GUÍA PARA LA CORRECTA ELECCIÓNGUÍA PARA LA CORRECTA ELECCIÓNGUÍA PARA LA CORRECTA ELECCIÓNGUÍA PARA LA CORRECTA ELECCIÓNGUÍA PARA LA CORRECTA ELECCIÓNDE UN DETECTOR DE LLAMADE UN DETECTOR DE LLAMADE UN DETECTOR DE LLAMADE UN DETECTOR DE LLAMADE UN DETECTOR DE LLAMA

SEGÚN SU APLICACIÓNSEGÚN SU APLICACIÓNSEGÚN SU APLICACIÓNSEGÚN SU APLICACIÓNSEGÚN SU APLICACIÓN

DETECTORES DE LLAMA

SPECTREX INC.SPECTRONIX. LTD.

MN-DT-69010 MARZO 1998

Doc.: DN200S

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SPECTRONIX DETECTORES DE LLAMAMN-DT-690 2

ANATOMÍA DEL FUEGO

FIGURA 1

CombustiblesVaporizados

AIRE AIRE

SPECTRONIX

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DETECTORES DE LLAMA

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INFORMACIÓN DE LATECNOLOGÍA DEDETECCIÓN DE

INCENDIOS

El análisis de un fuego hipotético puedeenfocarse de diferentes maneras, dependiendo delos parámetros observados, tales como: consumode combustible, consumo de Oxígeno/Aire, Calordesprendido o reacciones químicas que tienenlugar en la zona de la llama vaporizada. LaFIGURA 1 describe la anatomía de un fuego dehidrocarburo en el cual el combustible volatilizado esdispersado en el ambiente, donde inmediatamentereacciona con Oxígeno, dando lugar a una reacciónquímica en cadena que desprende productosgaseosos, tales como: CO

2, H

2O, HC (moléculas

de hidrocarburo no combustibles), C (Hollín), yCO. Las tecnologías de detección de fuego, sebasan en los factores arriba mencionados para eldesarrollo de nuevos detectores.

DETECCIÓN ÓPTICADEL FUEGO

La energía que irradia es un factor primordialpara el análisis de la detección. El 30% - 40% deésta energía es disipada en forma de radiaciónelectromagnética en varias líneas espectrales, talescomo: UV (UltraVioloeta), Visible, y BandasIR (Infrarrojas) .

La Figura 2 muestra, esquemáticamente, unespectro típico de una emisión de fuego dehidrocarburo, donde se destacan las bandasespectrales UV e IR para indicar el campoespectral que normalmente se selecciona para losdetectores de fuego existentes.

El modelo de radiación espectral del fuego,siendo único, permite líneas espectrales distintasque se utilizan en varios equipos de detección.Normalmente, los detectores de fuego utilizansensores ópticos, trabajando sobre líneas

INNOVACIONES EN LADETECCIÓN DE

INCENDIOS

Las industrias que se dedican a manufacturar,preparar, almacenar o transportar materialesinflamables, necesitan constantemente un sistemade detección de fuegos de respuesta rápida y eficaz.Es evidente que cuanto menor es el fuegodetectado, más fácil es extinguirlo. En este sentido,los sistemas de detección de incendios,especialmente los detectores de llama ópticos, sonla mejor arma para combatir el fuego debido a sugran capacidad de detección remota.

Parece simple y sencillo diseñar un detectoróptico para la detección de llamas con sensoresUV, IR o una combinación de ambos. Sin embargo,estos detectores se utilizan normalmente en ambientesindustriales con fuentes de irradiaciación que puedendañar el detector e incluso originar falsas alarmas. Porotra parte, muchas aplicaciones requieren detectoresde llama para resistir condiciones ambientalesextremas sin que esto repercuta en el buenfuncionamiento del detector

La mayoría de las aplicaciones en las que seutilizan detectores de llama ópticos son las llamadasde "Alto Riesgo/Valiosas", las cuales requieren quelos detectores estén diseñados y fabricados con losmétodos más sofisticados y estrictos para asegurarque el producto una vez instalado será completamentefiable.

Estos requisitos han acelerado el proceso deinvestigación tecnológica y el desarrollo de nuevosenfoques dentro del campo de la detección deincendios basándose en disciplinas científicas comopor ejemplo la física, química, electro-óptica, físicaelectromagnética, análisis espectralelectromagnético y termodinámica. Esta guíadescribe un enfoque innovador utilizado para elanálisis espectral de la llama que ha desembocadoen el desarrollo de un novedoso detector de llamainfrarrojo tipo IR .

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DETECTORES DELLAMA UV

La banda espectral UV, por característicasde onda corta, es absorbida en el ambientecircundante por aire, humo, polvo, gases y variosmaterias orgánicas. Por lo que la radiación UVdispersada en la atmósfera, especialmente en lasde onda corta de 300 µm (banda espectral solarno visible), es absorbida por el ambiente circundantey no creará falsas alarmas en los detectores de llama.Los detectores UV basados en esta tecnologíadetectan el fuego con extremada rapidez (3-4milisegundos) debido a la alta radiación de energíaUV emitida por fuegos y explosiones en el momentode su ignición.

Sin embargo, si se producen radiacionesfortuitas UV procedentes del alumbrado,soldaduras de arco, radiación solar (no absorbidapor el ambiente, debido a agujeros en la capa deozono y explosiones solares), éstas generarán falsasalarmas en los detectores UV.

3 AÑOS D

E GARANTÍA

SharpEye 20/20U / 752002

espectrales específicas (habitualmente bandasestrechas) que registran las radiaciones de laslongitudes de onda seleccionadas. Las señalescaptadas por el sensor son analizadas de acuerdocon una técnica predeterminada que incluye una omás de las siguientes:

1. Análisis de la frecuenciaparpadeante de la llama.

2. Comparación entre las señales deenergía.

3. Correlación matemática entreseñales de energía.

4. Técnicas comparativas (Relación,entrada, técnicas AND o OR).

5. Correlación para memorizar losanálisis espectrales.

Los equipos de detección que utilizan variasde las técnicas antes mencionadas ofrecerán mayorfiabilidad en cuanto a sensibilidad de detecciónfrente a inmunidad a falsas alarmas.

Cuatro de las principales tipos de detectoresópticos han surgido en los últimos veinte años:

1. DETECTORES UV.2. DETECTORES IR.3. DETECTORES UV/IR.4. DETECTORES IR/IR.

Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes.Utilizan una o varias de las técnicas de análisisantes mencionadas, junto con los sensores ópticosmás avanzados en las longitudes de ondaespectrales específicas. Sin embargo, cada tipo dedetector se utiliza para una aplicación específica.Las aplicaciones, normalmente, se determinanevaluando hasta qué punto las falsas alarmasoriginadas por estímulos ambientales pueden ser lacausa de mayores problemas.

SPECTRONIX

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DETECTORES DE LLAMA

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Para diferenciar la señal espectral de lasllamas de la señal espectral procedente de otrafuente IR, se utilizan varias técnicas matemáticasy técnicas basadas en el análisis de diversosparámetros. Las más aceptadas son las basadas enel análisis del parpadeo de la llama y las señalesdel umbral de la banda estrecha IR procesado enla longitud de onda IR de 4,1 µm - 4,6 µm.

Aun así, estos detectores de IR están sujetosa falsas alarmas causadas por radiación de cuerposcalientes (calentadores, lámparas incandescentes,lámparas halógenas, etc...).

TECNOLOGÍA DEDETECCIÓN DE

LONGITUD DE ONDADOBLE

Para minimizar o eliminar falsas alarmas, lossistemas de detección óptica de llama han adoptadola tecnología de doble longitud de onda.

DETECTORES DELLAMA IR

En muchos incendios se producenradiaciones infrarrojas (como puede apreciarse enla FIGURA 2). La temperatura de la llama, sumasa de gases calientes (productos de fuego),emiten un patrón de espectro específico que puedeser reconocido fácilmente mediante la tecnologíadel sensor IR.

De todas formas, las llamas no son la únicafuente de radiación IR, y, de hecho, cualquiersuperficie caliente: hornos, halógenosincandescentes, bombillas, calderas, radiacionessolares, emiten radiación IR que coincide con laslongitudes de onda de la radiación IR de la llama.

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TÍPICO ESPECTRO DE EMISIÓN DE UN INCENDIO DE HIDROCARBONOTÍPICO ESPECTRO DE EMISIÓN DE UN INCENDIO DE HIDROCARBONOTÍPICO ESPECTRO DE EMISIÓN DE UN INCENDIO DE HIDROCARBONOTÍPICO ESPECTRO DE EMISIÓN DE UN INCENDIO DE HIDROCARBONOTÍPICO ESPECTRO DE EMISIÓN DE UN INCENDIO DE HIDROCARBONO

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Longitud de Onda Longitud de Onda Longitud de Onda Longitud de Onda Longitud de Onda µµµµµFIGURA 2

Pico COPico COPico COPico COPico CO22222

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3 AÑOS D

E GARANTÍA

Sin embargo, en ambientes industriales, las fuentesde falsas alarmas son variables, incluyendo lasfuentes de radiaciones UV, tales como: soldaduras,arcos eléctricos, relámpagos (efecto corona del altovoltaje), linternas eléctricas (IndustriaPetroquímica), puntas solares; al igual que lasfuentes de radiaciones IR, tales como:calentadores, lámparas incandescentes, lámparashalógenas, etc...Puesto que estas falsas alarmas afectan a amboscanales UV e IR, pueden producirse situaciones enlas que haya presencia de falsos estímulos de fuego,por ejemplo cuando una fuente de IR ( como luz solar)y una fuente de UV (como soldaduras) estánpresentes simultáneamente. En ciertos detectores,puede ocurrir un grave problema cuando existe unafuerte radiación ultravioleta (soldadura) y haypequeñas llamas. La fuerte señal de radiaciónultravioleta bloquea la lógica del detector alcompararla con el canal de IR, deteriorando así suhabilidad para detectar un incendio.La discriminación relacionada al porcentaje de tiempode cada señal, utilizando las llamadas "ventanas"

SharpEye 20/20L / 750002

donde las señales de UV se cuentan continuamente,habilita la eliminación de señales potentes que no sonemitidas por el fuego actual. Los métodos contecnología comparable 'AND', procesan las señalesUV e IR recibidas por los dos sensores del detector,asegurando así la exactitud de estos detectores.

Esta tecnología de doble onda se divide en:

1. Bandas espectrales de UV/IR.2. Bandas espectrales de IR/IR.

En los últimos años, la detección espectraldoble ha sido considerada como el método másavanzado para combatir las falsas alarmas.

DETECCIÓN DELLAMA UV/IR

La tecnología de doble espectro UV/IRutiliza un sensor UV con una buena relación señal/ Ruido y un sensor IR de banda estrecha. El propiosensor UV es un buen detector de llamas, sinembargo también puede activarse fácilmente porestímulos de alarma tales como: soldadura de arco,relámpagos, rayos X y puntas solares. Para prevenirfalsas alarmas originadas por estas fuentes, seincorporó el canal sensible IR.

El canal espectral IR, tiene una firmaespectral característica para el fuego, además dela firma espectral del detector de llama UV, juntasconstituyen un detector fiable para la mayoría deaplicaciones a media distancia. Pero incluso estatecnología uniforme y avanzada tiene suslimitaciones, ya que cada tipo de fuego produceun nivel de radiación específico UV o IR. Porejemplo, una llama de Hidrógeno genera mucharadiación UV y muy poca radiación IR, mientrasque un incendio de carbón generará poca radiaciónUV y abundante radiación IR.

Por lo tanto, ya que el detector doble UV/IR combina ambas señales para una función "AND"podría haber algún tipo de fuego que no sedetectara.

Para asegurar la fiabilidad de la señal delfuego, un circuito discriminador compara el umbralde radiación UV, el umbral del IR, su relación y sumodo de parpadeo. Únicamente cuando todos losparámetros satisfagan la detección matemática delalgoritmo, se confirma la alarma de fuego.

SPECTRONIX

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DETECTORES DE LLAMA

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DETECTORES DELLAMA IR/IR

Otra tecnología de longitud de onda doblees la que combina dos bandas espectrales estrechasen la banda espectral IR. Ya que el fuego dehidrocarburos emite energía de naturaleza continuaen el IR (0,9 µm - 3,0 µm) y una única punta a los4,3 µm - 4,5 µ m (causado por el CO

2 del fuego),

esas distinciones son el "corazón" de la mayoríade detectores de doble IR. Los detectores de fuegode doble IR comunes utilizan dos bandas estrechasde 0,9 µm y 4,3 µm para análisis de señal de lallama. No obstante, en los últimos años, ha surgidoun nuevo enfoque en la tecnología de detecciónde doble IR, donde la principal característica es elanálisis a fondo del espectro de la llama a 4,3 µm- 4,5 µm.

La base de éste análisis es el "EspectroDiferencial" , en el que se analizan dos líneasespectrales: una línea espectral es emitidafuertemente por el fuego mientras la segunda esemitida de forma débil por los alrededores, así larelación entre estas dos señales proporciona unaherramienta matemática sustancial para procesarla señal del fuego. Este tipo de detectores IRdetecta la radiación en esos dos canales y procesalas señales de entrada basadas en los siguientesparámetros:

ooooo Análisis del parpadeo de la llama.

ooooo Intensidad de las radiacionespor encima del umbralde seguridad.

ooooo Relación entre las dosseñales recibidas en losdos sensores.

Sin embargo, ya que la mayoría de estos detectoresde doble IR utilizan el sensor de 4,3µm como suprincipal canal para el reconocimiento del fuego(donde se aprecia el pico de emisión CO

2), éstos

padecen atenuación atmosférica, especialmente enaplicaciones de gran alcance.

TÉCNICAS AVANZADASPARA EL ANÁLISIS DEL

ESPECTRO DELINCENDIO

Cada uno de los métodos de detección antesmencionados tienen inconvenientes. Es evidenteque los métodos clásicos para el análisis de fuegoson insuficientes. El desarrollo de la tecnologíaelectro-óptica posibilita que, mediante técnicasavanzadas, se desarrollen análisis espectrales másexhaustivos.

El espectro de la radiación de la llama quemide el detector es influenciado por la distanciaentre el detector y la llama y por la concentraciónde gas CO

2 en la atmósfera.

Los dos factores que limitan la línea dedetección de los detectores de doble IR son:

1. La intensidad de la radiación del fuegodisminuye a medida que la distancia aumentaalrededor de 3,3 µm pico. La señal de entradarecibida por el sensor es muy débil (cuanto mayorcantidad en el aire de CO

2, mayor es la absorción

de esta longitud de onda y menor es la señalrecibida). Por esta razón, los detectores de tipodoble IR/IR podrían omitir tales radiaciones y noreconocerlas como fuego.2. La relación entre la banda espectral de 4,3µmy el segundo canal IR (la banda espectral de fondo4,9 µm), se aproxima a la igualdad (1:1) y cesapara estar en la relación existente en los fuegos.

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SPECTRONIX DETECTORES DE LLAMAMN-DT-690 8

Una vez la relación se acerca a uno (1:1), elalgoritmo que procesa las señales de fuego NOdará señal de fuego, aunque pueda producirse unincendio en ese mismo instante.

El primer factor limitador puede reducirseseleccionando un sensor con amplia bandaespectral. Esto intensificará la señal de entrada,aunque no solventará el problema discutido en elsegundo factor limitador (2). La relación entre losdos canales IR se iguala en un incendio alejado deldetector en el caso de que exista granconcentración de CO

2 en la atmósfera. Estos

criterios, cuando se utilizan en los detectores dellama IR/IR, distinguen entre llamas y fuentes defalsas alarmas (calentadores eléctricos) casiimposibles de detectar.

Para dirigir ambas limitaciones, se sugiereel uso de un filtro para una banda espectralestrecha. El uso de este sensor de banda espectralestrecha, además del segundo canal IR,proporciona una relación característica del fuegoa mayor distancia. Una vez se selecciona la bandaespectral adecuada, el factor limitador del Detectorde Llama para la línea de detección ya no es laatenuación atmosférica sino la sensibilidad delsensor específico.

Si la señal de entrada no es significativamentemayor que el ruido interno del sensor, la relacióny la intensidad medida no son fiables comoindicadores de fuego. Los detectores IRdisponibles actualmente en el mercado, tales comoPbSe, Piroeléctricos, Termopilas, tienen pocarelación entre las señales de entrada y el ruidointerno.

Para estos detectores, la señal de la llama auna distancia superior a pocos metros no essignificativamente distinguible de su ruido interior,por lo que se requieren técnicas matemáticassofisticadas para conseguir un reconocimeintoadecuado de la señal.

Resumiendo, la tecnología para la detecciónde incendios de doble IR: si bien es adecuada eninstalaciones pequeñas de exteriores limitados einteriores, existen importantes limitaciones queprevienen la aplicación de ésta tecnología endetección de llamas a larga distancia.

Los factores limitadores son:

ooooo Disminución ambiental(atenuación atmosférica) de laseñal que entra.

ooooo Relación entre dos canalesIR sujetos a largas distancias.

ooooo Señales débiles de entradadebido a los filtros debanda estrecha.

ooooo Señal para el problemadel ruido de detectores IRexistentes.

DETECCIÓNDE LLAMAS POR

MULTI-INFRARROJOS

Para resolver algunos de estos factoreslimitadores, se ha desarrollado un nuevo enfoqueen el mercado de la detección de incendios. Acontinuación detallamos su base científica.

SPECTRONIX

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DETECTORES DE LLAMA

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E GARANTÍA

Usando las técnicas de correlación, dondecada canal IR está 'auto-relacionado' a un valorpredeterminado y, utilizando la relación entre loscanales de IR específicos, se puede conseguir másdiscriminación entre el estímulo de fuego y defalsas alarmas.

Se ha averiguado que la relación de falsasalarmas en detección de fuegos ha disminuido, sinque por ello disminuya, de manera significativa, lasensibilidad, permitiendo así conseguir detectar unincendio a mayores distancias (100 metros).

Este análisis único sobre la llama ha sidoincorporado en el detector TRIPLE IR que tieneuna sensibilidad de detección de un fuego degasolina en un recipiente de 30 cm x 30 cm a unadistancia de 60 metros. Esta sensibilidad es comomínimo cuatro veces superior a la sensibilidad quedisponen otros detectores del mercado. El factormás interesante es que dicha tecnología posee unainmunidad extremadamente alta para falsasalarmas.

La mayoría de las radiaciones del fuego sondebidas a las moléculas de CO

2 caliente y H

2O que

son los principales productos de combustión. Eneste nuevo enfoque, el fuego es considerado comouna fuente alternativa de infrarrojos que emitefuertemente en la banda de emisión CO

2 y de forma

débil sobre la banda de emisión de fondo. Lamayoría de las fuentes de IR (consideradas comoestímulos de falsas alarmas de IR) incluyendo elsol, lámparas incandescentes y halógenas, descargasde arco, calentadores eléctricos, etc., no poseeneste único rasgo espectral.

Para esta técnica de detección de llama seseleccionan tres bandas espectrales de longitud deonda:

1. Dentro de la banda espectralde emisión CO2.

2. Fuera de la banda deemisión CO2.

3. Sobre el fondo de la bandaancha.

La relación matemática entre los tressensores, detectando la longitud de onda específicade la radiación IR, es característica para cada fuenteIR, distinguiendo así entre un pronóstico de fuegoy un estímulo IR que interfiere. Cada fuente IR tienesu propia señal espectral IR y ofrece una relaciónde señal diferente en las tres fuentes.

Teniendo en cuenta la relación entre los trescanales IR, un incendio puede ser detectado casisin falsas alarmas. El desarrollo de esta técnica deanálisis del IR, permite conseguir una detecciónprecisa de una llama escondida (Fuego Lento)cuando las radiaciones de las llamas estánescondidas, pero la masa de calor de gases CO

2 se

emite y por lo tanto se detecta.

SharpEye 20/20I / 780002

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FALSAS ALARMASDEBIDO A LA RADIACIÓNDE CUERPOS CALIENTES

DETECTOR IR DE UNA ÚNICA BANDA

La mayoría de los detectores IR de banda única sebasan en sensores piroeléctricos con un filtro ópticode 4,4 µ y un filtro de banda electrónica de bajafrecuencia (1-10Hz). Cualquier radiación delparpadeo superior a la radiación emitida por unrecipiente de gasolina de 0,1m2 a 4,4 µ a unadistancia de 15 metros sería reconocida por estetipo de detectores como fuego.

Por lo tanto, las fuentes de radiación que noprocedan de un fuego bajo las condicionesanteriormente mencionadas, originarán falsasalarmas en este tipo de detectores.

En la longitud de onda adecuada, la radiaciónprocedente de cuerpos calientes a 1300 K a unadistancia de 15 metros es, aproximadamente,equivalente a la radiación procedente de unrecipiente de gasolina de 0,1m2 a la mismadistancia.

El mismo nivel se consigue desde un cuerpocaliente de 700 K de 0,1m2 a una distancia de 4,5my para una temperatura de 400 K a una distanciade 1 metro.

Los detectores IR de única frecuencia sóloresponden a un cierto parpadeo de llamas eintensidad de radiación de 4,4µ, por lo que sonsensibles para la radiación modulada y oscilantede los cuerpos calientes. Bajo algunascircunstancias, es posible que estos detectoresinterpreten fuentes tales como el parpadeo causadopor agua brillante, luces giratorias o radiacióntérmica interrumpida como fuego.

DETECTOR DE TRIPLE IR (IR 3)

El detector Spectrex IR3 utiliza unacombinación de tres sensores IR de respuesta debanda extremadamente estrecha. Uno cubre labanda espectral de emisión de C0

2, y los otros dos

sensores cubren diferentes bandas espectralesespecialmente seleccionadas.

El detector de triple IR no causará falsasalarmas a ninguna otra fuente de radiacióncontinua, modulada u oscilante que no sea fuego(incluyendo iluminación y otras fuentes tales comoradiación de cuerpos calientes).

Em

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ESPECTRO DE EMISIÓN DE CUERPOS CALIENTES

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Longitud de onda (microns) Detector IR (4,4µ)

Ángulo sólido, (grados)

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µW

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2

Este gráfico muestra la intensidad de la radiación enµw/cm2 y el ángulo sólido de un cuerpo caliente tal ycomo lo ve el detector.

SPECTRONIX

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DETECTORES DE LLAMA

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La tecnología basada en la detección ópticade la llama se conoce desde hace veinte años através de los cuales se han producido avances en eldesarrollo de estos detectores mediante lacombinación de sensores y el uso de nuevastécnicas lógicas y matemáticas.

El detector TRIPLE IR SharpEye es lanueva generación en detección de llama, con altasensibilidad e inmunidad a falsas alarmas.

Con la aparición de este detector y suamplia gama, pocos detectores pueden utilizarsepara cubrir la misma área. Por ejemplo, alproyectar una detección para zonas de carga de

TABLAS Y GRÁFICOS

CONCLUSIONES

gases o aceite, se recomendaba el uso de 4 ó 5detectores por plataforma de carga. Ahora, con elTRIPLE IR se necesitan 2 ó 3 detectores porplataforma. Esto supone rebajar el número dedetectores a la mitad, suponiendo un ahorrosubstancial en el coste del equipo, mientras que,al mismo tiempo, se ofrece al usuario unaprotección más específica. En el caso de una cadenade zonas de carga, el número de detectoresnecesario también se reduce substancialmente conel TRIPLE IR .

Por supuesto, cada instalación es diferente,pero con una planificación prudente y unadistribución adecuada, el cliente puede disponerde la instalación más rentable y segura.

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SAFEYE PUEDE DETECTAR GASES TÓXICOS E INFLAMABLES

Tan Bajo como 5 PPM, hasta 200 m de Distancia

SAFEYE

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DETECTORES DE LLAMA

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NOTIFIER

SPECTRONIX DETECTORES DE LLAMAMN-DT-690 14

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SPECTRONIX

NOTIFIER

DETECTORES DE LLAMA

MN-DT-690 15

A continuación mostramos algunos ejemplos de aplicaciones típicas, hangares,zonas amplias de alamcenamiento, etc.

HANGAR DE UN SÓLO AVIÓN APLICACIÓN INDUSTRIAL

ÁREA DE OFICINAS

Cobertura por debajo de las alas utilizando 4Detectores SHARPEYE 20/20LSensibilidad: 25,4 cm x 25,4 cm.

Instalación en un Tanque de Aceite con techo flotante.

PROTECCIÓN ENCIMA DE LAS ALAS

Cobertura del Hangar utilizando 8 detectores SHARPEYE 20/20I de doble cobertura.Sensibilidad: Fuego de un recipiente de 2,54 cm x 2,54 cm a 60 metros de distancia.