VARIABLES FISICAS Y QUIMICAS

Las variables de proceso más comunes que se encuentran en la industria: la presión, el caudal, el nivel y la temperatura. Existen otras muchas variables que son también de interés industrial y que pueden clasificarse como físicas y químicas.

Las variables físicas son aquellas relacionadas con las causas físicas que actúan sobre un cuerpo, con su movimiento o bien con las propiedades físicas de las sustancias. Entre ellas se encuentran la llama, el oxígeno disuelto, la turbidez y la radiación solar.

Las variables químicas están relacionadas con las propiedades químicas de los cuerpos o con su composición. Entre ellas, se encuentran la conductividad, el pH, redox y la composición de los gases en una mezcla.

1. Llama

La detección de la llama es muy importante desde el punto de vista de seguridad. Los quemadores de gas o fuel-oil, utilizados en los hornos o en las calderas de vapor, necesitan, para que su funcionamiento sea correcto, que la llama producida por el combustible sea estable, de calidad y que se mantenga en estas condiciones mientras el quemador esté en marcha. Ante un fallo en la llama, el sistema de protección debe actuar, inmediatamente, excitando el circuito eléctrico de enclavamiento previsto en la instalación para que el conjunto "caiga" en seguridad y evite la entrada de combustible sin quemar, eliminando así el peligro de su eventual encendido y explosión subsiguiente.

Los detectores de llama aprovechan varias características de la llama para su funcionamiento: calor, ionización y radiación.

1.1 Detectores de calor

El calor lo utilizan los detectores térmicos (figura 7.43) formados por bimetales, termopares, varillas de dilatación y dispositivos a expansión de líquidos que proporcionan un control relativamente satisfactorio en instalaciones domésticas.

1.2 Detectores de ionización – rectificación

La ionización es el fundamento de los detectores de ionización-rectificación (figura 7.43). Una tensión alterna, aplicada a dos electrodos colocados dentro de la llama, hace circular una pequeña corriente alterna, ya que los gases en la llama están ionizados. La resistencia de la llama es bastante alta, del orden de 250.000 a 150 millones de ohmios, y la corriente que pasa es de unos pocos microamperios.Estos detectores de conductividad tienen el inconveniente de que un cortocircuito de alta resistencia entre los electrodos simula la llama.

Los detectores de llama de rectificación se basan en que al aplicar una tensión alterna a los electrodos (varilla y quemador), la corriente circula con mayor facilidad en un sentido que otro si la superficie activa de uno de los electrodos (superficie expuesta a la llama) es varias veces mayor que la del otro electrodo (4:1). De este modo, se obtiene una corriente alterna rectificada, parecida a una corriente continua pulsante, con lo cual, si se presenta un cortocircuito de alta resistencia en los electrodos, se genera una señal alterna que es detectada como falsa por el circuito electrónico.Tienen el inconveniente de que no pueden usarse satisfactoriamente en quemadores de fuel-oil, ya que la llama del fuel quema en despegue del inyector del quemador, y, además, se forman sedimentos e incluso corrosiones en la varilla por la combustión de fuel-oil.

1.3 Detectores de radiación

Los detectores basados en la radiación se fundan en la energía que una llama irradia en forma de ondas que producen luz y calor. En el gráfico de la figura 7.42 pueden verse las radiaciones visible (10% de la total), infrarrojos (90% de la total) y ultravioleta (1% de la total), así como las propias de la llama de fuel-oil, de gas y del refractario.

Los detectores disponibles pueden clasificarse como sigue:

a) Los detectores de radiación visible (figura 7.43) son de dos tipos: sulfuro de cadmio y óxido de cesio. El primero, que es el más utilizado, consiste en un elemento de sulfuro de cadmio que varía su resistencia de forma inversamente proporcional a la intensidad luminosa, mientras que el segundo consiste en un tubo de vacío que con_ ene un cátodo y ánodo emitiendo electrones cuando la luz incide sobre su superficie. La aplicación de estos detectores requiere una llama luminosa quedando su uso limitado a quemadores de combustibles líquidos. Son incapaces de diferenciar la luz procedente de una llama de la de otras fuentes (luz natural, refractario, etc.).

b) Los detectores de radiación infrarroja (_ gura 7.43) emplean la célula de sulfuro de plomo cuya resistencia eléctrica decrece al aumentar la intensidad de radiación. La célula de sulfuro de plomo no distingue entre la radiación infrarroja emitida por el refractario o por la llama. Sin embargo, la emisión de energía radiante de la llama tiene una característica parpadeante que permite, a un circuito electrónico especialmente concebido, discriminar entre la señal de llama y la señal uniforme del refractario. No obstante, el movimiento de los gases calientes frente al refractario puede simular este parpadeo, excitando a la célula.

c) Los detectores de radiación ultravioleta (_ gura 7.43) consisten en un tubo que con_ ene dos electrodos, normalmente de tungsteno. El tubo es de material permeable a la radiación ultravioleta, cuarzo por ejemplo, y está lleno de un gas inerte. El funcionamiento es similar al de un tubo Geiger.

Si una radiación ultravioleta penetra en el tubo e incide sobre el cátodo, éste emite electrones que son atraídos por el ánodo a causa del campo eléctrico establecido entre ambos. Este proceso ioniza el gas en el tubo, con lo que éste conduce una corriente.

Para asegurar una verificación constante de la presencia de llama es preciso interrumpir, periódicamente, la tensión entre cátodo y ánodo, con el _ n de que se establezca la conductividad del tubo un número de veces por segundo, dado que dicho tubo presenta, una vez excitado, una descarga automantenida en tanto que exista un campo eléctrico entre los electrodos.La ventaja principal de los detectores de radiación ultravioleta es su total insensibilidad a las radiaciones infrarrojas y visibles no siendo afectados, por este motivo, por las radiaciones del refractario caliente. Dado que ambas llamas de gas y de fuel-oil generan radiaciones ultravioletas, estos detectores son idóneos para instalaciones mixtas.

Tabla comparativa de detectores:

1.4 Programadores

Los detectores descritos están conectados a programadores que pueden abarcar desde la simple alarma de fallo de llama hasta una programación completa de puesta en marcha y paro de la instalación incluyendo las fases de prepurga (para limpiar totalmente la cámara de combustión antes de cada encendido), supervisión de llama piloto y principal, postpurga, interruptores de enclavamiento para fallos en la presión de vapor de atomización, presión de aire de control, alimentación eléctrica, nivel bajo en la caldera, ventilador de aire forzado, etc.

El sistema detector-programador debe ser capaz de detectar la llama en un tiempo lo más breve posible. Como ejemplo, señalemos que en los detectores de llama de tipo térmico el tiempo de respuesta es del orden de 1 a 3 minutos. En un quemador de gas de una potencia de 600.000 kcal/h con un consumo aproximado de 60 m3/h de gas natural, y ante un fallo de llama el detector térmico, necesitaría 1 minuto para cortar el paso de combustible y durante este tiempo habrían entrado, en la cámara de combustión, 1 m3 de gas y una cantidad de aire diez veces superior, totalizando 11m3 de mezcla explosiva potencial. En cambio, un sistema electrónico hubiera actuado en un tiempo aproximado de un segundo, siendo el volumen liberado, en este caso, de sólo 0,2 m3.

A primera vista parece lógico pensar que, en una instalación dada, pueden presentarse gran número de explosiones. De hecho no es así, dado que para que se produzca una explosión deben aparecer fallos sincronizados. Es decir, el fallo simultáneo de un componente y el de la llama o de la ignición debe ocurrir dentro del mismo ciclo.

La posibilidad de que concurran estas circunstancias en un mismo ciclo es remota. Sin embargo, a medida que el número de ciclos operativos disminuye, la posibilidad de un doble fallo aumenta, ya que el tiempo entre puestas en marcha y, por tanto, entre verificaciones de componentes, es mayor, tal como sucede en navegación o en industrias que sólo paran un número limitado de veces al año. En estas condiciones, la protección total se logra con una autocomprobación periódica de sus componentes durante la marcha de la caldera. Si se presenta una simulación de fallo de llama, el dispositivo de autocomprobación impedirá el arranque del quemador o bien, si dispone de autocomprobación periódica, lo parará si estaba en marcha.

La autocomprobación periódica durante la marcha se logra con un detector ultravioleta dotado de un sistema de comprobación electrónica de la presencia de llama. Otro sistema consiste en un diafragma oscilante que dispara unas 50-90 veces por minuto de acuerdo con los impulsos emitidos por un relé en el programador.

De este modo, la llama deja de ser vista por el detector y el relé de impulsos asegura la autocomprobación del circuito una vez por segundo. Cualquier defecto en los componentes electrónicos del detector y del programador da lugar a un paro de seguridad en unos 4 segundos. Los programadores con microprocesador proporcionan una comprobación lógica continua de todo el circuito, la detección y solución de averías, la optimización de los períodos de prepurga y postpurga con el consiguiente ahorro de combustible y la secuencia automática de puesta en marcha y paro de la instalación.