Detección fija de Gas y Fuego [Métodos, Equipos de Detección y Controladores] En este artículo hago un resumen de las tecnologías de sensores aplicadas en la detección de gases combustibles, tóxicos y deficiencia de oxígeno, comúnmente utilizados en la mayoría de instalaciones y procesos industriales. Se describen los métodos en que se basan los sistemas para la detección de llamas, cuya principal dificultad es disponer de tecnología adecuada para evitar la activación de alarmas por fuentes no debidas a incendios. Menciono los monitores y controladores que reciben y procesan las señales de los sensores ubicados en campo, avisando de las alarmas y actuando sobre equipos auxiliares. Considero preceptivo dedicar un apartado a la normativa aplicable en la UE a los equipos eléctricos ubicados en áreas clasificadas con riesgo de explosión.
Ramón Torra Piqué Doctor ingeniero industrial El control de gases, vapores y fuego en instalaciones de pequeña, mediana y gran superficie es algo necesario en la mayoría de las industrias para la protección de los bienes y el personal (figura 1), precisando equipos de detección de gas y fuego de acuerdo con las directivas, normas y regulaciones pertinentes. Es común utilizar sistemas de detección fijos o permanentes para un control continuo, ubicando estratégicamente los equipos detectores en áreas donde potencialmente puedan presentarse fugas de gas y/o producirse llamas, mientras que los controladores locales o centralizados asociados pueden iniciar varias medidas de seguridad en caso de producirse una alarma. TECNOLOGÍA DE SENSORES Y EQUIPOS DE DETECCIÓN PARA GASES Combustión catalítica (figura 2) El principio de medida en que se
40 Prevención de INCENDIOS
basa esta tecnología de detección es la combustión catalítica del gas o vapores inflamables contenidos en el aire y su medición hasta el límite inferior de explosividad (LIE) del gas. El sensor dispone de dos elementos (pelets) hermanados, un detector y un compensador integrados en un puente de Wheastone. El detector está
Los dispositivos de detección de gases vienen regulados dentro de la UE por directivas y normas armonizadas, así como otros estándares de aceptación mundial
formado por una resistencia de platino recubierta de material catalítico, mientras el compensador, de iguales características eléctricas, se recubre de material inerte, por lo cual en su entorno no reacciona el gas. Los gases combustibles únicamente se oxidan sobre el elemento detector, donde el calor generado aumenta la resistencia del filamento, originando una señal proporcional a la concentración del gas en el entorno. La misión del elemento compensador es ayudar a paliar los efectos sobre el circuito de los cambios en la temperatura, la presión y la humedad ambientales. Se dispone de varios modelos de equipos detectores catalíticos, desde los económicos sensores pasivos con señal de salida en mV que precisan de controladores, hasta los modernos monitores de gas, incorporando sofisticada electrónica, con o sin pantalla LCD de fácil lectura que muestra el valor medido, tipo de gas Número 56 – 4º Trimestre de 2012
y mensajes de estado, con una señal en mA, LEDs y/o relés de salida opcionales e incluso protocolo de comunicaciones de campo HART. Electroquímica (figura 3) Los sensores electroquímicos se utilizan para detectar gases tóxicos dentro del rango ppm y deficiencia de oxígeno en % vol. Los electrodos separados por electrolitos se ubican en una pequeña carcasa de plástico hermética y se conectan a un circuito electrónico externo. El gas se dispersa penetrando en el sensor a través de una membrana permeable, por lo que se genera una pequeña corriente por la reacción electrolítica. Puesto que el volumen de entrada de gas al sensor está controlado por la difusión del gas a través de la membrana, la migración de iones que forma la corriente es proporcional a la concentración del gas en el aire ambiente. Actualmente existe una amplia variedad de modelos de sensores electroquímicos, del tipo transmisor o controlador de gas, provistos de pantalla LCD que muestran los datos y mensajes necesarios de control. La verificación in situ se efectúa fácilmente empleando el teclado integrado o a través del protocolo de comunicación HART. Semiconductor de óxido metálico (MOS) (figura 4) Los sensores de transistores, basados en la conductividad eléctrica, reaccionan cuando se produce una absorción de gases sobre la superficie semiconductora. De hecho, se trata de una fina película de óxido metálico depositada sobre una oblea de sílice. El proceso de producción es similar al utilizado en la fabricación de semiconductores, de donde procede el nombre de semiconductores de óxido metálico (MOS) por el que son comúnmente conocidos. La absorción de gases en la superficie de óxido, seguida por la oxidación catalítica, provoca un cambio en la resistencia eléctrica del material oxidado. La superficie del semiconductor se mantiene a una temperatura constante para acelerar la reacción y reducir los efectos de los cambios en la temperatura ambiente. Las variaciones en la resistencia se transforman en una señal eléctrica proporcional a la concentración de gas en el aire. Los sensores MOS detectan niveles de ppm de ácido sulfhídrico (SH2), proporcionando las indicaciones de Número 56 – 4º Trimestre de 2012
Figura 1. Instalación desaladora de agua de mar que está dotada de sistema de detección de fugas de gas e incendios
Figura 2. Principio detección catalítica de gases combustibles y sensores convencionales
Figura 3. Detalle célula electrolítica y detector típico para gases tóxicos y oxígeno
Figura 4. Sensor por semiconductores (MOS) y equipos detectores de SH2
Prevención de INCENDIOS
41
abierto, con comunicación opcional HART y Modbus.
Figura 5. Principio operativo de los sensores de infrarrojos y ejemplos para detector puntual y del emisor para el detector de haz abierto
Figura 6. Simulación del sensor foto-acústico de gases combustibles y tóxicos y ejemplo de monitor con secuenciador para toma de muestras hasta cuatro puntos
Figura 7. Tecnología del sensor por ultrasonidos y ejemplos del detector puntual con carcasa de seguridad intrínseca y con envolvente antideflagrante (con emisor sonoro para la autocomprobación)
Figura 8. Principio de los sensores de llamas y ejemplos de equipos detectores por infrarrojos (IR), mixto UV/IR convencional y con envolvente EX
estado y salidas de alarma. Su funcionamiento, con parámetros técnicos únicos, gran tolerancia a un amplio rango de temperaturas, niveles de humedad y esporádicas concentraciones elevadas de SH2, así como muy
42 Prevención de INCENDIOS
baja sensibilidad cruzada a gases comúnmente interferentes, confieren a estos tipos de detectores la elección preferida en entornos adversos o de seguridad comprometida. Disponen de salidas en mA y alarma de colector
Absorción de infrarrojos (figura 5) Numerosos gases absorben luz infrarroja en determinadas longitudes de onda, por consiguiente el espectro de absorción varía en función del gas. La tecnología de infrarrojos de haz abierto y la puntual utilizan para la detección fuentes de radiación de infrarrojos moduladas electrónicamente en dos longitudes de onda diferentes. Una longitud de onda es típica para el gas que se va a medir, mientras en la otra longitud de onda no se produce una absorción de infrarrojos por los gases atmosféricos. Las señales de ambos detectores se amplifican y se introducen en un microprocesador que las acondiciona y compara, generando una señal de salida proporcional a la concentración del gas en el aire. En el equipo de haz abierto, compuesto de emisor y receptor separados a una distancia de hasta 150 m, permite la monitorización continua del espacio abarcado por el haz óptico de cualquier pluma de gas que lo traspase. La unidad de medición es el LIE x m (activando la alarma cuando se excede el valor de 1 LIE x m) y dispone de un control automático de ganancia que compensa la suciedad en las lentes, la lluvia y la niebla. El equipo puntual precisa que la fuga de gas llegue donde se ubica el sensor y la medida se muestra en % LIE, ofreciendo actualmente un emisor dual que incrementa la fiabilidad en caso de fallo de un emisor. En ambos casos se disponen de salidas en mA y función HART para la configuración, diagnóstico de verificación y mantenimiento sencillos. Foto-acústica (figura 6) La tecnología de sensores foto-acústicos fue desarrollada por MSA para la detección de gases tóxicos o combustibles en concentraciones muy bajas del rango de 0 a 1000 ppm. Para ello se introduce una muestra de gas en la cámara de medida, donde se expone a una longitud de onda específica de luz infrarroja pulsante. Si la muestra contiene el gas en cuestión, absorberá una cantidad de luz infrarroja proporcional a la concentración del gas existente. Las moléculas de gas se calientan y enfrían a medida que absorben la luz infrarroja pulsada. Los cambios de presión resultantes del calentamiento y enfriamiento de las moNúmero 56 – 4º Trimestre de 2012
léculas se miden con un micrófono sensible ubicado en el interior del monitor. Esta tecnología es precisa, selectiva al gas objeto, de bajo coste, de alto rendimiento y muy estable pudiendo funcionar durante meses sin prácticamente producir desviaciones. El monitor de infrarrojos foto-acústico es un sistema de alerta de gas simple o multipunto para los gases empleados en los sistemas de refrigeración industrial (amoníaco y halogenados Rxx o Ryyy), así como diversos gases combustibles y tóxicos usados en procesos industriales (ppm, % vol y % LIE, según sea el gas y/o la aplicación). El monitor multipunto integra un secuenciador, para permitir la toma de muestras de 4 a 8 puntos, compartiendo de este modo el sensor, e incorpora niveles de alarma regulables con avisos óptico/acústicos y salidas de relé. Ultrasonidos (figura 7) Esta tecnología es adecuada para la detección de gas por los ultrasonidos generados en los sistemas de gas a presión, cuando se produce un escape. Los ultrasonidos son transportados por el aire, lo cual significa que los detectores de fugas de gas por ultrasonidos se activan a la velocidad del sonido (340 m/s) en un radio de acción de hasta 30 metros. Al contrario de los métodos de detección de gas convencionales (puntuales o de haz abierto), esta tecnología por ultrasonidos no necesita esperar a que el gas entre en contacto físico con el detector, sino que accionan una alarma de inmediato, en caso de producirse una fuga de gas y localizarla, sin verse afectado por condiciones como cambios en la dirección del viento, en la difusión del gas y en la dirección de la fuga. Estas condiciones ambientales adversas son muy relevantes en la mayoría de las instalaciones para detección de gas en intemperie. Estos equipos para detectar fugas de gas a presión no están basados en la concentración de gas, sino que responden a la intensidad de los ultrasonidos emitidos por la liberación del gas en zonas abiertas y bien ventiladas, donde los métodos tradicionales de detección pueden resultar ineficaces. Se caracterizan por la baja potencia que consumen e incorporan una función de autocomprobación, para una operación a prueba de fallos, así como una pantalla donde se indica el nivel real de ultrasonidos (en dBA) y la indicación de alarma. La señal en mA con comunicación HART y relés de salida pueden controlar acciones adicionales en condiciones de alarma o fallo.
Nos despedimos hasta el año que viene y os deseamos unas felices y seguras fiestas
TECNOLOGÍA DE SENSORES Y EQUIPOS DE DETECCIÓN PARA FUEGO La mayoría de los detectores de llamas las identifican mediante los métodos denominados ópticos (figura 8), como la espectrografía ultravioleta (UV) e infrarroja (IR). Generalmente las llamas están provocadas por la combustión de hidrocarburos que, al disponer de oxígeno y de una fuente de ignición, producen calor, dióxido de carbono y otros productos de la oxidación. La reacción se caracteriza por la emisión de una radiación visible ultravioleta e infrarroja. Los detectores de llamas están diseñados para detectar la absorción de luz en determinadas longitudes de onda, pudiendo discriminar Número 56 – 4º Trimestre de 2012
Prevención de INCENDIOS
43
así como otros estándares de aceptación mundial. Atmósfera Explosiva (ATEX) En las Directivas ATEX para fabricantes 94/9/CE y para usuarios 1999/92/CE, la seguridad eléctrica de los detectores y monitores personales de gas debe estar comprobada y disponer de marcado ATEX (EN 60079-0 y siguientes).
Figura 9. Módulo con pantalla táctil para bastidor 19”, de avanzada tecnología en hardware y software, como elemento de un sistema controlador de gas e incendios
entre las llamas reales y otras fuentes lumínicas. Los detectores se basan en la tecnología UV/IR o en la tecnología IR multiespectro, estando ambas fundadas en la detección sobre el campo de visión de la radiación emitida por las llamas en las bandas espectrales ultravioletas visibles e infrarrojas. Actualmente los equipos de detección utilizan tecnologías de vanguardia para el eficaz control de llamas. Un determinado modelo utiliza solo la tecnología IR multiespectro, con avanzada electrónica neuronal, para discriminar de forma fiable entre las llamas reales y otras fuentes falsas a una distancia de hasta 70 m. Otros modelos están diseñados con tecnologías mixtas UV/IR para un cono de detección de 15 m y aptos incluso para llamas de hidrógeno. Disponen de una salida en mA con relés y comunicación digital HART y Modbus opcionales. MONITORES Y CONTROLADORES Los monitores son sistemas de alerta de gas simple o multipunto, constan generalmente de un cuadro de montaje mural (incorporando el sensor y electrónica de mando y maniobra) y dispuesto para su ubicación en el área de vigilancia o en zona segura, llevando la(s) muestra(s) del gas desde uno o varios puntos a controlar. El sistema genera las necesarias señales para iniciar alarmas ópticas, acústicas y de actuación. Los sistemas multipunto incorporan un secuenciador que lleva la muestra de gas de varios puntos al sensor, disponiendo de alarmas regulables individuales y salidas relé. Los controladores tradicionales para gases inflamables y tóxicos constan de tarjetas, conectadas al sensor de campo,
44 Prevención de INCENDIOS
incorporadas a cuadro mural o a bastidor de 19”, apto para hasta 10 módulos. Cada módulo dispone de pantalla LCD, indicadores de estado por LEDs y salidas en mV/mA, así como relés. Actualmente proliferan los sistemas de aviso de incendio y gases para la medición y monitorización a gran escala en áreas industriales e incluso instalaciones de mediano tamaño, utilizando sensores de gases inflamables y tóxicos, de oxígeno, de humo, incendio, calor y pulsadores de alarma. Estos controladores disponen de un módulo con una gran pantalla táctil en color, para un funcionamiento intuitivo, gran potencia de procesamiento, permitiendo una planificación, instalación, configuración, integración y funcionamiento sencillos (figura 9). El sistema puede expandirse hasta 8 módulos, con bastidores estándar de 19”, para un máximo de 256 entradas y 512 salidas. DIRECTIVAS, NORMAS Y REGULACIONES La protección contra explosión resulta extremadamente importante al trabajar con gases y vapores inflamables, debiendo los dispositivos y equipos eléctricos utilizados en estas áreas estar diseñados para reducir este riesgo. Los dispositivos de detección de gases vienen regulados dentro de la UE por directivas y normas armonizadas,
Certificación de funcionamiento Según las Directivas ATEX 95 para fabricantes y ATEX 137 para usuarios, cualquier sistema de detección de gas (detectores y controladores) y cualquier monitor personal para gases inflamables utilizados como dispositivos de seguridad, para reducir el riesgo de explosión, deben contar con una certificación de funcionamiento. La certificación de funcionamiento también es necesaria en el caso de tener que medir el contenido de oxígeno en el aire durante la inertización o la concentración de gas tóxico. Nivel de Seguridad Integral (SIL) Conforme a las Directivas 94/9/CE y 1999/92/CE (ATEX), los dispositivos de detección de gas tan solo precisan de una certificación eléctrica y de funcionamiento. Sin embargo, algunas condiciones de funcionamiento específicas pueden precisar tomar medidas para equipos fijos de detección de gas, que excedan los requisitos ATEX. El fin de esta evaluación de seguridad adicional es minimizar el riesgo en todas las aplicaciones en las que un comportamiento erróneo ponga en riesgo la seguridad de las personas, medio ambiente y bienes materiales. Son cuatro valores los definidos como Niveles Integrales de Seguridad (SIL), cuya evaluación del sistema se efectúa bajo la norma IEC/EN 67508. Cuanto mayor sea el nivel de seguridad, mayor será la fiabilidad del circuito funcional. Los dispositivos de detección de gas tan solo pueden alcanzar niveles de SIL 1 a SIL 3. Bibliografía
Cuanto mayor sea el nivel de seguridad, mayor será la fiabilidad del circuito funcional
• Directivas, normas CEE y reglamentos internacionales. • Folletos de fabricantes y suministradores. • Figuras cedidas por gentileza de MSA Española SAU.
Número 56 – 4º Trimestre de 2012