Un detector de llama es un sensor diseñado para detectar y responder a la presencia de una llama o fuego , lo que permite la detección de llamas . Las respuestas a una llama detectada dependen de la instalación, pero pueden incluir hacer sonar una alarma, desactivar una línea de combustible (como una línea de propano o gas natural ) y activar un sistema de extinción de incendios. Cuando se utilizan en aplicaciones como hornos industriales, su función es proporcionar confirmación de que el horno está funcionando correctamente; se puede utilizar para apagar el sistema de encendido, aunque en muchos casos no realizan ninguna acción directa más allá de notificar al operador o al sistema de control. Un detector de llama a menudo puede responder más rápido y con mayor precisión que un detector de humo o calor debido a los mecanismos que utiliza para detectar la llama. [1] [2]
Los detectores ultravioleta (UV) funcionan detectando la radiación ultravioleta emitida en el instante de la ignición. Si bien son capaces de detectar incendios y explosiones en un lapso de 3 a 4 milisegundos, a menudo se incluye un retraso de 2 a 3 segundos para minimizar las falsas alarmas que pueden ser activadas por otras fuentes de rayos ultravioleta, como rayos , soldadura por arco , radiación y luz solar . Los detectores ultravioleta generalmente funcionan con longitudes de onda inferiores a 300 nm para minimizar los efectos de la radiación de fondo natural . La banda de longitud de onda ultravioleta ciega a la luz solar también se ve fácilmente cegada por contaminantes oleosos.
Los detectores de llama de matriz de infrarrojo cercano (IR) (0,7 a 1,1 μm), también conocidos como detectores de llama visuales, emplean tecnología de reconocimiento de llama para confirmar el fuego mediante el análisis de la radiación de infrarrojo cercano utilizando un dispositivo acoplado a carga (CCD). Un sensor de infrarrojo cercano (IR) es especialmente capaz de monitorear fenómenos de llama, sin demasiados obstáculos por parte del agua y el vapor de agua. Los sensores piroeléctricos que funcionan en esta longitud de onda pueden ser relativamente baratos. Los sensores de matriz de píxeles o de múltiples canales que monitorean las llamas en la banda de infrarrojo cercano son posiblemente las tecnologías más confiables disponibles para la detección de incendios. La emisión de luz de un incendio forma una imagen de la llama en un instante particular. El procesamiento de imágenes digitales se puede utilizar para reconocer las llamas mediante el análisis del video creado a partir de las imágenes de infrarrojo cercano.
Los detectores de llama infrarrojos (IR) o infrarrojos de banda ancha (1,1 μm y superiores) controlan la banda espectral infrarroja en busca de patrones específicos emitidos por gases calientes. Estos se detectan mediante una cámara termográfica especializada (TIC) contra incendios, un tipo de cámara termográfica . Las falsas alarmas pueden ser causadas por otras superficies calientes y la radiación térmica de fondo en el área. El agua en la lente del detector reducirá en gran medida la precisión del detector, al igual que la exposición a la luz solar directa. Un rango de frecuencia especial es de 4,3 a 4,4 μm. Esta es una frecuencia de resonancia del CO 2 . Durante la combustión de un hidrocarburo (por ejemplo, madera o combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural) se libera mucho calor y CO 2 . El CO 2 caliente emite mucha energía en su frecuencia de resonancia de 4,3 μm. Esto provoca un pico en la emisión de radiación total y puede detectarse bien. Además, el CO 2 "frío" en el aire se encarga de que la luz solar y otra radiación IR se filtren. Esto hace que el sensor en esta frecuencia sea "ciego a la luz solar"; sin embargo, la sensibilidad se reduce con la luz solar. Al observar la frecuencia de parpadeo de un incendio (1 a 20 Hz), el detector se vuelve menos sensible a las falsas alarmas causadas por la radiación térmica, por ejemplo, causada por maquinaria caliente.
Una desventaja importante es que casi toda la radiación puede ser absorbida por el agua o el vapor de agua ; esto es particularmente válido para la detección de llamas por infrarrojos en la región de 4,3 a 4,4 μm. A partir de aproximadamente 3,5 μm y más, la absorción por agua o hielo es prácticamente del 100%. Esto hace que los sensores infrarrojos para uso en aplicaciones al aire libre sean muy poco sensibles a los incendios. El mayor problema es nuestra ignorancia; algunos detectores infrarrojos tienen una autoprueba (automática) de la ventana del detector, pero esta autoprueba solo monitorea la presencia de agua o hielo en la ventana del detector.
Una película de sal también es perjudicial, ya que la sal absorbe el agua. Sin embargo, el vapor de agua, la niebla o la lluvia ligera también hacen que el sensor quede prácticamente ciego, sin que el usuario lo note. La causa es similar a lo que hace un bombero cuando se acerca a un incendio: se protege mediante una pantalla de vapor de agua contra la enorme radiación térmica infrarroja. La presencia de vapor de agua, niebla o lluvia ligera también "protegerá" el monitor haciendo que no vea el fuego. Sin embargo, la luz visible se transmitirá a través de la pantalla de vapor de agua, como se puede ver fácilmente por el hecho de que un humano todavía puede ver las llamas a través de la pantalla de vapor de agua.
El tiempo de respuesta habitual de un detector de infrarrojos es de 3 a 5 segundos.
Las cámaras infrarrojas (IR) MWIR se pueden utilizar para detectar calor y, con algoritmos específicos, pueden detectar puntos calientes dentro de una escena, así como llamas, tanto para la detección como para la prevención de incendios y riesgos de incendio. Estas cámaras se pueden utilizar en completa oscuridad y funcionan tanto en interiores como en exteriores.
Estos detectores son sensibles a las longitudes de onda de rayos ultravioleta e infrarrojos y detectan las llamas comparando la señal de umbral de ambos rangos, lo que ayuda a minimizar las falsas alarmas.
Los detectores de llama de doble IR (IR/IR) comparan la señal de umbral en dos rangos de infrarrojos. A menudo, un sensor analiza el dióxido de carbono (CO2) de 4,4 micrómetros , mientras que el otro sensor analiza una frecuencia de referencia. La detección de la emisión de CO2 es adecuada para combustibles de hidrocarburos; para combustibles no basados en carbono, por ejemplo, hidrógeno, se detectan las bandas anchas de agua.
Los detectores multiinfrarrojos utilizan algoritmos para suprimir los efectos de la radiación de fondo (radiación de cuerpo negro), pero la sensibilidad se reduce aún más por esta radiación.
Los detectores de llama de triple IR comparan tres bandas de longitud de onda específicas dentro de la región espectral de IR y su relación entre sí. En este caso, un sensor analiza el rango de 4,4 micrómetros, mientras que los otros sensores analizan longitudes de onda de referencia tanto superiores como inferiores a 4,4. Esto permite al detector distinguir entre fuentes de IR sin llama y llamas reales que emiten CO2 caliente en el proceso de combustión. Como resultado, tanto el rango de detección como la inmunidad a falsas alarmas pueden aumentar significativamente. Los detectores IR3 pueden detectar un incendio de 0,1 m2 (1 pie2 ) en una olla de gasolina a una distancia de hasta 65 m (215 pies) en menos de 5 segundos. Los detectores de triple IR, al igual que otros tipos de detectores de IR, son susceptibles de cegarse por una capa de agua en la ventana del detector.
La mayoría de los detectores IR están diseñados para ignorar la radiación IR de fondo constante, que está presente en todos los entornos. En cambio, están diseñados para detectar fuentes de radiación que cambian o aumentan repentinamente. Cuando se exponen a patrones cambiantes de radiación IR que no sean de llama, los detectores IR y UV/IR se vuelven más propensos a generar falsas alarmas, mientras que los detectores IR3 se vuelven algo menos sensibles, pero son más inmunes a las falsas alarmas.
Los detectores multiinfrarrojos (Multi-IR/3IR) utilizan algoritmos para determinar la presencia de fuego y diferenciarlo del ruido de fondo conocido como radiación de cuerpo negro , que en general reduce el alcance y la precisión del detector. La radiación de cuerpo negro está presente constantemente en todos los entornos, pero la emiten con especial intensidad los objetos a alta temperatura. Esto hace que los entornos de alta temperatura o las áreas donde se manipula material a alta temperatura sean especialmente difíciles para los detectores solo de infrarrojos. Por lo tanto, a veces se incluye un sensor de banda UV-C adicional en los detectores de llama para agregar otra capa de confirmación, ya que la radiación de cuerpo negro no afecta a los sensores UV a menos que la temperatura sea extremadamente alta, como el resplandor de plasma de una máquina de soldadura por arco.
Los detectores de múltiples longitudes de onda varían en la configuración del sensor. 1 IR + UV, o UVIR, es el más común y de menor costo. 2 IR + UV es un compromiso entre costo e inmunidad a falsas alarmas y 3 IR + UV, que combina la tecnología 3IR anterior con la capa adicional de identificación del sensor UV.
Los detectores multiespectrales o de longitud de onda múltiple, como 3IR+UV y UVIR, son una mejora con respecto a sus contrapartes de detectores solo IR, que se sabe que generan falsas alarmas o pierden sensibilidad y alcance en presencia de ruido de fondo fuerte, como fuentes de luz directa o reflejada o incluso exposición al sol. Los detectores IR a menudo se han basado en el crecimiento de la energía infrarroja en masa como su factor determinante principal para la detección de incendios, declarando una alarma cuando los sensores exceden un rango y una relación determinados. Sin embargo, este enfoque es propenso a activarse por ruido no relacionado con el fuego, ya sea por radiación de cuerpo negro, entornos de alta temperatura o simplemente cambios en la iluminación ambiental. Alternativamente, en otro enfoque de diseño, los detectores solo IR pueden generar alarmas solo en condiciones perfectas y coincidencias claras de señales, lo que da como resultado que no se detecte el incendio cuando hay demasiado ruido, como mirar hacia la puesta de sol.
Los detectores de llama modernos también pueden utilizar sensores de alta velocidad, que permiten capturar el movimiento parpadeante de la llama y monitorear el patrón y las proporciones de la salida espectral para detectar patrones exclusivos del fuego. Los sensores de mayor velocidad permiten no solo tiempos de reacción más rápidos, sino también más datos por segundo, lo que aumenta el nivel de confianza en la identificación del incendio o el rechazo de falsas alarmas.
Un sensor de luz visible (por ejemplo, una cámara: 0,4 a 0,7 μm) es capaz de presentar una imagen que puede ser entendida por un ser humano. Además, los análisis complejos de procesamiento de imágenes pueden ser ejecutados por computadoras, que pueden reconocer una llama o incluso humo. Desafortunadamente, una cámara puede quedar cegada, como un ser humano, por el humo denso y la niebla. También es posible mezclar la información de luz visible (monitor) con información UV o infrarroja, para discriminar mejor las falsas alarmas o para mejorar el rango de detección. [3] La cámara corona es un ejemplo de este equipo. En este equipo, la información de una cámara UV se mezcla con información de imagen visible. Se utiliza para rastrear defectos en equipos de alta tensión y detección de incendios a grandes distancias.
En algunos detectores, se añade al diseño un sensor de radiación visible (luz).
Para la detección visual de ondas sonoras (longitudes de onda entre 0,4 y 0,7 μm) se puede utilizar un circuito cerrado de televisión o una cámara web . El humo o la niebla pueden limitar el alcance efectivo de estas, ya que operan únicamente en el espectro visible. [3] [4] [5]
La intensa ionización dentro del cuerpo de una llama se puede medir mediante el fenómeno de rectificación de llama , por el cual una corriente alterna fluye más fácilmente en una dirección cuando se aplica un voltaje. Esta corriente se puede utilizar para verificar la presencia y la calidad de la llama. Estos detectores se pueden utilizar en calentadores de gas de procesos industriales de gran tamaño y se conectan al sistema de control de llama. Por lo general, actúan como monitores de calidad de la llama y para la detección de fallas de la misma. También son comunes en una variedad de hornos y calderas de gas domésticos.
Los problemas con las calderas que no se mantienen encendidas pueden deberse a menudo a sensores de llama sucios o a una superficie del quemador deficiente con la que completar el circuito eléctrico. Una llama deficiente o que se despega del quemador también puede interrumpir la continuidad. [6]
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Los termopares se utilizan ampliamente para controlar la presencia de llama en sistemas de calefacción por combustión y cocinas a gas. Un uso común en estas instalaciones es cortar el suministro de combustible si falla la llama, para evitar que se acumule combustible no quemado. Estos sensores miden el calor y, por lo tanto, se utilizan comúnmente para determinar la ausencia de una llama. Esto se puede utilizar para verificar la presencia de una llama piloto .
Los detectores de llama UV/IR se utilizan en:
Un incendio emite una radiación que el ojo humano percibe en forma de llamas amarillas, rojas y calientes. En realidad, durante un incendio se emite relativamente poca energía ultravioleta y de luz visible en comparación con la emisión de radiación infrarroja. Un incendio que no sea de hidrocarburos, por ejemplo, de hidrógeno , no muestra un pico de CO2 en 4,3 μm porque durante la combustión del hidrógeno no se libera CO2. El pico de CO2 de 4,3 μm que aparece en la imagen es exagerado y, en realidad, representa menos del 2 % de la energía total del incendio. Un detector multifrecuencia con sensores de UV, luz visible, infrarrojo cercano y/o infrarrojo de banda ancha tiene, por tanto, muchos más "datos de sensor" con los que calcular y, por tanto, puede detectar más tipos de incendios y detectar mejor estos tipos de incendios: hidrógeno, metanol , éter o azufre . Parece una imagen estática, pero en realidad la energía fluctúa o parpadea. Este parpadeo se produce porque el oxígeno aspirado y el combustible presente se queman y, al mismo tiempo, aspiran oxígeno y material combustible nuevos. Estas pequeñas explosiones provocan el parpadeo de la llama.
El sol emite una enorme cantidad de energía que sería perjudicial para los seres humanos si no fuera por los vapores y gases de la atmósfera, como el agua ( nubes ), el ozono y otros, a través de los cuales se filtra la luz solar. En la figura se puede ver claramente que el CO2 "frío" filtra la radiación solar alrededor de 4,3 μm. Por lo tanto, un detector de infrarrojos que utiliza esta frecuencia es ciego a la luz solar. No todos los fabricantes de detectores de llama utilizan filtros afilados para la radiación de 4,3 μm y, por lo tanto, aún captan una gran cantidad de luz solar. Estos detectores de llama baratos apenas se pueden utilizar para aplicaciones al aire libre. Entre 0,7 μm y aproximadamente 3 μm hay una absorción relativamente grande de luz solar. Por lo tanto, este rango de frecuencia se utiliza para la detección de llamas por algunos fabricantes de detectores de llama (en combinación con otros sensores como ultravioleta, luz visible o infrarrojo cercano). La gran ventaja económica es que las ventanas del detector pueden estar hechas de cuarzo en lugar de zafiro costoso . Estas combinaciones de sensores electroópticos también permiten la detección de incendios no relacionados con hidrocarburos, como el hidrógeno, sin el riesgo de falsas alarmas causadas por la luz artificial o la soldadura eléctrica.
Los detectores de llama por infrarrojos sufren una radiación térmica infrarroja que no es emitida por el posible incendio. Se podría decir que el incendio puede ser enmascarado por otras fuentes de calor. Todos los objetos que tienen una temperatura superior a la temperatura mínima absoluta (0 kelvin o −273,15 °C) emiten energía y a temperatura ambiente (300 K) este calor ya es un problema para los detectores de llama por infrarrojos con la máxima sensibilidad. A veces, una mano en movimiento es suficiente para activar un detector de llama por infrarrojos. A 700 K, un objeto caliente (cuerpo negro) comienza a emitir luz visible (brillo). Los detectores de infrarrojos duales o múltiples suprimen los efectos de la radiación térmica mediante sensores que detectan justo por debajo del pico de CO2 ; por ejemplo, a 4,1 μm. En este caso es necesario que haya una gran diferencia de salida entre los sensores utilizados (por ejemplo, el sensor S1 y S2 en la imagen). Una desventaja es que la energía de radiación de un posible incendio debe ser mucho mayor que la radiación térmica de fondo actual. En otras palabras, el detector de llama se vuelve menos sensible. Cualquier detector de llama multiinfrarrojo se ve afectado negativamente por este efecto, independientemente de lo caro que sea.
El cono de visión de un detector de llama está determinado por la forma y el tamaño de la ventana y la carcasa, así como por la ubicación del sensor en la carcasa. En el caso de los sensores infrarrojos, también influye la laminación del material del sensor, que limita el cono de visión del detector de llama. Un cono de visión amplio no significa automáticamente que el detector de llama sea mejor. En algunas aplicaciones, el detector de llama debe estar alineado con precisión para evitar que detecte posibles fuentes de radiación de fondo. El cono de visión del detector de llama es tridimensional y no necesariamente perfectamente redondo. El ángulo de visión horizontal y vertical a menudo difieren; esto se debe principalmente a la forma de la carcasa y a las piezas de espejo (pensadas para la autocomprobación). Diferentes combustibles pueden incluso tener un ángulo de visión diferente en el mismo detector de llama. Muy importante es la sensibilidad en ángulos de 45°. En este caso, debe alcanzarse al menos el 50 % de la sensibilidad máxima en el eje central. Algunos detectores de llama alcanzan aquí el 70 % o más. De hecho, estos detectores de llama tienen un ángulo de visión horizontal total de más de 90°, pero la mayoría de los fabricantes no lo mencionan. Una alta sensibilidad en los bordes del ángulo de visión proporciona ventajas para la proyección de un detector de llama.
El alcance de un detector de llama está muy determinado por la ubicación de montaje. De hecho, al hacer una proyección, uno debe imaginar lo que el detector de llama "ve". Una regla general es que la altura de montaje del detector de llama es el doble de alta que el objeto más alto en el campo de visión. También se debe tener en cuenta la accesibilidad del detector de llama, debido al mantenimiento y/o reparaciones. Por este motivo, es recomendable un mástil de luz rígido con un punto de pivote. Un "techo" en la parte superior del detector de llama (30 x 30 cm, 1 x 1 pie) evita la contaminación rápida en aplicaciones al aire libre. También se debe considerar el efecto de sombra. El efecto de sombra se puede minimizar montando un segundo detector de llama en el lado opuesto del primer detector. Una segunda ventaja de este enfoque es que el segundo detector de llama es redundante, en caso de que el primero no funcione o esté cegado. En general, al montar varios detectores de llama, uno debe dejar que "se miren" entre sí, no que miren a las paredes. Siguiendo este procedimiento se pueden evitar los puntos ciegos (causados por el efecto de sombra) y se puede lograr una mejor redundancia que si los detectores de llamas "miraran" desde la posición central hacia el área a proteger. El alcance de los detectores de llama para el fuego estándar de la industria de 30 x 30 cm, 1 x 1 pie se indica en las hojas de datos y manuales de los fabricantes; este alcance puede verse afectado por los efectos desensibilizadores mencionados anteriormente de la luz solar, el agua, la niebla, el vapor y la radiación del cuerpo negro .
Si la distancia entre la llama y el detector de llama es grande en comparación con la dimensión del fuego, entonces se aplica la ley del cuadrado: si un detector de llama puede detectar un fuego con un área A a una distancia determinada, entonces es necesaria una superficie de llama cuatro veces mayor si la distancia entre el detector de llama y el fuego se duplica. En resumen:
Doble distancia = área de llama cuatro veces más grande ( fuego ).
Esta ley es igualmente válida para todos los detectores de llama ópticos, incluidos los basados en vídeo. La sensibilidad máxima se puede estimar dividiendo el área máxima de la llama A por el cuadrado de la distancia entre el fuego y el detector de llama: c = A / d 2 . Con esta constante c se puede calcular, para el mismo detector de llama y el mismo tipo de fuego, la distancia máxima o el área mínima del fuego: A = cd 2 y d = √ A/do
Sin embargo, es importante destacar que la raíz cuadrada ya no es válida en la práctica a grandes distancias. A grandes distancias, otros parámetros juegan un papel importante, como la presencia de vapor de agua y de CO2 frío en el aire. En cambio, en el caso de una llama muy pequeña, el parpadeo decreciente de la llama jugará un papel cada vez mayor.
Una relación más exacta -válida cuando la distancia entre la llama y el detector de llama es pequeña- entre la densidad de radiación, E , en el detector y la distancia, D , entre el detector y una llama de radio efectivo, R , que emite densidad de energía, M , viene dada por
E = 2π señor 2/( R2 + D2 )
Cuando R << D entonces la relación se reduce a la ley del cuadrado (inverso)
E = 2π señor 2/D2
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