Un detector de llama es un sensor diseñado para detectar y responder ante la presencia de una llama o incendio , permitiendo la detección de llama . 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 se realiza ninguna acción directa más allá de notificar al operador o al sistema de control. Un detector de llamas 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 UV emitida en el instante de la ignición. Si bien es capaz de detectar incendios y explosiones en 3 a 4 milisegundos, a menudo se incluye un retraso de 2 a 3 segundos para minimizar las falsas alarmas que pueden desencadenarse por otras fuentes de rayos UV, como rayos , soldadura por arco , radiación y luz solar . Los detectores UV normalmente funcionan con longitudes de onda inferiores a 300 nm para minimizar los efectos de la radiación natural de fondo . La banda de longitud de onda UV solar ciega también queda fácilmente cegada por contaminantes aceitosos.
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 incendio mediante el análisis de la radiación de infrarrojo cercano utilizando un dispositivo de carga acoplada (CCD). Un sensor de infrarrojo cercano (IR) es especialmente capaz de controlar los fenómenos de llamas, sin demasiados obstáculos por parte del agua y el vapor de agua. Los sensores piroeléctricos que funcionan a esta longitud de onda pueden resultar relativamente baratos. Los sensores de múltiples canales o de matriz de píxeles que monitorean las llamas en la banda de infrarrojos cercanos son posiblemente las tecnologías más confiables disponibles para la detección de incendios. La emisión de luz de un fuego forma una imagen de la llama en un instante determinado. El procesamiento de imágenes digitales se puede utilizar para reconocer llamas mediante el análisis del vídeo creado a partir de imágenes de infrarrojos cercanos.
Los detectores de llama infrarrojos (IR) o infrarrojos de banda ancha (1,1 μm y superiores) monitorean la banda espectral infrarroja en busca de patrones específicos emitidos por gases calientes. Estos se detectan mediante una cámara termográfica (TIC) especializada en extinción de 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. Ésta es una frecuencia de resonancia del CO 2 . Durante la quema 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 a su frecuencia de resonancia de 4,3 µm. Esto provoca un pico en la emisión total de radiación y puede detectarse bien. Además, el CO 2 "frío" del aire se encarga de filtrar la luz solar y otras radiaciones IR. Esto hace que el sensor en esta frecuencia sea "ciego al sol"; sin embargo, la sensibilidad se reduce con la luz solar. Al observar la frecuencia de parpadeo de un incendio (de 1 a 20 Hz), el detector se vuelve menos sensible a las falsas alarmas causadas por la radiación de calor, por ejemplo causada por maquinaria caliente.
Una grave desventaja 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. Desde aprox. A partir de 3,5 μm la absorción por agua o hielo es prácticamente del 100%. Esto hace que los sensores infrarrojos para uso en aplicaciones exteriores sean muy poco sensibles a los incendios. El mayor problema es nuestra ignorancia; Algunos detectores de 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 dañina porque la sal absorbe agua. Sin embargo, el vapor de agua, la niebla o la lluvia ligera también hacen que el sensor quede casi ciego, sin que el usuario lo sepa. 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 de calor infrarroja. La presencia de vapor de agua, niebla o lluvia ligera también "protegerá" el monitor y hará que no vea el fuego. Sin embargo, la luz visible se transmite a través de la pantalla de vapor de agua, como se puede comprobar fácilmente por el hecho de que un ser 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 particulares, 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 funcionar tanto en interiores como en exteriores.
Estos detectores son sensibles a las longitudes de onda UV e IR y detectan llamas comparando la señal umbral de ambos rangos. Esto ayuda a minimizar las falsas alarmas.
Los detectores de llama IR duales (IR/IR) comparan la señal de umbral en dos rangos de infrarrojos. A menudo, un sensor analiza el dióxido de carbono (CO 2 ) de 4,4 micrómetros, mientras que el otro sensor analiza una frecuencia de referencia. La detección de las emisiones de CO 2 es apropiada para los combustibles de hidrocarburos; para combustibles no basados en carbono, por ejemplo, hidrógeno, se detectan las bandas de agua de banda ancha.
Los detectores de infrarrojos múltiples utilizan algoritmos para suprimir los efectos de la radiación de fondo (radiación de cuerpo negro), aunque esta radiación reduce la sensibilidad.
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 mira el rango de 4,4 micrómetros mientras que los otros sensores miran longitudes de onda de referencia tanto por encima como por debajo de 4,4. Esto permite al detector distinguir entre fuentes de infrarrojos que no son llamas y llamas reales que emiten CO 2 caliente en el proceso de combustión. Como resultado, se puede aumentar significativamente tanto el rango de detección como la inmunidad a falsas alarmas. Los detectores IR3 pueden detectar un incendio en una bandeja de gasolina de 0,1 m 2 (1 pie 2 ) a una distancia de hasta 65 m (215 pies) en menos de 5 segundos. Los IR triples, 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 de infrarrojos 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 sin 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 de infrarrojos múltiples (Multi-IR/3IR) utilizan algoritmos para determinar la presencia de fuego y diferenciarlos del ruido de fondo conocido como radiación de cuerpo negro , que generalmente 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 altas temperaturas. esto hace que los entornos de alta temperatura o áreas donde se manipula material a alta temperatura sean especialmente desafiantes para los detectores solo de infrarrojos. Por lo tanto, a veces se incluye un sensor de banda UV-C adicional en los detectores de llamas para agregar otra capa de confirmación, ya que la radiación del cuerpo negro no afecta a los sensores UV a menos que la temperatura sea extremadamente alta, como el brillo 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 siendo el más común y de bajo coste. 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 de longitud de onda múltiple o multiespectrales, como 3IR+UV y UVIR, son una mejora con respecto a sus homólogos de detectores de solo IR, que se sabe que producen falsas alarmas o pierden sensibilidad y alcance en presencia de un fuerte ruido de fondo, como el directo o el reflejado. fuentes de luz o incluso exposición al sol. Los detectores de infrarrojos a menudo se han basado en el crecimiento de energía infrarroja como factor determinante principal para la detección de incendios, declarando una alarma cuando los sensores exceden un rango y una proporción determinados. Sin embargo, este enfoque es propenso a desencadenarse por ruidos distintos del fuego. ya sea por radiación de cuerpo negro, ambientes de alta temperatura o simplemente cambios en la iluminación ambiental. Alternativamente, en otro enfoque de diseño, los detectores de infrarrojos solo pueden dar la alarma si se dan condiciones perfectas y coincidencias de señal claras, lo que resulta en que no se detecte el fuego cuando hay demasiado ruido, como al mirar la puesta de sol.
Los detectores de llamas 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 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 de incendios o el rechazo de falsas alarmas.
Un sensor de luz visible (por ejemplo una cámara: de 0,4 a 0,7 µm) es capaz de presentar una imagen comprensible para un ser humano. Además, los ordenadores pueden realizar complejos análisis de procesamiento de imágenes, 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 información de luz visible (monitor) con información UV o infrarroja, para discriminar mejor las falsas alarmas o mejorar el rango de detección. [3] La cámara corona es un ejemplo de este equipo. En este equipo se mezcla la información de una cámara UV con información de imagen visible. Se utiliza para rastrear defectos en equipos de alto voltaje y detección de incendios a grandes distancias.
En algunos detectores, se agrega al diseño un sensor de radiación visible (luz).
Se puede utilizar un circuito cerrado de televisión o una cámara web para la detección visual de (longitudes de onda entre 0,4 y 0,7 μm). El humo o la niebla pueden limitar el alcance efectivo de estos, 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 la llama , mediante 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 calidad de la llama. Estos detectores se pueden utilizar en grandes calentadores de gas de procesos industriales y están conectados al sistema de control de llama. Por lo general, actúan como monitores de calidad de la llama y para la detección de fallos de llama. También son comunes en una variedad de hornos y calderas de gas domésticos.
Los problemas con las calderas que no permanecen encendidas a menudo pueden deberse a sensores de llama sucios o a una superficie de quemador deficiente para completar el circuito eléctrico. Una llama pobre o que se despega del quemador también puede interrumpir la continuidad. [6]
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Los termopares se utilizan ampliamente para monitorear la presencia de llamas en sistemas de calefacción por combustión y cocinas de gas. Un uso habitual en estas instalaciones es cortar el suministro de combustible si falla la llama, con el fin de evitar que se acumule combustible no quemado. Estos sensores miden el calor y por tanto se utilizan habitualmente para determinar la ausencia de 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 radiación, que el ojo humano percibe como llamas visibles de color amarillo y rojo y calor. De hecho, durante un incendio, se emite relativamente poca energía ultravioleta y 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 CO 2 en 4,3 µm porque durante la quema de hidrógeno no se libera CO 2 . El pico de CO 2 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 para UV, luz visible, IR cercano y/o IR de banda ancha tiene por lo tanto muchos más "datos de sensor" para calcular y por lo tanto es capaz de 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 debe a que el oxígeno aspirado y el combustible presente se queman y al mismo tiempo aspiran nuevo oxígeno y nuevo material combustible. Estas pequeñas explosiones provocan el parpadeo de la llama.
El sol emite una enorme cantidad de energía, que sería perjudicial para el ser humano 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 CO 2 "frío" filtra la radiación solar alrededor de 4,3 μm. Por lo tanto, un detector de infrarrojos que utiliza esta frecuencia es ciego al sol. No todos los fabricantes de detectores de llama utilizan filtros afilados para la radiación de 4,3 μm y, por lo tanto, captan una gran cantidad de luz solar. Estos detectores de llama económicos apenas se pueden utilizar en aplicaciones exteriores. Entre 0,7 μm y aprox. 3 μm hay una absorción de luz solar relativamente grande. Por lo tanto, algunos fabricantes de detectores de llama utilizan este rango de frecuencia para la detección de llamas (en combinación con otros sensores como ultravioleta, luz visible o infrarrojo cercano). La gran ventaja económica es que las ventanas de los detectores pueden estar hechas de cuarzo en lugar del costoso zafiro . Estas combinaciones de sensores electroópticos también permiten la detección de incendios que no son de hidrocarburos, como incendios de hidrógeno, sin el riesgo de falsas alarmas causadas por la luz artificial o la soldadura eléctrica.
Los detectores de llamas por infrarrojos sufren radiación de calor infrarroja que no es emitida por el posible incendio. Se podría decir que el fuego puede quedar 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 infrarrojos con mayor sensibilidad. A veces, basta con mover la mano para activar un detector de llama por infrarrojos. A 700 K un objeto caliente (cuerpo negro) comienza a emitir luz visible (resplandor). Los detectores de infrarrojos duales o múltiples suprimen los efectos de la radiación térmica mediante sensores que detectan justo debajo del pico de CO 2 ; por ejemplo a 4,1 µm. Aquí es necesario que haya una gran diferencia en la salida entre los sensores aplicados (por ejemplo, los sensores 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 actual. En otras palabras, el detector de llama se vuelve menos sensible. Cualquier detector de llama multiinfrarrojo se ve afectado negativamente por este efecto, por muy 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 y la ubicación del sensor en la carcasa. En el caso de los sensores de infrarrojos también influye la laminación del material del sensor; limita el cono de visión del detector de llama. Un cono de visión amplio no significa automáticamente que el detector de llamas sea mejor. Para algunas aplicaciones, es necesario alinear el detector de llamas con precisión para garantizar que no detecte posibles fuentes de radiación de fondo. El cono de visión del detector de llama es tridimensional y no necesariamente es perfectamente redondo. El ángulo de visión horizontal y el ángulo de visión vertical a menudo difieren; Esto se debe principalmente a la forma de la carcasa y a las piezas reflejadas (destinadas a 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°. Aquí se debe alcanzar 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 llamas está determinado en gran medida por la ubicación de montaje. De hecho, al hacer una proyección, conviene imaginar lo que "ve" el detector de llama. Como regla general, la altura de montaje del detector de llamas es el doble que la del objeto más alto en el campo de visión. También se debe tener en cuenta la accesibilidad del detector de llama, por motivos de mantenimiento y/o reparaciones. Por este motivo se recomienda un mástil de luz rígido con un punto de giro. Un "techo" encima del detector de llama (30 x 30 cm, 1 x 1 pie) evita la contaminación rápida en aplicaciones al aire libre. También hay que tener en cuenta 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 ciego. En general, cuando se montan varios detectores de llama, se debe dejar que se "miran" entre sí y 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 llama "miraran" desde la posición central hacia el área a proteger. El rango de detectores de llama para incendios estándar de la industria de 30 x 30 cm, 1 x 1 pie se indica en las hojas de datos y manuales del fabricante; este rango puede verse afectado por los efectos desensibilizantes de la luz solar, agua, niebla, Radiación de vapor y cuerpo negro .
Si la distancia entre la llama y el detector de llama es grande en comparación con las dimensiones del incendio, entonces se aplica la ley del cuadrado: si un detector de llama puede detectar un incendio con un área A en una cierta distancia, entonces un área de llama 4 veces mayor es necesario si se duplica la distancia entre el detector de llama y el fuego. En breve:
Distancia doble = área de llama cuatro veces mayor ( fuego ).
Esta ley es igualmente válida para todos los detectores de llama ópticos, incluidos los de vídeo. La sensibilidad máxima se puede estimar dividiendo el área máxima de 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 un mismo detector de llama y un mismo tipo de incendio, la distancia máxima o la superficie mínima de incendio: A = cd 2 y d = √A/C
Sin embargo, hay que destacar que la raíz cuadrada en realidad ya no es válida para distancias muy grandes. A largas distancias, otros parámetros desempeñan un papel importante; como la aparición de vapor de agua y de CO 2 frío en el aire. Por el contrario, en el caso de una llama muy pequeña, el parpadeo decreciente de la llama desempeñará 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 , densidad de energía emisora. , M , está dada por
mi =2π SEÑOR 2/( R 2 + D 2 )
Cuando R << D entonces la relación se reduce a la ley del cuadrado (inverso)
mi =2π SEÑOR 2/re 2
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