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¿Cómo funcionan los detectores de humo? 

 marzo 15, 2021

Por  Felipe Arguello504

Actualmente se utilizan dos tipos básicos de detectores de humo: ionización y fotoeléctricos.

Las cámaras de detección de estos detectores utilizan diferentes principios de funcionamiento para detectar las partículas de combustión visibles o invisibles emitidas en los incendios en desarrollo.

Operación de detectores de humo por ionización

Una cámara de ionización típica consta de dos placas cargadas eléctricamente y una fuente radiactiva (típicamente Americium  241) para ionizar el aire entre las placas. (Ver Figura 1.)

Forma-de-Emision-de-particulas

La fuente radiactiva emite partículas que chocan con las moléculas de aire y desalojan sus electrones. A medida que las moléculas pierden electrones, se convierten en iones con carga positiva. A medida que otras moléculas ganan electrones, se convierten en iones con carga negativa. Se crean números iguales de iones positivos y negativos.

Los iones cargados positivamente son atraídos hacia la placa eléctrica cargada negativamente, mientras que los iones cargados negativamente son atraídos hacia la placa cargada positivamente. (Ver Figura 2.)

Distribución-de-Iones

Esto crea una pequeña corriente de ionización que se puede medir mediante un circuito electrónico conectado a las placas (condición «normal» en el detector).

Las partículas de combustión son mucho más grandes que las moléculas de aire ionizado. Cuando las partículas de combustión entran en una cámara de ionización, las moléculas de aire ionizado chocan y se combinan con ellas. (Ver Figura 3.)

Distribucion de iones y particulas de la combustion

Algunas partículas se cargan positivamente y otras se cargan negativamente. A medida que estas partículas relativamente grandes continúan combinándose con muchos otros iones, se convierten en centros de recombinación y se reduce el número total de partículas ionizadas en la cámara. Esta reducción en las partículas ionizadas da como resultado una disminución en la corriente de la cámara que es detectada por los circuitos electrónicos que monitorean la cámara. Cuando la corriente se reduce en una cantidad predeterminada, se cruza un umbral y se establece una condición de «alarma».

Los cambios en la humedad y la presión atmosférica afectan la corriente de la cámara y crean un efecto similar al efecto de las partículas de combustión que ingresan a la cámara de detección. Para compensar los posibles efectos de los cambios de humedad y presión, se desarrolló la cámara de ionización dual y se ha convertido en un lugar común en el mercado de detectores de humo.

Un detector de doble cámara utiliza dos cámaras de ionización; uno es una cámara de detección, que está abierta al aire exterior. (Ver Figura 4).

Cámara-Doble-Material-Radioactivo

La cámara de detección se ve afectada por partículas, humedad y presión atmosférica. La otra es una cámara de referencia, que está parcialmente cerrada al aire exterior y se ve afectada solo por la humedad y la presión atmosférica, porque sus pequeñas aberturas bloquean la entrada de partículas más grandes, incluidas las partículas de combustión. Los circuitos electrónicos monitorean ambas cámaras y comparan sus salidas. Si la humedad o la presión atmosférica cambian, las salidas de ambas cámaras se ven afectadas por igual y se cancelan entre sí.

Cuando las partículas de combustión entran en la cámara de detección, su corriente disminuye mientras que la corriente de la cámara de referencia permanece sin cambios. El desequilibrio de corriente resultante es detectado por los circuitos electrónicos. (Ver Figura 5.)

Cámara-doble-particulas-de-combustion

Hay una serie de condiciones que pueden afectar a los sensores de ionización de doble cámara, como polvo, humedad excesiva (condensación), corrientes de aire significativas e insectos pequeños. Todos estos pueden ser mal interpretados como partículas de combustión por los circuitos electrónicos que monitorean los sensores.

Funcionamiento de detectores de humo fotoeléctricos

El humo generado en un incendio bloquea u oscurece el medio en el que se propaga un haz de luz. También puede dispersar la luz cuando ésta se refleja y refracta en las partículas humo. Los detectores fotoeléctricos están diseñados para utilizar estos efectos a fin de detectar la presencia de humo.

Detector de humo fotoeléctrico por dispersión de luz

La mayoría de los detectores de humo fotoeléctricos tienen cobertura localizada (puntual) y funcionan con el principio de dispersión de luz. El haz de un diodo emisor de luz (LED) incide en un área a donde no puede ser captado bajo condiciones normales por un fotosensor, que generalmente es un fotodiodo (véase Figura 6).

Detector-por-dispersion-de-la-luz

Cuando hay presencia de humo en la trayectoria del haz, la luz incide sobre las partículas de humo (Figura 7) y se refleja sobre el fotosensor, que al recibir la luz genera una señal.

Detector-por-dispersion-de-la-luz-con-humo

Detector de humo fotoeléctrico por oscurecimiento

Este tipo de detector también utiliza un emisor de luz y un elemento fotosensor, tal como sería un fotodiodo (véase Figura 8).

Detector por Oscurecimiento

Cuando las partículas de humo bloquean parcialmente la trayectoria del haz de luz (Figura 9), se reduce la intensidad de luz recibida por el fotosensor.

Detector-por-Oscurecimiento-con-Humo

Esta variación es captada por un circuito electrónico que, al llegar al valor precalibrado genera una señal de iniciación de alarma.

Generalmente, los detectores por oscurecimiento utilizan un haz de luz que barre el área a proteger.

Consideraciones sobre el diseño de detectores de humo

Si bien los detectores de humo tienen principios simples de funcionamiento, hay ciertos criterios de diseño que deben observarse. Deben generar una señal de alarma al detectar humo, pero también tienen que reducir al mínimo la captación de falsas alarmas. En un detector por ionización, se puede acumular polvo y suciedad en el material radioactivo y el detector será más sensible de lo que corresponde.

En un detector fotoeléctrico podría ocurrir que la luz emitida se refleje en las paredes de la cámara de detección y sea captada por el fotosensor, que actuará a pesar de que no hay humo. El ingreso de insectos, polvo y otras impurezas a la cámara de detección también podría ser motivo para que la luz se refleje y sea captada por el fotosensor.

A veces, picos transitorios de voltaje u otros tipos de energía irradiada pueden afectar el circuito electrónico tanto de detectores de humo por ionización y fotoeléctricos, en cuyo caso se producirá una falsa alarma aunque no haya humo presente.

El rango de sensibilidad para ambos tipos de detectores están establecidos por Underwriters Laboratories, Inc., y esta sensibilidad se prueba en ensayos bajo condiciones de incendio. Independientemente de su principio de operación, todos los detectores deben ser sometidos al mismo tipo de ensayo bajo condiciones de incendio.

Criterio de selección de detectores de humo

  • Las características de un detector por ionización son más aptas para detección de incendios que se propagan rápidamente, en los cuales las partículas de combustión son generalmente de 0.01 a 0.4 micrones.
  • Los detectores fotoeléctricos son mejores para detectar incendios menos intensos y de menor velocidad de propagación, en los cuales las partículas de combustión son generalmente de 0.4 a 10 micrones. Ambos detectores son aptos para detectar incendios, pero el tiempo de respuesta será diferente, según el tipo de incendio que se presente.

Generalmente, en los edificios hay una considerable variedad de materiales combustibles, por lo cual es muy difícil predecir el tamaño de partículas que serán liberadas en un incendio. Para dificultar aún más la selección, está el hecho de que las distintas causas de la combustión puede tener efectos diferentes en un material combustible. Por ejemplo, un cigarrillo encendido producirá una combustión paulatina si cae sobre un sofá o una cama, pero si cae sobre papel de periódico que se encuentre sobre el sofá o la cama, la combustión generará llamas más rápidamente y de mayor intensidad.

Las innumerables posibilidades y combinaciones de circunstancias que se podrían considerar para un incendio, hace muy difícil seleccionar el detector más apto para determinada aplicación.

Para obtener más información, véanse los párrafos A-2-3.6.1.2, A-2-3.6.1.1, A-2-3.6.1.2 (a), y A-2-3.6.1.2 (b) de la norma NFPA 72-1999.

Los requisitos exigidos por la norma NFPA 72 establecen también que los dispositivos de notificación de alarma (incluso detectores de humo con señal sonora) generen tono temporal de 3 pulsos como señal de evacuación, tal como se describe en la norma ANSI S3.41 (Señales sonoras para evacuación de emergencia).

Situaciones en las que podrían usarse otros tipos de detector

En circunstancias en las que fuera imposible o inadecuado usar detectores de humo convencionales, se pueden usar detectores especiales tal como detectores de llama, detectores de calor y otros dispositivos aptos.

Tenga en cuenta que la NFPA 72-2019, el Código Nacional de Alarmas de Incendio, requiere la selección y colocación de detectores de humo para tener en cuenta las características de rendimiento del detector y las áreas en las que se instalarán los detectores para evitar alarmas molestas o un funcionamiento incorrecto después de la instalación.

El código también advierte al diseñador que la ubicación de los detectores de humo debe basarse en una evaluación de posibles fuentes ambientales de humo, humedad, polvo, humos e influencias eléctricas o mecánicas para minimizar las alarmas molestas. La Sección 5.7.1.8 establece: “A menos que estén específicamente diseñados y listados para las condiciones esperadas, no se instalarán detectores de humo si existe alguna de las siguientes condiciones ambientales:

  1. Temperatura por debajo de 0 ° C (32 ° F)
  2. Temperatura por encima de 38 ° C (100 ° F)
  3. Humedad relativa superior al 93 por ciento
  4. Velocidad del aire superior a 1,5 m / seg (300 pies / min) «

La decisión de usar detectores especiales se debe basar en un estudio de ingeniería y siempre se deben utilizar siguiendo las instrucciones de instalación del fabricante.

Limitaciones de los detectores de humo

Los detectores de humo advierten sobre una condición peligrosa con la máxima anticipación posible, han salvado miles de vidas y continuarán haciéndolo. No obstante, los detectores de humo tienen ciertas limitaciones que caben mencionar.

  • Podrían no advertir con suficiente anticipación sobre un incendio en otro nivel o piso de un edificio. Por ejemplo, un detector del primer piso podría no detectar un incendio en el segundo piso. Por eso es fundamental colocar sensores en cada piso o nivel de un edificio.
  • Además, un detector podría no detectar un incendio en progreso del otro lado de una puerta cerrada. En áreas en donde las puertas está generalmente cerradas, deben instalarse sensores de ambos lados de las puertas.

Como se ha mencionado anteriormente, los detectores también tienen limitaciones de sensibilidad.

Los detectores por ionización son más aptos para detectar incendios con llamas que se propagan rápidamente, y los detectores fotoeléctrico son mejores para detectar incendios de aumento paulatino de intensidad o fuegos lentos.

Considerando los distintos tipos de incendio que se pueden producir y lo impredecible de su propagación, ningún tipo de detector es el mejor para toda circunstancia. Cierto tipo de detector podría no advertir con suficiente anticipación sobre un incendio cuando no hayan medidas de protección bien implementadas o en caso de que el incendio sea causado por explosiones violentas, escapes de gas o líquidos inflamables tal como solventes de limpieza y otros.

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