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Selección del detector de llama: Tecnologías de Detección

Durante décadas, los detectores de llama de energía radiada se han aplicado para la protección contra incendios de instalaciones industriales y comerciales. Se sabe que los incendios emiten radiación electromagnética en las longitudes de onda infrarroja (IR) luz visible (VIS) y ultravioleta (UV) según la fuente de combustible. Los detectores de llama que utilizan sensores adaptados a las respectivas bandas espectrales miden la energía radiante emitida para determinar si una llama es real.

Los fabricantes de detectores de llama saben desde hace tiempo que el detector «perfecto» debe lograr un equilibrio preciso entre la correcta detección de llama y el rechazo absoluto de falsas alarmas. Hoy en día generalmente se acepta que no existe un detector de llama perfecto. Todos tienen puntos fuertes y limitaciones y se necesita una variedad de tecnologías de detección de llama para hacer coincidir el tipo de llama con el entorno o la aplicación en la que el detector funcionará adecuadamente.

Los detectores ópticos pueden «ver» una llama a una gran distancia sin que el humo o el calor tengan que alcanzar al detector. Los detectores pueden responder a un evento de alarma de forma rápida a grandes distancias, por ejemplo un fuego de 1 pie² (0.1 m²) de heptano se puede detectar a una distancia de hasta 80 m en solo 71 segundos. Esta capacidad hace que la detección de llama sea muy eficaz en exteriores y en edificios de gran volumen donde las técnicas convencionales de detección de incendios no son aptas.

¿Cuáles son los tipos más comunes de detectores de llama disponibles?

Los detectores de llama ópticos más comunes utilizados hoy en día son:

  • UV-IR → Una combinación de tecnologías de detección UV e IR.
  • IR3 → Triple IR: el uso de tres bandas IR para la detección de llama y el rechazo de falsas alarmas.

¿Qué es la detección de llama UV?

La detección de llama UV se ha utilizado desde principios de la década de 1970. La mayoría de los detectores UV utilizan un tubo sensor que detecta la radiación emitida en el rango de 180 a 250 nanómetros (nm). 

Los detectores de llama UV pueden responder muy rápidamente a los incendios, ya que su mecanismo de detección está simplemente relacionado con la cantidad de fotones (energía luminosa) por segundo que recibe el detector. Una vez superado el umbral preestablecido, emitirá una alarma. 

Prácticamente, todos los incendios emiten radiación en esta banda, mientras que la radiación del sol es absorbida por la atmósfera terrestre. El resultado es un detector inmune al sol. 

Los detectores UV son sensibles a la mayoría de fuegos incluidos los de hidrocarburos (líquidos gases y sólidos) metales (magnesio) azufre, hidrógeno, hidracina y amoníaco. 

Hoy en día los detectores de llama UV se usan principalmente en el interior del recinto de las turbinas de gas. Esto se debe a que los detectores UV son insensibles al calor generado por la turbina. 

Si bien los detectores UV son considerados de uso general, tienen problemas de falsas alarmas con soldadura por arco, rayos, rayos X chispas, arcos y halos.

También debe tenerse en cuenta que algunos gases y vapores inhiben la detección, por ejemplo el tolueno y que la contaminación óptica, la niebla de aceite, el polvo, la suciedad y la arena pueden cegar el detector.

¿Qué es la detección de llama IR de frecuencia única?

Los detectores de llama IR de frecuencia única (SFIR) esencialmente supervisan una banda estrecha de radiación alrededor de 4,5 micrones, que es una banda de emisión predominante en los fuegos de hidrocarburos.

Esta banda es particularmente útil, ya que la radiación del sol es absorbida por la atmósfera terrestre, lo que hace que los detectores de llama IR de frecuencia única sean inmunes a la luz solar.

detector de llama de frecuencia única
Detección de llama IR de frecuencia única. Imagen: @Bequbic

Los detectores SFIR utilizan un sensor piroeléctrico y un filtro paso banda de baja frecuencia, que limita su respuesta a aquellas frecuencias que son características de un fuego parpadeante.  

Los detectores IR de frecuencia única son altamente inmunes a los contaminantes ópticos y son inmunes a la luz solar, soldadura, rayos, rayos X, chispas, arcos y halos. Sin embargo, no son adecuados para incendios que no sean de carbono y pueden generar falsas alarmas de fuentes de infrarrojo modulado. La lluvia y el hielo en su lente inhiben la detección.

Igual que los detectores UV, es bastante raro ver detectores SFIR utilizados en la actualidad, esto se debe principalmente a los avances en la detección de llama UV-IR y triple IR (IR3).

¿Qué es la detección de llama UV-IR?

La detección de llama UV-IR es la combinación de tecnologías de detección de llama UV e IR. Los detectores UV-IR emplean un sensor UV con un sensor IR y un filtro adaptado al tipo de fuego/combustible deseado.

Las características de respuesta del detector están determinadas por la longitud de onda IR seleccionada. Por lo general, será de 2,7 micras para incendios que no sean de hidrocarburos y de 4,5 micras para incendios a base de hidrocarburos.

Los detectores de llamas UV-IR son muy resistentes a las falsas alarmas, ya que las tecnologías de detección UV e IR comparten pocas fuentes de falsas alarmas. Sin embargo, se debe tener cuidado al usar estos dispositivos, ya que existen numerosos factores que pueden inhibir la respuesta del detector, por ejemplo, contaminación óptica, solventes en el aire, así como el agua y el hielo en la óptica del detector.

¿Qué es la detección de llama triple IR-IR3?

A finales de los 90, los avances de los microprocesadores permitieron calcular y analizar rápidamente datos más complejos de las bandas espectrales.

Un detector de triple IR tiene tres sensores, cada uno sensible a una longitud de onda IR diferente. La radiación IR emitida por un fuego típico de hidrocarburos es más intensa en la longitud de onda aceptada por un sensor, generalmente 4,5 micrones, que los otros dos que supervisan las bandas adyacentes (bandas de protección) en busca de falsas alarmas. Con otras fuentes de radiación (por ejemplo, calentadores, lámparas, luz solar), este no es el caso, ya que la intensidad a 4,5 micras no es mayor que la intensidad de al menos una de las bandas de protección. El circuito electrónico del detector traduce la información recibida en datos que se pueden analizar para:

  • Análisis de parpadeo de llama.
  • Comparar umbrales de señales de energía.
  • Ratios y correlaciones matemáticas entre varias señales.
Detector de llama triple
Detección de llama triple IR (fuego HC) con bandas de protección adyacentes. Imagen: @Bequbic.

Los detectores IR3 son virtualmente inmunes a las falsas alarmas y pueden cubrir distancias extremadamente largas para algunos tipos de fuegos. Sin embargo, existen amplias variaciones de rendimiento de una marca a otra con respecto a las distancias de detección y los detectores IR3 iguales. El fabricante debe revisar cuidadosamente el rendimiento del detector para su aplicación, detección al tipo de fuego de interés y la velocidad de respuesta. 

Cuando la detección de llamas IR3 apareció por primera vez en el mercado, solo era capaz de detectar fuegos de hidrocarburos debido a la banda de onda seleccionada para el canal principal de detección de incendios. En los últimos años, se han realizado avances en la selección de filtros y ahora se encuentran disponibles unidades capaces de detectar hidrógeno. Estas unidades utilizan micrones para el canal de detección de fuegos sin hidrocarburos y dos longitudes de onda adyacentes para el rechazo de falsas alarmas. 

En comparación con los detectores UV-IR el detector IR3, aunque tiene un coste ligeramente más alto, proporciona mayor cobertura de área, lo que significa que se requieren menos detectores para cubrir el mismo riesgo y, por tanto, el coste total de instalaciones es menor.

Entender el detector de llama

Antes de seleccionar un tipo de detector, es importante que el ingeniero comprenda la aplicación/instalación. Los puntos a considerar incluyen:

  • Clasificación del área: ¿Se instalarán las unidades en un área peligrosa? Si es así, qué aprobaciones se requieren.
  • Riesgo de incendio: ¿Qué se va a quemar?¿Cuál es el potencial de escalada?¿Qué tamaño de fuego necesita ser detectado?
  • Fuentes de alarma no deseada: ¿Hay algo que pueda hacer que el detector emita una alarma sin que esté presente un incendio peligroso? La fuente no deseada más obvia para todos los tipos de detectores de llama sería una chimenea elevada o de tierra. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que diferentes tecnologías de detección pueden verse afectadas negativamente por diferentes estímulos.
  • Condiciones de funcionamiento: como dispositivo de seguridad principal, es esencial que se maximice el tiempo de funcionamiento, ya que es importante comprender las temperaturas de funcionamiento máximas y mínimas.
  • Pruebas de mantenimiento y funcionamiento: los detectores de llama requieren pruebas rutinarias y pueden necesitar mantenimiento periódico en atmósferas que contienen altos niveles de contaminación. Si es posible, el acceso debe estar disponible sin necesidad de otros medios de elevación, aunque esto no siempre es posible.

Conclusión

Hoy en día la mayoría de los detectores de llama comercializados están basados en UV-IR o IR3. Los dispositivos que utilizan estas tecnologías pueden detectar una amplia gama de tipos de fuego y el rendimiento está determinado principalmente por la longitud de onda IR seleccionada. Los detectores son extremadamente inmunes a las falsas alarmas, pero existen diferencias significativas en el rendimiento de proveedor a proveedor, particularmente para detectores basados en IR3. En la segunda parte analizaremos las consideraciones de aplicación y su profundidad.

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