................................................19
2.3.4. Lugares de Utilización ...............................................................................................19
2.4. Detectores Electrónicos ....................................................................................................20
2.4.1. Funcionamiento ........................................................................................................20
2.4.2. Tipos .........................................................................................................................25
2.4.3. Lugares de Utilización ...............................................................................................25
3. Detectores en el Mercado Actual ..............................................................................................26
3.1 Marcas Equipos Digitales .......................................................................................................26
3.1.1. SAEX ..........................................................................................................................26
3.1.2. MSA ..........................................................................................................................28
3.1.3. Dräger .......................................................................................................................30
Conclusiones y Recomendaciones ................................................................................................34
Referencias ...................................................................................................................................35
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 3
Introducción
En minería, uno de los factores más importantes es la seguridad de las personas y sobretodo
su bienestar en las faenas de trabajo, en ámbitos de sustentabilidad, el capital humano es
relevante y por tanto su salud debe ser protegida en la mayor medida posible. Sin lugar a
dudas se reconoce que en las labores mineras existen diversos grados de probabilidad de
adquirir algún problema por las condiciones ambientales de la mina, dentro de algunos
factores como éste es la presencia de gases contaminantes que por condiciones naturales o
artificiales están presentes en las frentes de trabajo y pueden llegar afectar a la salud de las
personas que ingresan a interior mina. Por décadas, en las antiguas explotaciones mineras
las trabajadores buscaban formas para evitar estar en presencia de gases contaminantes
como el reconocido gas grisú (metano) en minas de carbón, donde con técnicas
rudimentarias como ingresar con un ave (canario) a interior mina observaban las
condiciones de ésta, cuando veían su desvanecimiento, ya que estas aves son muy sensibles
frente a la presencia de este gas, los mineros salían de forma inmediata porque eso indicaba
la presencia importante de un gas incoloro e inodoro como el gas grisú que afecta al ser
humano de manera importante e incluso puede llegar a ser letal, por sus efectos en el
sistema respiratorio y circulatorio.
Ahora bien, con el paso de los años, se fueron creando diferentes formas de medir o divisar
la presencia de gases contaminantes, entre ellos destacan las lámparas a carburo, medidores
de gas con reactivos, donde se observa el cambio de color al reaccionar el químico con el
gas contaminante; pero el notable avance de la tecnología en las últimas décadas y la
creación de nuevos dispositivos electrónicos y el indiscutible alzamiento de la minería,
comenzaron a aparecer nuevos sistemas de explotación, nuevos explosivos, nuevos equipos
de trabajo y con ello, a su vez, la presencia significativa en el proceso de gases
contaminantes como monóxido de carbono, dióxido de carbono, humos nitrosos, metano y
otros, que reducen la cantidad de oxígeno en las frentes de trabajo, y con esto se expresa un
peligro para las personas. Es así como el desarrollo humano no ha desconocido este efecto
y es así como ha creado instrumentos que a través de sensores detectan de manera muy
precisa la cantidad porcentual de los gases en un sector determinado en interior mina.
Además, por sistemas reglamentarios, se ha estimado la cantidad pertinente de gases
contaminantes máximo y de oxígeno mínimo que debería estar presente en la frente para
trabajar, con estos instrumentos reconocer este hecho es mucho más fácil y dinámico.
En un ámbito general, el objetivo general del siguiente informe es exponer de manera clara
los instrumentos más reconocidos en minería a nivel nacional e internacional, describir sus
características y diseños, además de sus costos posibles.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 4
1. Conociendo la Medición de Gases
Un medidor o detector de gas es dispositivo capaz de reconocer de manera rápida y
eficiente la presencia de una concentración peligrosa de un gas en el aire y que, a una
determinada concentración, emite una señal óptica y/o acústica de aviso los cuales pueden
ser clasificados como Tipo A o Tipo B, además pueden poner en funcionamiento un
sistema de alerta a la faena minera. Cabe aclarar que un gas es particularmente difícil de
detectar, ya que, en algunos casos no posee olor ni color distintivo.
En la industria, existen diversos tipos de detectores según el o los tipos de gas o gases que
existan, en minería subterránea, la atmósfera minera es una mezcla de muchos gases, los
cuales principalmente destacan en:
Oxígeno: Elemento químico vital que se encuentra como molécula estable O2, lo
normal es que esté en un nivel de 20,9% y su escasez produce agotamiento físico, y
afecta mentalmente a las personas.
Monóxido de Carbono: Compuesto químico gaseoso que es incoloro, inodoro, insípido, tóxico e inflamable producido por la combustión incompleta de
hidrocarburos. Este gas es venenoso en muy bajas concentraciones y explosivo en
un amplio rango (12,5% - 74% en el aire). Se forma en minería subterránea por
incendios y explosiones, detonaciones, calentamiento por fricción, oxidación a bajas
temperaturas y motores de combustión interna.
Dióxido de azufre: Compuesto químico gaseoso que es incoloro, no inflamable, tóxico que se forma por la quema de compuestos que contienen azufre. En minas
subterráneas se forma por la tronadura de ciertos minerales sulfúricos, durante
incendios que envuelven minerales sulfúricos como pirita y por la combustión
interna de motores. Su olor es muy característico y produce asfixia. Se caracteriza
por ser el doble de pesado que el aire y por eso tiende a ir hacia el suelo.
Sulfuro de hidrogeno: Compuesto químico que se reconoce por el desagradable olor que produce, dado que se genera por la descomposición de materiales
orgánicos con componentes de azufre, es un gas incoloro, tóxico y explosivo. Si su
concentración es significativa puede producir una parálisis. Suele aparecer en
túneles debido a que es bastante soluble en agua y puede ser llevado por aguas
subterráneas.
Metano: Es el gas contaminante más común, frecuentemente asociado a minas de
carbón y lugares con rocas carboníferas, aunque si puede ser detectado en menor
grado en otras locaciones mineras. Este gas es incoloro, inodoro, insípido, no
tóxico, altamente inflamable y más ligero que el aire.
Óxidos de Nitrógeno: Los más comunes de estos gases son el monóxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno, los cuales se forman en minas subterráneas
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 5
durante la tronadura y por la operación de motores de combustión interna. Ambos
son extremadamente tóxicos.
Dióxido de Carbono y Amoniaco: Son compuestos químicos gaseoso que pueden llegar a ser mortales en un ambiente cerrado carente de ventilación. Se produce por
escapes en los dispositivos de refrigeración y en botellas.
Cloro: Elemento químico gaseoso que en forma elemental se encuentra como Cl2, su color es verde amarillento, su olor es penetrante, corrosivo, y se trata de un gas
pesado que pueden absorber muchos elementos. No obstante, su conducta hace más
compleja su detección. Se usa principalmente para limpiar piscinas, para purificar el
agua y para blanquear objetos.
1.1. Tipo de Detectores para Minería Subterránea
Alarmas Simples: Se trata de dispositivos que hacen sonar una alarma cuando la concentración de gas supera los niveles admisibles.
Alarmas Luminosas: Son sistemas que, además de audio, incluyen señales luminosas. Suelen contar con tres luces: Amarilla, que significa que hay una falla en
el funcionamiento; Verde, que señala que el funcionamiento es normal, y Roja, que
se activa cuando detecta una fuga de gas.
Detector de Corte: Es un dispositivo algo más complejo que los anteriores, dado
que además de activar la alarma corta el paso del gas. Como es más sofisticado, se
recomienda que su instalación la realice un técnico. Los especialistas aconsejan que
siempre sea un profesional el que instale estos aparatos.
Diseños Atornillados: Se trata de aquellos dispositivos que presentan menos complicaciones de instalación. Son atornillados a la pared y requieren de pilas para
su funcionamiento. Son menos molestos.
Diseños empotrados: Son dispositivos cuya instalación es más compleja porque van empotrados en una caja y, por lo general, requieren un transformador. Llevan
un cableado desde el dispositivo hasta la válvula de corte de gas automática. De
cualquier forma, todos los sistemas se alimentan de energía eléctrica.
Tipo de gas: Se trata de sistemas preparados para detectar un tipo de gas determinado (monóxido de carbono, óxidos de nitrógenos, oxígeno, etc.). Cabe
aclarar que existen diseños que tienen la capacidad de detectar diferentes tipos de
gas.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 6
1.2. Métodos de Detección de Gases
Los principios en los cuales los métodos de detección de gases están basados incluyen
oxidación catalítica, electroquímica, óptica (Infrarrojo sin dispersión y un tipo de
interferómetro), conductividad eléctrica (Semiconductores) y adsorbentes químicos.
- Detectores de Oxidación Catalítica: Son usados para medir la concentración de gases
combustibles, en particular metano y monóxido de carbono, para medir el calor
generado durante el proceso de oxidación o el cambio en resistencia en un circuito
eléctrico (Wheatstone bridge). En el principio de Wheatstone bridge, una pieza del
puente es usado para quemar el gas, de este modo calentar la pieza y causar un
desequilibrio en la resistencia del puente, lo cual es proporcional a la concentración de
los gases combustibles presentes.
- Sensores Electroquímicos: Son sensores que han encontrado la aplicación en la
determinación de la concentración de oxígeno, monóxido de carbono, sulfuro de
hidrógeno y óxidos de nitrógeno. En estos sensores, el gas medido reacciona con un
electrodo especial en un electrolito. Esta reacción genera una corriente eléctrica que es
proporcional a la concentración de los gases presentes.
- Detectores Ópticos: Son básicamente de dos tipos:
a. Detector Infrarrojo Sin Dispersión: Se basa en el principio que gases
diferentes absorben luz en longitudes de onda específicas y distintos. Pasando
luz a través de una mezcla de gas y medir la cantidad de absorción, la
concentración del gas es determinado.
b. Interferómetro: Se basa en la diferencia en el índice de refracción entre dos
gases. Básicamente, un rayo de luz es dividido, una parte se pasa a través de una
cámara rellena con aire y la otra parte pasa a través de una cámara rellena con
una mezcla de gas desconocido. La diferencia en la velocidad de los dos rayos
es proporcional a la concentración del gas de interés.
El método más moderno de detección de gas es el de conductividad eléctrica, que usa tipos
de elementos especiales (semiconductores) que cambia la resistencia en la presencia de
ciertos gases.
El último método de detección de gas el de tubos de manchas, que usa las propiedades
reactivas de los gases y las propiedades químicas para causar cambios de color en la
química. Estos cambios de color son proporcional a la concentración de gas, medido con la
longitud o la intensidad de la mancha.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 7
1.3. Detectores de Mano
El tipo de instrumento más común usado en la industria minera, los detectores de mano, son
pequeños y livianos. Estos son usados para chequear en un punto la calidad del aire en
varias locaciones interior mina. Aquellos gases que están etiquetados en niveles permisibles
han sido testeados y reúne los requerimientos. En general, el rótulo permisible indica
solamente que el instrumento es seguro para usarse en una mezcla de aire-metano. Además,
detectores que son testeados en una mezcla aire-metano no deberían ser usados para hacer
chequeos para gases que son más explosivos que el metano.
a. Lámparas de Seguridad
La lámpara de seguridad de flama es el más antiguo tipo de detector de gas. Por años ha
sido el único dispositivo disponible para chequear el metano. Es también útil para chequear
la deficiencia de oxígeno. Una lámpara de seguridad con flama no quemará en aire sin
metano teniendo un contenido de oxígeno de menos que aproximadamente 16%. En
ambientes que contienen metano, una lámpara de seguridad con flama continuará para
quemar en más bajas concentraciones de oxígeno; sin embargo, con contenidos de oxígeno
de menos que 13%, la lámpara será extinguida a pesar de todo el contenido de metano del
aire. Debería ser recalcado que con un contenido de oxígeno de aproximadamente un 13%,
podría haber una pérdida de conciencia si la exposición es prolongada.
Las lámparas de seguridad de flama deberían estar limpias, en buenas condiciones y
apropiadamente ensambladas porque numerosos accidentes y explosiones, según se dice,
han sido causados por lámparas defectuosas. Las lámparas de seguridad de flama nunca
deberían ser abiertas en interior mina y deberían ser encendidas en entradas de aire. Hoy en
día, una lámpara de seguridad con flama es rara vez usada excepto para evaluar la
deficiencia de oxígeno.
b. Detectores de Metano
Los detectores de mano de metano o metanómetros usa dos métodos básicos de detección:
la oxidación catalítica y la interferometría óptica. Los detectores de oxidación catalítica
operan con el principio de Wheatstone Bridge. Además de detectar metano, este tipo de
detector es sensible para medir altos niveles de hidrocarburos como etano y propano,
hidrógeno y otros gases inflamables. Si estos gases están presentes, causan lecturas
erróneas. Además de ser afectado por otros gases inflamables, el detector de oxidación
catalítica es también sensible para la deficiencia de oxígeno. Testeos han mostrado que este
tipo de detector no debería ser usado cuando el contenido de oxígeno del aire cae bajo
aproximadamente a un 10%.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 8
Los detectores de mano ópticos usados para detectar metano son del tipo interferómetro.
Estos detectores comparan la velocidad de la luz a través del aire puro con la velocidad a
través del aire que está siendo testeado. Los dos rayos de luz están combinados,
produciendo franjas de interferencia. La posición de estas franjas es indicada por la
concentración de metano. Como con el detector de metano de oxidación catalítico, el
interferómetro también es sensible a otros gases como propano y etano que causan altas
mediciones y monóxido de carbono que causa una medición que es más baja a la actual
concentración de metano. Cuando se expone a una mezcla hidrogeno-aire, este tipo de
detector de metano indica una concentración gas negativo. Este detector también es
sensible al dióxido de carbono, vapor de agua y la deficiencia de oxígeno. Los índices de
refracción del dióxido de carbono y el vapor de agua son comparables a las del metano. Un
porciento de dióxido de carbono da una lectura de metano de aproximadamente 1%. Una
disminución del contenido de oxígeno causa que el detector tenga lecturas altas. Cada
porcentaje de disminución en oxígeno resulta en aproximadamente un 2% de indicación de
metano.
c. Detectores de Oxígeno
Los detectores de oxígeno más usados son las lámparas de seguridad de flama. Ahora bien,
se indica que las lámparas de seguridad con flama indican solamente un ambiente de
oxígeno deficiente, la real concentración de oxígeno puede ser medida usando aparatos
líquidos de absorción, tubos de mancha, analizadores paramagnéticos y detectores
electroquímicos o pila de combustible. Los instrumentos disponibles ahora combinan
detectores de metano y detectores de oxigeno un solo dispositivo.
d. Detectores para Monóxido de Carbono y Otros Gases Tóxicos
Todos los gases tóxicos encontrados en interior mina son detectados usando colorímetros
con tubos indicador (Tubos de manchas). Estos dispositivos usualmente consisten de una
bomba mecánica, un orificio limite que regula el rango de flujo de aire, y un tubo de vidrio
que contiene un reactivo químico que es sensible a los gases de interés. Dos tipos básicos
de tubos de manchas son usados en la industria minera. La primera utiliza la longitud de la
mancha generada por la reacción del gas de interés con el reactivo químico en el tubo como
una medida de la concentración de gas. El otro compara la intensidad del tubo del color
creado por la reacción con un color estándar para el tubo. Esto es, algunos tubos son
sensibles a más de un gas. Por esta razón, la persona que hace la medición debería conocer
las características del tubo que está siendo usado.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 9
2. Análisis de los Diferentes Medidores
Existen una serie de instrumentos convencionales para medir la concentración de gases, que
van desde los que utilizaban los antiguos mineros de manera preferente para reconocer las
condiciones ambientales a las que estaban sometidos hasta modernos sistemas de medición
y medidores de alta capacidad, es por ello que es reconocible destacar los siguientes
instrumentos:
2.1. La Flama
2.1.1. Funcionamiento
Este método era utilizado antes para la detección, identificación y en especial para
evaluación de la calidad de la atmosfera en una mina subterránea, este método se producía
debido a una reacción química que provocaba en estar en contacto la llama del fuego con
lugares cerrados o de poco oxígeno.
Con este método se podían medir 2 tipos de situaciones en las mineras, uno de ellos era el
poco oxigeno que existía en el lugar lo cual afectaba a la capacidad de las personas
llevándolas incluso a la inconciencia y el otro la presencia de metano que podía provocar la
muerte de las personas debido a la explosión que conllevaba.
2.1.2. Tipos
2.1.2.1. Fósforo
Este método es uno de los más económicos y de fácil utilización para detectar la deficiencia
del oxígeno que existía en las minas, no está permitido utilizarlo en las minas de carbón
debido a las reacciones químicas que podía producir al estar en presencia de metano.
El oxígeno es un gas que en su estado normal es la fuente de la combustión y mantiene la
vida de las personas. Este gas es incoloro, inodoro e insípido. Y es el elemento del aire que
el hombre respira para subsistir.
El hombre respira más fácilmente y trabaja mejor cuando el contenido del oxígeno se
mantiene aproximadamente en 21%. Cuando baja a 15%, los efectos en él serán respiración
agitada, aceleración de los latidos del corazón, zumbido de los oídos y desvanecimiento.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 10
La pérdida del conocimiento vendrá cuando
el contenido de oxigeno baja del 12%.
La llama de una vela o un fósforo se apaga cuando el contenido de oxígeno baja del 16%.
El encendido de un fósforo dentro de las labores mineras es un buen método para detectar
la deficiencia del oxígeno.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 11
2.1.2.2. La Lámpara
La lámpara de seguridad de flama es probablemente el detector más conocido en las
categorías de reacción química. Hoy en día las lámparas de seguridad son mejores de
aquellas desarrolladas en Inglaterra para la iluminación por Clanay, Davy y Stephensen.
Estas operan bajo el principio de que la flama de una lámpara de aceite incrementara su
tamaño cuando está quemándose en una atmosfera que contiene metano.
Fig. Lámpara de Davy.
Desafortunadamente, la flama disminuye su tamaño en una atmosfera deficiente de oxígeno
y se extinguirá cuando la concentración de oxigeno decae por debajo del 16% del volumen
de aire. Además, cuando se usa en minas subterráneas, muy pocos observadores pueden
determinar confiablemente la concentración de metano en el aire a niveles de concentración
por debajo del 1.25% por lo tanto la lámpara de seguridad debe ser utilizada como un
aparato secundario en la detección de metano.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 12
Bajo Oxígeno. Condiciones Normales. Presencia de Metano.
Muchos operadores usan la lámpara de seguridad de flama junto con otros instrumentos
manuales para hacer pruebas de deficiencia de oxígeno y metano. Cuando se usan
subterráneamente se deberán seguir las instrucciones del fabricante precisamente, porque
muchas explosiones en las minas subterráneas han sido atribuidas al mal ensamble y al uso
erróneo de estas lámparas.
La concentración de metano no deberá exceder 1.0% en volumen del aire en cualquier lugar
donde haya mineros trabajando cuando este sea muestreado.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 13
La presencia de metano en una mina producía la explosión en ella.
Nuevos instrumentos manuales para la detección de gases están reemplazando a la lámpara
de seguridad de flama. Uno de ellos es el monitor de metano y oxigeno MX250 que mide
ambos gases, y el CMX270 el cual mide el metano, oxígeno y monóxido de carbono
2.1.3. Lugares de utilización:
Estos 2 métodos mencionados anteriormente fueron muy utilizados en los siglos pasado por
los mineros en especial por la pequeña minería y en especial por motivos que no se
necesitaba de gran capacidad para poder llevarlos a cabo en una operación minera.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 14
2.2. El Canario
2.2.1. Funcionamiento
El método del canario se ha usado históricamente en las minas de carbón como señal de
alarma de los gases tóxicos como el metano o el monóxido de carbono mataban antes a los
animales que a los mineros, por esa razón los tenían allí. Si los pájaros cantaban, ningún
problema, los mineros disfrutaban de una calma relativa mientras les oían, sin tener que
estar pendientes de ellos en todo momento. Pero si el canario dejaba de cantar, los mineros
salían del agujero corriendo.
¿Por qué los canarios y no otros animales?
Principalmente porque los canarios son muy sensibles al metano y al CO (monóxido de
carbono). En algunas ocasiones se intentaron utilizar otros animales pero ninguno tenía las
capacidades de los canarios para detectar estos gases.
Como puedes imaginar los canarios no les decían a los mineros, ¡eh ustedes! despejad la
zona que no hay oxígeno. Normalmente el canario cuando se introducía en la mina
cantaba. Siempre y cuando el canario cantara significaba que no había ningún peligro pero
si el canario por lo que fuera dejaba de cantar y perdía el conocimiento, significaba que
había que evacuar la zona inmediatamente ya que no era apta para la vida.
Como comprenderás esto no se utiliza hoy en día, hay detectores de gases, sistemas de
ventilación, etc… el uso del canario se fue eliminando de las minas a partir de 1986.
Que no se sigan usando no significa que no debiéramos conocer por qué se utilizaban los
canarios en las minas.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 15
Este método era de gran ayuda para evitar las explosiones en las minas como muestra la
siguiente figura debido a la reacción del gas metano.
2.2.2. Lugares de utilización
Hasta no hace mucho tiempo no existía la tecnología que nos rodea en nuestra vida
cotidiana por eso tuvieron que ingeniárselas para saber cuándo una galería era habitable o
no. Y como siempre, tuvieron una simple y gran idea para remediar un gran problema,
empezaron a llevarse canarios a las profundidades de sus minas para saber cuándo las
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 16
cantidades de oxígeno o de cualquier otro contaminante eran tan bajas o tan altas
respectivamente que no permitían la vida en esa zona.
Uno de los lugares que se utilizo fue en la mina de diamantes más grande del mundo (más
de 500m bajo el nivel del mar) donde el canaria a medida que se iba bajando se podía
determinar si era posible trabajar en ese lugar.
Pero donde este animal se utilizó con más ayuda fue en la minería de carbol donde aquí si
fue un aporte para la pequeña minería que en muchos casos no tenía los medios para poder
realizar las mediciones de otra forma.
Evaluación de gases en una mina.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 17
2.3. Tubos Colorimétricos
2.3.1. Funcionamiento El detector contiene la cantidad precisa de los reactivos apropiados dentro de un tubo de
vidrio de diámetro interior constante, sellado herméticamente por ambos extremos.
Para hacer la medición, se rompen los extremos del tubo detector y se conecta a la bomba
muestreadora. Se procede entonces a jalar la manija de la bomba para tomar un volumen
pre-determinado de la muestra de gas.
El sistema de reactivos dentro del tubo detector reaccionará de inmediato con el gas a medir
de la muestra, desarrollando una coloración específica dentro del tubo detector, a partir del
extremo donde entra la muestra. La concentración del gas se muestra en el punto de cambio
de color en el reactivo. El sistema proporciona una indicación cuantitativa de la
concentración de gas, dependiendo de la longitud de coloración dentro del tubo detector
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 18
2.3.2. Procedimiento de muestro y medición
1. Romper ambas puntas del tubo detector introduciéndolas y doblándolas en el
orificio colocado ex profeso a un lado de la bomba para este propósito.
2. Insertar ahora el tubo detector en la entrada frontal de la bomba con la flecha
indicadora apuntando hacia la bomba.
3. Introducir la manija hasta el fondo, y alinear las marcas guía de la manija con las de
la bomba.
4. Sacar la manija de la bomba hasta la marca del volumen deseado: a la traba de 1/2
ciclo de bombeo (50 ml) o hasta completar todo el ciclo completo (100 ml).
5. Al jalar la manija se introduce a la bomba el volumen previsto de la muestra de gas
y el reactivo empieza a cambiar de color a partir del punto de entrada de la muestra.
El punto de interface entre la parte coloreada y la no coloreada del tubo detector
indica la concentración del gas muestreado. Destrabar la manija girando 1/4 de
vuelta y regresarla al punto inicial, empujándola hasta el fondo.
6. Si se requiere mayor número de ciclos de bombeo para obtener un mayor volumen
de muestra, continuar jalando y metiendo la manija de la bomba hasta completarlos,
sin retirar el tubo detector.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 19
2.3.3. Tipos
Específicamente para este tipo existe una inmensa variedad, ya que para cada gas que se
desee medir, se requerirá un tubo colorimétrico distinto. Y el valor de estos tubos en
general no posee gran variación, siendo vendidos en paquetes de 10 unidades a un valor
entre los 40~50 US$.
2.3.4. Lugares de Utilización
Es principalmente usado en la mediana y gran minería, y de cierto modo también en la
pequeña minería, de por si es una opción bastante económica y confiable, más allá de la
necesidad de en ciertos casos del uso de una bomba, existe la posibilidad del uso sin
bomba, lo cual permite economizar más aún (dando la posibilidad de usarse en la pequeña
minería), pero con el contratiempo de que la medición toma un tiempo mayor en llevarse a
cabo.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 20
2.4. Detectores Electrónicos
Los gases que se forman naturalmente siguen siendo el peligro principal en el aire en la
industria minera y continúan creando en los mineros el riesgo de envenenamiento por
exposición a gases tóxicos, asfixia e incendios o explosión causados por gases combustibles
Los equipos de detección de gases son productos de tecnología de seguridad y son
utilizados preferentemente para proteger a los trabajadores y asegurar la seguridad de la
planta.
Los sistemas de detección de gases están dedicados a detectar concentraciones de gas
peligrosas, para activar alarmas y – hasta donde sea posible – activar contramedidas antes
de que se pueda producir una situación peligrosa para empleados, instalaciones y
medioambiente.
Los equipos para detección de gases pueden ser portátiles (o semi-portátiles) o sistemas
fijos de detección de gases. La seguridad de una zona potencialmente afectada por gases y
vapores peligrosos depende principalmente de la fiabilidad del sistema de detección de
gases, y especialmente de la calidad de los sensores utilizados.
Al contrario que los sensores de equipos portátiles, los sensores fijos incluyendo su
electrónica están en funcionamiento continuamente, año tras año, las 24 horas al día – solo
para estar disponibles para el instante aleatorio de un escape de gas.
2.4.1. Funcionamiento
2.4.1.1. Sensor Electroquímico Muchos gases tóxicos también son muy reactivos y en condiciones adecuadas cambian con
reacciones químicas. El sensor electroquímico es un micro-reactor, que con la presencia de
gases reactivos produce electrones exactamente como una batería. El flujo de electrones es
una corriente eléctrica muy baja pero medible.
Un sensor electroquímico consiste como mínimo dos electrodos (electrodo de medida y
contra electrodo) que tienen contacto eléctrico de dos maneras diferentes: por un lado vía
un medio eléctricamente conductivo llamado electrolito (un líquido pastoso para transportar
iones), por otro lado vía un circuito de corriente eléctrica externo (un simple cable de cobre
para transportar electrones):
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 21
Los electrodos están fabricados de un material especial que también tiene características
catalíticas haciendo posible reacciones químicas en la llamada zona de 3 fases, donde hay
presencia de gas, catalizador sólido y electrolito líquido. El recolector de electrones
oxígeno necesario para esta reacción proviene del aire ambiente. Se conocen más
recolectores de electrones, por ejemplo cloro, flúor, ozono o dióxido de nitrógeno. Así la
corriente de los sensores utilizados para estos gases fluye en dirección invertida. La
corriente se puede medir con un micro-amperímetro.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 22
2.4.1.2. Sensor Catalítico
Bajo ciertas circunstancias los gases y vapores inflamables se pueden oxidar mediante el
oxígeno del aire para liberar calor de la reacción. Normalmente esto se consigue por un
material catalizador especial y adecuadamente calentado, que aumenta ligeramente su
temperatura por el calor de la reacción. Este aumento de temperatura es una medida para la
concentración de gas.
Los llamados pellistores son perlas cerámicas minúsculas y muy porosas (diámetro aprox. 1
mm) rodeando una pequeña bobina de hilo de platino. Hay una corriente eléctrica fluyendo
a través de la bobina de platino de tal manera que el pellistor se calienta a unos cientos de
grados Celsius. Si la perla cerámica contiene un de material catalizador adecuado, la
temperatura del pellistor aumentará con la presencia de gas inflamable, y por consiguiente
la resistencia de la bobina del hilo de platino aumentará. Este cambio en la resistencia con
respecto a la resistencia en aire limpio se utiliza para la evaluación electrónica
CH4 + 2 O2 2 H2O + CO2 + calor de la reacción
Por medio del oxígeno del aire que es absorbido por el material poroso y activado por el
catalizador, el metano gaseoso es oxidado en el pellistor caliente. Además de vapor de agua
y dióxido de carbono se puede medir el calor de la reacción.
Para eliminar influencias por cambios de la temperatura ambiente, se utiliza un segundo
pellistor, que es muy similar pero que no reacciona al gas, porque el pellistor no contiene el
material catalizador o está inhibido de cualquier otra manera. Integrando los dos pellistores
en un circuito de puente Wheatstone tiene como resultado un sensor para la medición de
concentración de gases inflamables, en gran medida independiente de la temperatura
ambiente.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 23
Un pellistor solo, no es adecuado para la detección de gases y vapores inflamables. Hace
falta un segundo para compensar los parámetros ambientales (especialmente temperatura y
humedad). Y debe estar protegido contra explosiones. Mediante una carcasa antideflagrante
y un disco sinterizado resulta un sensor de perlas catalíticas útil.
Un pellistor solo, no es adecuado para la detección de gases y vapores inflamables. Hace
falta un segundo para compensar los parámetros ambientales (especialmente temperatura y
humedad). Y debe estar protegido contra explosiones. Mediante una carcasa antideflagrante
y un disco sinterizado resulta un sensor de perlas catalíticas útil.
El pellistor compensador está fabricado de manera muy similar al pellistor activo, pero no
contiene material catalizador para que no pueda oxidar. Si la temperatura ambiente cambia,
la resistencia de ambos pellistores cambiarán y no hay señal puente. Sin embargo, si hay
presencia de gas, solo la resistencia del pellistor activo cambia y el puente Wheatstone se
desequilibra. Ya que los pellistores del sensor de perla catalítica son calentados hasta unos
450 °C, puede funcionar como una fuente de ignición si el LEL es sobrepasado y la
temperatura de ignición del gas son inferior a 450 °C. Mediante un disco sinterizado se
evita lo siguiente:
Si en el interior del sensor de perla catalítica se produce una ignición, la carcasa del sensor
resistirá la presión de la explosión y la llama es enfriada por debajo de la temperatura de
ignición del gas, y ninguna llama pasa al exterior.
El pellistor activo y el compensador son colocados en una carcasa encapsulada a prueba de
llamas. El gas penetra a través del disco sinterizado al interior del sensor donde es oxidado
por el pellistor activo.
Estas son las características de la llamada encapsulación antideflagrante.
Los sensores de perla catalítica funcionan con un circuito electrónico llamado puente
Wheatstone, que es adecuado para convertir cambios de resistencia muy pequeños en
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 24
voltajes medibles. Si la segunda mitad del puente Wheatstone es colocado en la unidad de
control, el sensor de perla catalítica puede ser conectado a las unidades de control mediante
cables muy largos. Sin embargo, son cortos cuando el sensor es instalado en un transmisor.
2.4.1.3. Sensor Infrarrojo
Considerando el amplio margen de gases y vapores inflamables, uno se da cuenta que la
mayoría de estas sustancias son compuestos químicos que principalmente consisten en
carbono, hidrógeno, oxígeno, y a veces nitrógeno. Estos compuestos orgánicos se
denominan hidrocarburos. Los hidrocarburos tienen propiedades especiales que pueden ser
usados para la medición por infrarrojos de su concentración.
Todos los gases absorben radiación de una manera característica, algunos incluso en el
rango visible (0.4 a 0.8 micrómetros). Esto es por lo que el cloro es verde-amarillo, el
dióxido de bromo y el de nitrógeno son marrón-rojo, el iodo es violeta, etc. Sin embargo,
estos colores solo se pueden ver en concentraciones muy altas y letales. Los hidrocarburos
absorben radiación a un rango determinado de longitud de onda, aprox. de 3.3 a 3.5
micrómetros, y, puesto que el oxígeno, el nitrógeno y el argón no absorben, esto puede ser
usado para la medición de concentración de hidrocarburos en aire.
Un sistema óptico conteniendo una mezcla de por ejemplo metano o propano en aire
atenuará una intensidad de infrarrojo entrante de una manera predecible, y para un gas dado
esta atenuación depende solamente de su concentración.
Aire: los infrarrojos pasan sin ser atenuados, no hay intensidad reducida, no hay señal de
medida
Gas: los infrarrojos pasan atenuados, intensidad reducida, la señal de medida corresponde a
la concentración de gas actual.
Este principio de fotómetro es la base de un equipo de medición por infrarrojos. La
correlación de reducción de intensidad medida por un lado y la concentración de gas en el
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 25
sistema óptico por otro, es realizada por el proceso de calibración: una concentración de gas
definida siempre provoca la misma reducción de intensidad y en consecuencia siempre la
misma señal de medida.
La mayoría de los gases y vapores inflamables son hidrocarburos que casi siempre son
detectables por su característica absorción de infrarrojos.
2.4.2. Tipos
Entre la gran variedad de tipos de aparatos electrónicos portátiles para la medición de
gases, existe una gran variedad, en la cual podemos separar en 2 grupos, medidores los
cuales pueden medir exclusivamente 1 gas (mono-detectores) y los cuales pueden detectar
una variedad de gases (poli-detectores).
2.4.3. Lugares de Utilización
Principalmente usada en la gran minería, por su elevado precio, además de que requiere
mantenimiento, además de calibraciones periódicas.
Un equipo electrónico para la medición de gases puede variar entre los 1000 US$, donde
encontramos medidores simples, mono-detectores, de una vida media baja, a equipos de
mayor calidad y desempeño, poli-detectores, con la capacidad de medir variedad de gases
simultáneamente, con una larga vida útil superando los 4000 US$. Es por esta misma razón
que su uso es principalmente en la gran minería, en proyectos de larga vida media.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 26
3. Detectores en el Mercado Actual
3.1 Marcas Equipos Digitales
En el mundo, existen numerosas empresas que venden diversos instrumentos para la
medición de concentraciones de gas tóxicos, en minería no existen marcas destacadas en el
tema, pero se comprende que cada empresa entrega elementos de excelente calidad y a
precios en coordinación a las funciones que puede llegar a hacer el detector, es por ello que
en los siguientes puntos se presentara algunas marcas que destacan por sus instrumentos.
3.1.1. SAEX
- Detector de Gas Personal – GasWatch
El Gas Detector Personal – GasWatch es el primer monitor para medir gas que puede ser
usado cómodamente en la muñeca como un reloj.
GasWatch es un instrumentos que utiliza un método cómodo y barato, además es manos
libres para un monitoreo constante de los posibles contaminantes como monóxido de
carbono o sulfuro de hidrógeno y para controlar la deficiencia de oxígeno.
GasWatch está construido con vibrador y alarmas audibles y visuales que alertan
inmediatamente a las personas de una condición peligrosa de gas.
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- Detector de Gas Personal SC-01
Es un monitor de gas individual con piezas intercambiables de detector de varios gases
diferentes.
Pesa sólo 215,5 gramos, tiene muchas características que lo diferencian de la competencia.
Por ejemplo, dispone de sensores para amoníaco (NH3), arsina (AsH3), monóxido de
carbono (CO), cloro (Cl2), Diborano (B2H6), Disilane (Si2H6), Germane (GeH4),
seleniuro de hidrógeno (H2Se), sulfuro de hidrógeno (H2S) y fosfina (PH3).
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3.1.2. MSA
- Detectores de Gas Portátil
Detector de gas portátil revestido de armadura de goma resistente y con alarmas LED ultra
brillantes.
Son detectores de gas portátiles operados por un medidor de gas certificado que acompaña
a cada equipo de túnel subterráneo. Este equipo, reconocido como el canario moderno,
reconoce el contenido de oxígeno, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de
carbono, dióxido de nitrógeno y gases explosivos como metano. Además, si detecta ciertos
gases explosivos o peligrosos a niveles llevó las luces parpadean y suena una alarma
audible.
Los niveles de gas dictan que sigan los procedimientos de seguridad estrictos los equipos.
Si se detectan niveles de gas en 10% LEL o límite explosivo menor, entonces medidas se
toman para aumentar la ventilación del túnel. Trabajo puede continuar, pero debe realizarse
con sumo cuidado. Si los niveles de gas alcanzan 20% LEL entonces energía eléctrica es
apagado y los mineros deben evacuar el túnel.
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3.1.3. Dräger
- Dräger X-am 7000
El Dräger A-am 7000 es la mejor solución para la detección simultánea y continua de hasta
cinco gases. Una combinación de más de 25 sensores flexibles para tareas de motorización
individuales. El Dräger A-am 7000 puede ser equipado con tres sensores electroquímicos y
dos sensores a combinar entre catalíticos, dos infrarrojos o un sensor de fotoionización. Es
el compañero ideas en una gran variedad de aplicaciones donde es necesaria una
motorización rápida y fiable de oxígeno, además de gases y vapores tóxicos y/o
combustibles en el ambiente.
Equipo con protección incorporada contra polvo y humedad, el Dräger X-am 7000 puede
sumergirse sin que se dañe hasta 1,5 m. Además una funda protectora de goma
especialmente diseñada protege al equipo contra daños debidos a golpes y vibraciones.
La amplia gama de más de 25 sensores Dräger permite la detección de más de 100 gases y
vapores diferentes.
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- Dräger X-am 5000
A pesar de su amplia funcionalidad, el Dräger X-am 5000 destaca por su ergonomía y
reducido tamaño, lo que garantiza al usuario una gran comodidad de transporte. De diseño
práctico y funcional, el panel de control de dos botones y el sencillo menú facilitan el uso
intuitivo del equipo. Asimismo, el equipo viene equipado de serie con una memoria para
almacenamiento de datos medidos, que se pueden evaluar y analizar con el software para
PC Dräger Gas Vision.
El sensor catalítico mide concentraciones de 0-100% LIE para gases explosivos y de 0-100
Vol. % de metano. El concepto de calibración facilita el ajuste incluso con vapores. Con la
máxima sensibilidad el equipo avisa de forma rápida del peligro de gases y/o vapores
explosivos.
El Dräger X-am 5000 está protegido contra agua y polvo, que garantiza que el equipo sigue
funcionando correctamente incluso después de caer al agua. La funda protectora de goma
integrada así como los sensores resistentes a los golpes ofrece una seguridad adicional en
caso de impactos y vibraciones. Además el Dräger X-am 5000 tiene protección total a las
radiaciones electromagnéticas.
Los sensores pueden ser sustituidos, cambiados o ajustados a otros gases con gran facilidad.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 32
Una bomba externa opcional, que puede ser utilizada con una sonda de hasta 20 m de
longitud, es la solución ideal para aplicaciones en mediciones de entrada en espacios
confinados así como control en tanques, pozos, etc. Al introducir el equipo de medición la
bomba se activa automáticamente.
- Dräger Pac 7000
El Dräger Pac 7000 tiene como característica un menú integrado en que se puede
seleccionar el modo test de prueba (bump test), calibración de aire fresco o calibración de
sensibilidad. El equipo está equipado con un interfaz infrarrojo y puede comunicarse al PC
via un módulo de conexión o el sistema Dräger E-cal. Los programas de software Dräger
Pac Vision o CC-Vision se pueden instalar en cualquier PC para configuración de estas
funciones, así como para calibración o descarga de datos almacenados. Asímismo los
equipos disponen de una memoria estándar para almacenamiento de datos, que podemos
evaluar con el software para PC Dräger Gas Vision.
Combinado con una alarma vibratoria se activan una alarma acústica y óptica al sobrepasar
los dos niveles de alarma ajustables. Para una percepción óptima se emplea una alarma de
dos tonos. Adicionalmente el Dräger Pac 7000 dispone de una alarma de exposición TWA
y una alarma STEL ajustables. Al final de la capacidad de pila así como en el caso de fallos
en el equipo también suena una alarma de aviso.
La carcasa del Dräger Pac 7000 está recubierta con una protección de goma y es resistente a
golpes y los productos químicos más corrosivos. El equipo cumple los requisitos de la
IP 68. El Dräger Pac 7000 es un equipo de vida de uso ilimitada, diseñado para asegurar
largos periodos de funcionamiento. La batería y el sensor pueden ser sustituidos fácilmente
sin ninguna herramienta especial. Asimismo, el filtro de partículas y humedad del frontal
del equipo se puede cambiar de forma sencilla cuando esté obstruido a causa de polvo o
suciedad.
Está equipado con una nueva tecnología de sensores miniaturizados Dräger XXS. El
pequeño tamaño del sensor apoya el diseño orientado al uso del equipo. Debido a unas
cortas distancias de difusión en el equipo y tiempos de reacción electroquímica muy
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rápidos en los nuevos sensores Dräger XXS, los peligros por concentración de gases son
mostrados inmediatamente.
- Dräger MSI EM200
Todos los componentes están fijados mediante la carcasa interior EPP y protegidos de
forma excelente por espuma de poliuretano en una carcasa externa. De este modo se
presenta una construcción especialmente resistente al impacto y a choques.
Valores medidos
Oxígeno.
Temperatura ambiente.
Temperatura del humo.
Tiro de chimenea, P en hPa.
Dióxido de carbono.
Presión diferencial.
Monóxido de Carbono, NO, NO2 o SO2, dependiendo de la versión.
Características
Memoria de datos.
Sensores electroquímicos.
Bomba integrada.
Pantalla de caracteres gráficos (con iluminación de fondo).
Emisor infrarrojo integrado.
Acondicionador de muestra, protegido (trampa de condensados y filtros).
especialmente resistente a golpes por la fijación de componentes en la carcasa interior
con espuma EPP.
Placa imantada.
Opción: descarga de datos del controlador digital del quemador con el Dräger MSI
Dual BCI-S o Dräger MSI Smart BCI.
Detención automática de la bomba en caso de que se exceda el rango de medición de
CO.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 34
Conclusiones y Recomendaciones
El crecimiento urbano e industrial de las últimas décadas ha ocasionado un aumento
significativo de la contaminación ambiental, en específico lo que se considera la
contaminación química, que es un riesgo para la salud del ser humano. Sin lugar a dudas, la
minería produce toda una serie de contaminantes gaseosos, líquidos y sólidos, ahora bien,
las emisiones entregadas en términos de volumen son muy menores en comparación a otras
actividades industriales. Es así, como para evitar que los trabajadores sufran efectos
nocivos por la deficiencia de oxígeno en zonas de aire viciado por presencia de gases
contaminantes, se han establecido estándares ambientales de la cantidad de gases en las
zonas sobretodo en interior mina, donde la ventilación es menor. Diversos fabricantes por
años han elaborado y construido diversos instrumentos de medición de las concentraciones
de gases, desde elementos muy sencillos hasta artefactos de alta calidad, exactitud y
precisión. La tecnología ha permitido crear instrumentos que van más allá de lo reconocido
hace no más de una década donde instrumentos manuales y elementos sencillos permitían
reconocer la presencia de un gas nocivo, como utilizar aves, encender velas, utilizar
sensores lumínicos, reactivos u otro; hoy todo eso ha cambiado, instrumentos de alto poder
sensitivo utilizan incluso sensores láser, reconocimiento de una gran diversidad de gases
con un mismo dispositivo en el lugar y de forma rápida e inmediata, además los costos no
son elevados y poseen dimensiones dinámicas y de fácil manejo, incluyendo una
manipulación sencilla, avisos lumínicos y sonoros al estar en presencia de gases
contaminantes con una concentración sobre la establecida en el mismo aparato y a través de
una pantalla expresa la concentración numérica del gas. Se ha reconocido que con estos
instrumentos se ha reducido la cantidad de contaminante y además la exposición constante
de las personas a gases letales para la salud.
Los instrumentos reconocedores de concentraciones de gases son muy importantes de
poseer en toda mina subterránea, ya que sin dudas los gases nocivos van a estar presente
por las explosiones de avance y la utilización de equipos que utilizan combustibles.
Encontrar instrumentos de gran calidad en la actualidad es fácil y se deben estimar los
recursos para adquirirlos, ya que son extremadamente relevantes.
Instrumentos para la Medición de la Concentración de Contaminantes al Interior Mina 35
Referencias
Hartman, H. et al (1997). Mine Ventilation and Air Conditioning. Third Edition, 730.
Novitzky, A. (1962). Ventilación de Minas. Primera Edición, 554.
Gas Detection through the Ages. Recuperado de:
http://ehstoday.com/industrial_hygiene/instrumentation/gas-detection-ages-0501
Análisis de los Gases de las Minas. Recuperado de:
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3075/Capitulo2.pdf
Catálogo de Instrumentos. Recuperado de:
http://www.draeger.com/sites/es_csa/Pages/default.aspx
Catálogo de Instrumentos. Recuperado de: http://cl.msasafety.com/
Catálogo de Instrumentos. Recuperado de:
http://www.intrinsically-safe-instruments.com/sa-ex-instruments.html
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