analizadores de opacidad
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Analizadores de opacidad
Principios básicos
Contenido
Por qué se mide la opacidad?
Principio de funcionamiento.
Tipos de medidores. Analizador por dentro. Cómo realizar mediciones. Conclusiones.
Por qué se mide opacidad?
Por qué opacidad? Las emisiones procedentes de un motor diesel, al igual que
muchos otros motores con diferentes combustibles, libera gases y partículas residuales como monóxido, dióxido, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, agua, etc.
No es posible medir de forma directa los elementos residuales de la combustión diesel usando tecnologías comunes, pues los vapores de aceite y partículas de hollín pueden dañar los equipos, y son incompatibles con el método más común y económico de medición que es la absorción infrarroja no dispersiva.
Para el caso de los motores diesel, el tamaño, forma y “color” del material particulado, es proporcional a la eficiencia del motor.
A medida que un motor es mas eficiente, sus emisiones contaminantes tóxicas como monóxido de carbono e hidrocarburos (combustible) normalmente disminuye.
Los equipos son relativamente económicos y sencillos, la prueba es relativamente simple y no requiere un ingeniero o experto para realizarla.
Principio de funcionamiento.
Principio de funcionamiento:Qué es opacidad? Fracción de la luz expresada en porcentaje, que al ser enviada
desde una fuente, se le impide llegar al receptor del instrumento. La opacidad es una cantidad intuitiva de medición, y puede ser
relacionada fácilmente con mediciones realizadas por el ojo humano al comparar con filtros de opacidad conocida.
Columna de
Humo
100% 33%
Efectos físicos La intensidad de luz que parte de una fuente y llega a un receptor, depende de dos
factores, el primero es el paralelismo de los rayos de luz, y el segundo son las pérdidas en el medio (Humo).
Cuando una fuente radia luz, lo hace en varias direcciones, esto hace que la energía se esparza a medida que se aleja de la fuente (Como cuando se infla una burbuja de jabón, la densidad de jabón es cada vez menor a mediada que se infla más). Este efecto es indeseable y debe ser minimizado.
Cuando la luz se propaga a través de un medio disipativo (Como el humo), disminuye su intensidad a medida que pierde energía con respecto a la distancia. La cantidad disipada es proporcional a la densidad del medio y se denota por la letra K.
Propagación de la luz de una fuente puntual(Efecto que debe ser minimizado)
Propagación a través de un medio disipativo(Efecto que se pretende medir)
Intensidad Final = Intensidad Inicial · e-Medio · Longitud
L=Longitud
Medio = K
Relación entre opacidad y densidad
La opacidad es un factor que indica el porcentaje de luz que llega a un receptor al propagarse a través de un medio de cierta densidad.
Lo que realmente define el medio como tal (Humo) es la densidad; por lo tanto debería ser la magnitud a examinar, no la opacidad.
Un equipo basado en una lámpara y un receptor siempre medirá opacidad en realidad, pero matemáticamente el fabricante puede calcular el valor de densidad.
K = -(1/L)· ln(1-N/100) N=100·(1-e-K·L)
K= Densidad [m^-1], L = Longitud [m], N=Opacidad [%].
Prueba: Aceleración súbita Los motores diesel producen la máxima
contaminación y opacidad cuando el motor cambia rápidamente de revoluciones. Es por ello que se mide en aceleraciones súbitas.
Sería ideal medir en condiciones súbitas bajo carga, pero en motores grandes y de mucha potencia demanda dinamómetros especiales.
Los motores diesel tienen un limitador en la bomba de inyección llamado “Gobernador” que corta el combustible cuando las revoluciones son muy altas. Este punto es ideal pues el operario debe llevar el motor lo más rápido posible a esta condición. Este estado se llama velocidad gobernada.
Factores que influyen en la medición Luz emitida:
El humo se comporta de diferentes formas con respecto al color de la luz,
Receptor. La resolución, sensibilidad y comportamiento lineal
del receptor La longitud efectiva.
Distancia que la luz debe atravesar la cortina de humo.
Filtros utilizados. Matemática utilizada.
Condiciones de la cámara o lugar de ensayo. Forma de la cámara o condiciones del lugar de
inspección Factor humano. Condiciones previas del motor y sistema de
escape Dilución.
Cantidad de gases que no son de emisiones que se mezclan con el humo a medir.
Problemas al medir: Diferentes equipos tienen diferentes fuentes de
luz. Diferentes equipos pueden tener diferentes
resoluciones y respuesta. Al medir con opacimetros de flujo total, la
longitud efectiva varía con respecto al diámetro del tubo de escape.
Al medir con opacimetros de flujo parcial la longitud efectiva varía respecto al diseño del fabricante.
Diferentes equipos pueden tener diferentes filtros.
Diferentes equipos pueden tener diferentes cámaras y condiciones de ensayo.
El operario puede influenciar la prueba al manipular la aceleración del vehículo o al alinear el aparato con la cortina de humo.
Un motor caliente y un tubo de escape limpio producirán resultados muy diferentes a un motor frío con el tubo de escape sucio.
A algunos vehículos se les quita el gobernador, haciendo peligrosa la prueba e intimidando al operario para realizarla correctamente.
Una aceleración lenta, no produce un pico de opacidad.
Factibilidad de producirse dilución o estancamiento del humo.
Tipos de medidores
Tipos de medidores Flujo Total Opacimetro especialmente diseñado para ser
puesto directamente en el flujo de humo que sale del tubo de escape.
Elemento muy preciso si el ensayo es realizado con minucia.
Es muy difícil de operar y acomodar a cada vehículo.
Es muy fácil alterar una prueba por parte del operador, pues el opacimetro debe ser “perfectamente” centrado en la columna de humo.
Es especialmente sensible a problemas de turbulencia y dilución de la muestra, requiere condiciones de operación especiales como viento en casi cero.
Todos los opacimetros sin importar su construcción dan resultados similares, a menos que usen un tipo de lámpara y receptor con longitud de onda diferente o un filtraje diferente.
Si un vehículo tiene un tubo de escape inadecuado o fuera de las especificaciones del fabricante, puede dar resultados anormales, pues así sea el mismo humo, la longitud efectiva varía.
Flujo parcial Opacimetro diseñado para tomar una muestra
del humo diesel, y llevarlo a una cámara con condiciones especiales de medición.
Elemento de precisión moderada pero con más repetibilidad.
Fácil de operar y acomodar a cualquier tipo de vehículo
La medición no depende de la precisión con que se acomode el opacimetro.
Baja sensibilidad a problemas de turbulencia y dilución.
No requiere espacios muy bien diseñados. Opacimetros de diferente construcción pueden
dar resultados diferentes, si la longitud efectiva, el color de la lámpara-receptor y el filtraje son diferentes.
No dependen del diámetro del tubo de escape
Opacimetro por dentro.
Elementos del sistema: Elementos Básicos:
Fuente de luz. Receptor. Zona de prueba.
Características físicas especiales Filtros
Elementos adicionales: Lente y sistema colimador. Cámara de prueba. Cristales de separación. Sistema calefactor. Sistema de limpieza. Medición de temperatura humo, aceite. Medición de RPM
Fuente de luz El humo procedente de una fuente diesel,
no tiene una densidad espectral constante, esta absorbe y refleja la luz dependiendo de su longitud de onda, es decir del color que tenga. En otras palabras el color de la luz influye en la opacidad registrada.
Elemento encargado de radiar la luz; debe ser lo suficiente mente intenso como para atravesar la columna de humo de manera que el receptor pueda captar la intensidad con precisión.
Normalmente se utiliza una lámpara incandescente o un LED (Diodo emisor de luz) de color verde.
Temperatura de color Con una densidad espectral de color
verde, los instrumentos tienen un comportamiento similar al del ojo humano, pues éste órgano, es especialmente sensible para el color amarillo-verde.
La temperatura de color es una forma de establecer el color de una fuente luminosa.
Se basa en la radiación perfecta de un cuerpo negro si se calentara a cierta temperatura, siendo la mas baja el rojo y la más alta el azul.
Las lámparas de los opacimetros normalmente son de 3000 ºK (lámparas alógenas).
Color verde-amarillento
Receptor Elemento encargado de registrar la
cantidad de luz que llega de la fuente. Normalmente es un foto-diodo
Debe tener una respuesta espectral similar a la lámpara, normalmente alrededor de los 560nm imitando la respuesta del ojo humano.
Debe tener una respuesta espectral amplia similar a la del ojo humano.
Zona de prueba La opacidad registrada depende del
tamaño de la columna de humo que el haz de luz debe atravesar, a mayor distancia menor opacidad con la misma columna de humo.
En lo posible la columna de humo debe estar confinada en un espacio preciso, no debe tener dilución y debe ser homogénea.
Hay dos tipos de zona de prueba, abierta (medido en la salida de tubo de escape – opacimetros de flujo total) y confinada (en una cámara, opacimetros de flujo parcial).
Zona de pruebaLongitud efectiva
Es la distancia que el haz de luz debe atravesar a través de la columna de humo para llegar al receptor.
A longitudes efectivas más grandes, la opacidad aumenta, así el humo tenga las mismas características.
La longitud efectiva para conservar una buena relación entre la calificación del ojo humano, el opacimetro de flujo total y el de flujo parcial, es de 430mm
Ls
Sistema no confinado(Flujo total)
Ls
Sistema confinado(Flujo parcial)
Filtros y tiempos de respuesta Un filtro es un sistema que actúa dejando pasar o eliminando una señal dependiendo de
la frecuencia de esta. Hay filtros
Pasa bajos: Sistema de amortiguación de un carro, las frecuencias bajas (lentas) por ejemplo al pasar por encima de un “policía acostado”, se transmiten a la carrocería, las frecuencias altas (rápidas) como coger una piedra a alta velocidad, son absorbidas por la suspensión, sin que la carrocería se mueva.
Pasa banda: Cuando se sintoniza una emisora de radio a cierta frecuencia. Pasa Altos: Deja pasar solo las señales rápidas.
En los opacimetros es de interés eliminar los cambios rápidos en las características del humo, producidos por la expulsión pulsante de los gases del motor y por la turbulencia en el humo.
Señal de entrada con variaciones lentasY rápidas
Señal de salida: las variaciones rápidas sonminimizadas
Respuesta del filtroPasa - bajos
Filtros que intervienen Filtro Físico: Es debido a la construcción
del instrumento, depende del tamaño de la cámara, distancias, entradas, salidas y el caudal de humo. Este no es modificable.
Filtro Eléctrico: Es relacionado con la precisión y velocidad en la toma de datos del instrumento y depende del diseño electrónico. Este no es modificable.
Filtro aplicado: Es el filtraje que se aplica matemáticamente mediante medios electrónicos o de software, para obtener tiempos de respuesta deseadas. Este es modificable para acomodarse a ciertos requisitos
Filtro total: Al combinar todos los filtros, se genera uno nuevo que en su conjunto tiene un tiempo de respuesta deseado.
Tiempo de respuesta
Tiempo de respuesta es el tiempo que tarda en cambiar una señal de salida, si la señal de entrada cambia súbitamente
Cambios de densidad de humo debido al escape pulsante producido por el motor y turbulencia.
Señal de entrada Señal de salida
Filtros
Ejemplo filtro total de 0.5s
10%
90%
0.5s
Densidad del humo cambiando rápidamente
Salida del filtro eliminando cambios rápidosTiempo
Tiempo
Opa
cida
d
Opa
cida
d
Lente y sistetema colimador
Se usa para mantener un paralelismo entre los rayos de luz.
Evitar recibir o emitir luz en dirección que provoquen reflexión o provengan de reflexiones indeseadas y alteren los resultados por interferencia.
Básicamente es un lente acompañado de un tubo cuyo orificio opaco largo y angosto asegurando el paralelismo.
Luz externa indeseada
Reflexión indeseada
Perdidas de luz
Cámara de prueba y sistema calefactor
Para sistemas de flujo parcial. Normalmente es un tubo cuyo
interior esta revestido de pintura opaca.
Se adicionan elementos que generan turbulencia que ayuda a mezclar rápidamente diferentes opacidades de humo.
Se utiliza un sistema que calienta el tubo externamente, evitando la condensación de agua, aceites y otros aerosoles
Cristales y sistemas de limpieza
Los cristales permiten aislar los aerosoles diesel de la lámpara y el receptor, evitando que el hollín y las altas temperaturas los deterioren.
Entre el cristal y el receptor, así como entre el cristal y la lámpara, hay una provisión de aire constante que sirve como “desempañador” de los cristales.
Cuando el instrumento realiza tareas de limpieza, este proporciona aire limpio en el tubo de prueba, evitando la acumulación de hollín.
Algunos cristales pueden ser cambiados por filtros de opacidad conocida para calibrar el equipo.
Bomba aire limpio
Aire Limpio Aire Limpio
Válvula
Humo Diesel
Salidas de Humo
Cristal Translúcido Cristal Translúcido – Se puede reemplazar por alguno de Opacidad conocida durante el proceso de calibración.
Lente y colimador
Lámpara Receptor
Medición de RPM, Temperatura del aceite y temperatura del humo Los opacimetros normalmente tienen tres elementos de medición
adicionales para garantizar una buena prueba:
RPM: medir las revoluciones del motor son importantes pues un motor diesel es ineficiente durante su aceleración (Aumeto de RPM), y es el momento en que produce mayor opacidad y contaminación.
Temperatura del aceite: Un vehículo frío puede producir niveles de opacidad altos o inestables sin que el motor realmente sea contaminante o ineficiente. Nota: La temperatura del aceite normalemente debe ser de al menos
60ºC Temperatura del humo: La opacidad depende directamente de la
temperatura del humo, a menor temperatura, menor eficiencia del motor y mayor opacidad. La temperatura del humo aumenta rápidamente cuando el motor es revolucionado. NOTA: a pesar que los gases de escape diesel pueden llegar
fácilmente a los 800ºC a la entrada del múltiple, rara vez llegan a más de 300ºC al medidor, es por ello que la mayoría de medidores solo registran hasta 400ºC, esta temperatura es variable dependiendo del tipo de motor y construcción del sistema de escape.
Realizar mediciones.
Cómo realizar mediciones usando el método de aceleración súbita:
Verificar:
Visualmente el estado del motor, tubo de escape, acelerador, tapas de combustible, etc.
La temperatura del aceite del motor. Que el gobernador funcione correctamente
acelerando suavemente y estando atento a ruidos y demás señales anormales hasta alcanzar la velocidad gobernada. Normalmente la velocidad gobernada por
construcción es Ralentí x 4, como límite mínimo se puede establecer ralentí x 3.
El captador de revoluciones marque las cantidades adecuadas en bajas y altas revoluciones.
Realizar limpieza del sistema Introducir los datos, una vez el software este
listo, y justo antes de introducir la sonda, es bueno realizar una aceleración de limpieza para eliminar el hollín y que este no quede en el equipo. Nota: el diseño de ciertos tubos de escape,
pueden acumular grandes cantidades de hollín que contaminan los equipos.
Una vez introducida la sonda se debe realizar el ciclo de limpieza normal y familiarizarse con el acelerador.
Ciclos de medida Estar atento a las revoluciones del motor y acelerar rápida
y decididamente y soltar el acelerador en el tiempo recomendado.
Todas las aceleraciones deben hacerse de la misma manera.
Se recomienda usar un tubo de muestra lo más corto posible para evitar retardos entre las revoluciones y la llegada de la muestra al medidor, así como evitar mezcla entre diferentes densidades de gases de escape.
No hay que sostener el acelerador ni dejar el motor acelerado.
No hay que acelerar en los espacios intermedios, pues esto aumentaría mucho la temperatura en la cámara y los gases de escape variarían mucho entre una y otra prueba.
Si falla la prueba, es recomendable dejar un tiempo de al menos 1 minuto para repetirla, (tiempo que se puede aprovechar para hacer un cero del analizador) esto con el fin que la temperatura de los gases descienda y las medidas sean más aproximadas.
Conclusiones
Comentarios sobre la NTC4231 Beneficios: Selecciona solo un tipo de opacimetro (flujo parcial) haciendo la
prueba más universal, sencilla y menos manipulable por el operador.
Unifica los criterios de longitud efectiva, color de la lámpara y tiempo de respuesta, haciendo que todos los opacimetros entreguen las mismas medidas.
Permite ambas posibilidades de niveles permisibles, opacidad y densidad.
Las pruebas se realizan de una manera más profesional y unificada, los tres ciclos minimizan el tiempo de prueba y evitan grandes variaciones de los datos por temperatura de los gases.
Unifica los criterios de hardware y software.
Comentarios sobre la NTC4231 Desventajas: Aplicar los actuales niveles de contaminación implicaría realizar la corrección
citada en la norma lo cual implica que los resultados disminuirían bastante, haciendo que todo vehículo diesel pase la prueba así este en mal estado.
El criterio de validación entre pruebas es demasiado bajo (5%), lo que obliga al operador a ser muy diestro y aún así se tendría que repetir la prueba varias veces.
La opacidad es dependiente de factores logarítmicos y la ponderación que hace la prueba es aritmética, lo cual es matemáticamente incorrecto.
La norma desprecia la importancia de la temperatura del humo, que es un criterio más claro que la diferencia aritmética entre resultados.
No hay establecido un flujo exacto del humo al cual se deba aplicar el filtro, y la respuesta física del equipo depende del flujo del humo, esto crea un margen controvertido en la aplicación exacta del sistema de filtrado.
Es recomendable hacer una aceleración de limpieza sin introducir la sonda, pues esta primera aceleración elimina hollín que puede contaminar el equipo, especialmente en motores diesel viejos
Conclusiones
La prueba de opacidad es un acercamiento a la medición de contaminantes diesel, esta prueba no es exacta pero se puede catalogar como aceptable.
Para que funcione bien, debe estar amparada en una norma bien descrita como la NTC4231 que unifica criterios.
Los niveles siempre deben ser permisibles. La mejor magnitud a medir es definitivamente la
densidad. Un buen entrenamiento a los entes de control y a
los operarios, maximiza la eficiencia de la prueba.
Gracias.
Ing. Edgar O. Corredor.