UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA Y MINERA Y METALÚRGICA

Ciclo de actualización de conocimientos

Tema: Sensores electrónicos para automatizar una mina

Exponente: Ing. José Corimanya.

Alumno: Juan Baudazio Martínez.

Fecha: 13/04/2013

En las minas metálicas como no metálicas, pueden encontrarse diversos gases que están

normalmente presentes. Estos gases se producen por el uso de explosivos, por la

descomposición de las sustancias orgánicas, combustión espontánea, incendios, reacciones

químicas de los minerales y por el uso de los equipos mecanizados de motores de combustión a

consecuencia de la falta de ventilación o ventilación insuficiente en las faenas subterráneas.

Estos gases, pueden alcanzar concentraciones capaces de afectar la salud o vida del trabajador.

En la voladura con el uso de explosivos, origina mayor gases tóxicos. Por ejemplo el uso de

ANFO, genera diversos óxidos de nitrógeno los mismos que aun en bajas concentraciones

pueden resultar de necesidad mortal.

También tenemos gases de estratos que existen dentro de las estructuras rocosas del

yacimiento, gases producida por las personas al exhalar anhídrido carbónico (CO2) cuando

realiza su trabajo y por los deshechos orgánicos que existen en el interior de la mina (madera,

materiales, sustancias, etc).

Los gases producidos por equipos diesel, las máquinas de combustión interna que liberan

gran cantidad de contaminantes, hasta 0,3m3 /min por Hp, estos gases son CO, NO2, aldehídos,

humos, metanos y SO2

Se hace indispensable que la ventilación sea monitoreada cada día, de tal manera que el

ambiente de trabajo sea saludable y seguro, y para esto se han desarrollado e implementado

diversos mecanismos y sistemas manuales o electrónicos, sobretodo estos últimos con el

avance de la tecnología.

La utilización de tecnologías relacionadas al desarrollo de la microelectrónica, tales cono

técnicas de monitoreo, automatización control y telecomandos, dentro de las operaciones

mineras en general se ha transformado en una necesidad. La introducción de monitoreo y

control permite satisfacer, los objetivos principales son cuatro:

1. Aumento de la productividad del personal, equipos e instalaciones.

2. Aumento de la seguridad en las diversas operaciones.

3. Mejoramiento de las condiciones ambientales.

4. Uso eficiente de la energía eléctrica.

Con respecto a los sistemas de ventilación principal, que atiende los requerimientos de aire

en operaciones minero-subterráneas, también se observa como una necesidad la incorporación

de tales tecnologías dentro de dichas operaciones.

En lo que respecta al monitoreo, control y automatización de sistemas de ventilación en

operaciones mineras se alinea fuertemente a monitoreo; es decir inspección y vigilancia de

diversa.

La información habitualmente monitoreada, es la siguiente:

Estado on/off de equipos (ventiladores funcionando o apagados)

Caudal del aire.

Caída de presión.

Consumo de energía eléctrica.

Temperatura ambiente.

Temperatura de descansos.

Nivel de vibraciones.

En lo que respecta al control de la operación de ventiladores en la actualidad se ha centralizado

las operaciones de partida y parada (control), mediante el telecomando de los ventiladores

principales. Se implementaría además sistemas de actuación sobre los ventiladores en plena

operación, mediante la variación (control) del caudal movido por el ventilador, lo que permite

cambiar el punto de operación del equipo (Q vs Ps) tales sistemas se basan en dos técnicas

específicas, la primera de ellas consiste en instalar ventiladores con aspa regulables en plana

operación, las cuales es posible regular mediante sistemas de telecomando de acuerdo a las

necesidades operacionales de aumento o disminución de aire. La segunda técnica consiste en la

variación de la velocidad de rotación del motor ventilador en plana operación mediante el uso

de un dispositivo eléctrico denominado variador de frecuencia el cual también puede ser

accionado en forma telecomandada.

Los sensores utilizados en los procesos de monitoreo son:

1. Electroquímicos: Los dispositivos de detección electroquímicos (figura a) consisten

básicamente de electrodos envueltos en una solución electrolítica detrás de una

membrana permeable. Las moléculas de gas pasan a través de la membrana para entrar

en la interfaz electrodo/electrolito donde reacciones químicas y electroquímicas ocurren

para generar un flujo de corriente eléctrica medible.

El flujo de corriente está directamente relacionado con la concentración del gas sobre el

rango de detección específico. En ausencia del gas a monitorear, se produce un flujo de

corriente despreciable en consecuencia se alcanza y mantiene un cero definitivo. Una

combinación de electrodos y química electrolítica mayormente determina el tipo de gas

a detectar y provee selectividad química inherente.

2. Catalíticos: Los sensores catalíticos para gases combustibles (figura b) consisten en

filamentos calientes detrás de un arrestador de flama sinterizado de acero inoxidable. El

elemento activo es tratado con un catalítico para quemar u oxidar el gas mientras el

elemento referencial no es reactivo y provee compensación para las condiciones

ambientales: temperatura y humedad. El sensor de gas catalítico no es selectivo y

detecta numerosos gases y vapores.

El cambio de resistencia está directamente relacionado con la concentración de gas en la

atmósfera circundante, y se puede mostrar en un medidor o en cualquier otro

dispositivo indicador parecido.

3. De estado sólido: Un sensor de estado sólido consiste en uno o más óxidos de metal de

los metales de transición (figura c). Estos óxidos de metal se preparan y procesan para

formar un sensor de película delgada. Se introduce un calentador dentro del sensor para

mantenerlo a una temperatura óptima para la detección de gas. Ante la presencia de un

gas, el óxido e metal hace que el gas se disocie en iones cargados con el resultado de una

transferencia de electrones.

4. Infrarrojos (NDRI): Los detectores infrarrojos (figura d) están basados en el principio de

absorción infrarroja por moléculas de gas a longitudes de onda específicas en la región .

infrarroja. El sensor utiliza una lámpara infrarroja y dos detectores; activo y referencia. El

detector activo es cubierto por un filtro óptico el cual permite la transmisión de

radiación infrarroja a una longitud de onda específica donde se conoce que el gas a

medir absorbe. El elemento de referencia es cubierto por un filtro que transmite

longitudes de onda fuera de la banda de absorción.

4.1. Infrarrojos De gas toxico de camino abierto 

Gracias a la disponibilidad de fuentes de diodos láser en estado sólido fiables en la

proximidad de la zona infrarroja y al incremento de la capacidad de procesamiento

de la última generación de procesadores de señal digitales, ahora es posible

considerar la fabricación de una nueva generación de detectores de gas para la

detección fiable de gases tóxicos por medios ópticos.

La detección de camino abierto óptica y fija puntual de gas inflamable está ahora

muy establecida y goza de gran popularidad en la industria petroquímica, en la que

han probado que son una tecnología de medición viable y fiable. El mayor reto en

adaptar esta tecnología a la medición de gases tóxicos radica en los bajísimos niveles

que se deben medir de forma fiable. Generalmente, los gases inflamables tienen que

medirse a niveles porcentuales de concentración. Sin embargo, los gases tóxicos

típicos son peligrosos a niveles de partes por millón (ppm), es decir, un factor 1.000

veces inferior al de la detección de gas inflamable.

5. Foto-ionización (PID): El detector de fotoionización utiliza luz ultravioleta (UV) para

ionizar las moléculas puede detectar componentes orgánicos volátiles. Una lámpara de

construcción especial genera energía radiada UV. Esta energía ioniza las moléculas de

gas.

COMPARACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE DETECCIÓN DE GAS

GAS VENTAJAS INCONVENIENTESCatalítica Sencilla mide la inflamabilidad de los

gases. Tecnología de bajo costo.Se puede envenenar con plomo, cloro y siliconas que permanece como modo de error sin revelar. Requiere de oxigeno o aire para funcionar. Gran consumo energético Ubicación crítica

Electroquímica Mide gases tóxicos en concentraciones relativamente bajas. Se puede detectar una amplia variedad de gases. Muy bajo consumo energético

No se revelan los modos de error a menos que se utilicen técnicas se supervisión avanzadas. Requiere oxígeno para funcionar. Ubicación crítica

Punto Infrarrojo Utiliza una técnica física en lugar de química. Menos sensible a los errores de calibración. No hay modos de fallo ocultos. Se puede utilizar en atmosferas inertes

Detección de gas inflamable solo en el rango %LEL. Mide la concentración de gases inflamables que se tienen que relacionar con la inflamabilidad del gas. Ubicación critica. Consumo alto/medio de energía.

Infrarrojo de camino abierto

Cobertura de zona, se puede ver una fuga con mayor facilidad. No hay modos de fallos ocultos. Tecnología más reciente. Puede detectar concentraciones bajas. La ubicación no es tan crítica. Nueva versión toxica además de inflamable.

Precio de compra inicial alto. No es adecuado para su uso en zonas más pequeñas. La ruta de detección se puede obstruir.

Semiconductor Solidez mecánica, funciona bien en condiciones de alta humedad constante.

Susceptible a contaminantes y cambios en condiciones ambientales. Complejidad de efectos de respuestas no iniciales.

Conductividad Térmica

Mide concentraciones de % V/V de mezclas de gas binario con la ausencia de oxigeno

Solo para altas concentraciones de gas. Rangos limitados de gases. No puede medir gases con conductividad próximas de aire. Requisitos de mantenimiento más elevados.