Detector de chamas - Flame detector

Um detector de chama é um sensor projetado para detectar e responder à presença de uma chama ou incêndio , permitindo a detecção de chama . As respostas a uma chama detectada dependem da instalação, mas podem incluir soar um alarme, desativar uma linha de combustível (como propano ou gás natural ) e ativar um sistema de supressão de incêndio. Quando usado em aplicações como fornos industriais, sua função é fornecer a confirmação de que o forno está funcionando corretamente; pode ser usado para desligar o sistema de ignição, embora em muitos casos eles não realizem nenhuma ação direta além de notificar o operador ou o sistema de controle. Um detector de chama muitas vezes pode responder com mais rapidez e precisão do que um detector de fumaça ou calor devido aos mecanismos que usa para detectar a chama.

Detectores ópticos de chamas

Detector ultravioleta

Os detectores ultravioleta (UV) funcionam detectando a radiação ultravioleta emitida no instante da ignição. Embora seja capaz de detectar incêndios e explosões em 3–4 milissegundos, um atraso de 2–3 segundos é frequentemente incluído para minimizar alarmes falsos que podem ser disparados por outras fontes de UV, como raios , soldagem a arco , radiação e luz solar . Os detectores de UV normalmente operam com comprimentos de onda menores que 300  nm para minimizar os efeitos da radiação natural de fundo . A banda de comprimento de onda UV cega também é facilmente cegada por contaminantes oleosos.

Matriz de infravermelho próximo

Os detectores de chamas de infravermelho próximo (IR) (0,7 a 1,1 μm), também conhecidos como detectores visuais de chama, empregam tecnologia de reconhecimento de chama para confirmar o incêndio, analisando a radiação infravermelha próxima usando um dispositivo acoplado de carga (CCD). Um sensor de infravermelho próximo (IR) é especialmente capaz de monitorar fenômenos de chamas, sem muitos obstáculos da água e do vapor d'água. Sensores piroelétricos operando neste comprimento de onda podem ser relativamente baratos. Sensores de múltiplos canais ou de matriz de pixels monitorando chamas na faixa de infravermelho próxima são, sem dúvida, as tecnologias mais confiáveis ​​disponíveis para detecção de incêndios. A emissão de luz de um incêndio forma uma imagem da chama em um determinado instante. O processamento digital de imagens pode ser utilizado para reconhecer chamas por meio da análise do vídeo criado a partir das imagens de infravermelho próximas.

Infravermelho

Os detectores de chamas infravermelho (IR) ou infravermelho de banda larga (1,1 μm e superior) monitoram a banda espectral infravermelha para padrões específicos emitidos por gases quentes. Eles são detectados por meio de uma câmera de imagem térmica especializada de combate a incêndio (TIC), um tipo de câmera termográfica . Falsos alarmes podem ser causados ​​por outras superfícies quentes e radiação térmica de fundo na área. Água na lente do detector reduzirá muito a precisão do detector, assim como a exposição à luz solar direta. Uma faixa de frequência especial é de 4,3 a 4,4 μm. Esta é uma frequência de ressonância de CO ₂ . Durante a queima de um hidrocarboneto (por exemplo, madeira ou combustíveis fósseis, como petróleo e gás natural), muito calor e CO ₂ são liberados. O CO ₂ quente emite muita energia em sua frequência de ressonância de 4,3 μm. Isso causa um pico na emissão total de radiação e pode ser bem detectado. Além disso, o CO ₂ "frio" no ar está cuidando para que a luz do sol e outras radiações IR sejam filtradas. Isso torna o sensor nesta frequência "cego para o sol"; no entanto, a sensibilidade é reduzida pela luz solar. Ao observar a frequência de oscilação de um incêndio (1 a 20 Hz), o detector torna-se menos sensível a alarmes falsos causados ​​pela radiação de calor, por exemplo, causada por máquinas quentes.

Uma grande desvantagem é que quase toda a radiação pode ser absorvida por água ou vapor de água ; isto é particularmente válido para detecção de chama infravermelha na região de 4,3 a 4,4 μm. De aprox. 3,5 μm e superior a absorção por água ou gelo é praticamente 100%. Isso torna os sensores infravermelhos para uso em aplicações externas muito insensíveis a incêndios. O maior problema é nossa ignorância; alguns detectores de infravermelho têm um autoteste (automático) da janela do detector, mas esse autoteste monitora apenas a ocorrência de água ou gelo na janela do detector.

Uma película de sal também é prejudicial, porque o sal absorve água. Porém, vapor d'água, neblina ou chuva leve também tornam o sensor quase cego, sem que o usuário saiba. A causa é semelhante à que faz um bombeiro ao se aproximar de um incêndio quente: ele se protege por meio de uma tela de vapor d'água contra a enorme radiação infravermelha de calor. A presença de vapor d'água, névoa ou chuva leve também "protegerá" o monitor, fazendo com que ele não veja o fogo. A luz visível será, no entanto, transmitida através da tela de vapor d'água, como pode ser facilmente visto pelo fato de que um ser humano ainda pode ver as chamas através da tela de vapor d'água.

O tempo de resposta normal de um detector de infravermelho é de 3 a 5 segundos.

Câmeras térmicas infravermelhas

As câmeras infravermelhas (IR) MWIR podem ser usadas para detectar calor e, com algoritmos específicos, podem detectar pontos quentes em uma cena, bem como chamas, para detecção e prevenção de incêndio e riscos de incêndio. Essas câmeras podem ser usadas na escuridão total e operar tanto dentro como fora.

UV / IR

Esses detectores são sensíveis aos comprimentos de onda UV e IR e detectam chamas comparando o sinal de limite de ambas as faixas. Isso ajuda a minimizar alarmes falsos.

Detecção de chama IR / IR

Os detectores de chama Dual IR (IR / IR) comparam o sinal limite em duas faixas de infravermelho. Muitas vezes, um sensor olha para o dióxido de carbono de 4,4 micrômetros ( CO
2), enquanto o outro sensor olha para uma frequência de referência. Sentindo o CO
2emissão é apropriada para combustíveis de hidrocarbonetos; para combustíveis não baseados em carbono, por exemplo, hidrogênio, as bandas de água de banda larga são detectadas.

Detecção de chama IR3

Os detectores de infravermelho múltiplo usam algoritmos para suprimir os efeitos da radiação de fundo (radiação de corpo negro), novamente a sensibilidade é reduzida por essa radiação.

Os detectores de chamas de IR triplo comparam três bandas de comprimento de onda específicas na região espectral de IR e suas proporções entre si. Neste caso, um sensor olha para a faixa de 4,4 micrômetros, enquanto os outros sensores olham para comprimentos de onda de referência acima e abaixo de 4,4. Isso permite que o detector distinga entre fontes de infravermelho sem chama e chamas reais que emitem CO ₂ quente no processo de combustão. Como resultado, tanto a faixa de detecção quanto a imunidade a falsos alarmes podem ser aumentadas significativamente. Os detectores IR3 podem detectar um incêndio em uma panela de gasolina de 0,1 m ² (1 pé ² ) a até 65 m (215 pés) em menos de 5 segundos. IRs triplo, como outros tipos de detectores de infravermelho, são suscetíveis a cegar por uma camada de água na janela do detector.

A maioria dos detectores de IV é projetada para ignorar a radiação IV de fundo constante, que está presente em todos os ambientes. Em vez disso, eles são projetados para detectar mudanças repentinas ou aumento nas fontes de radiação. Quando expostos a padrões variáveis ​​de radiação IR sem chamas, os detectores IR e UV / IR tornam-se mais sujeitos a alarmes falsos, enquanto os detectores IR3 tornam-se um pouco menos sensíveis, mas são mais imunes a alarmes falsos.

3IR + detecção de chama UV

Os detectores Multi-Infravermelho (Multi-IR / 3IR) usam algoritmos para determinar a presença de fogo e diferenciá-los do ruído de fundo conhecido como "Radiação de corpo negro", que geralmente reduz o alcance e a precisão do detector. A radiação de corpo negro está constantemente presente em todos os ambientes, mas é emitida de forma especialmente forte por objetos em alta temperatura. isso torna os ambientes de alta temperatura, ou áreas onde o material de alta temperatura é manuseado, especialmente desafiadores para detectores apenas de infravermelho. Assim, um sensor de banda UV-C adicional às vezes é incluído nos detectores de chama para adicionar outra camada de confirmação, já que a radiação do corpo negro não afeta os sensores UV, a menos que a temperatura seja extremamente alta, como o brilho de plasma de uma máquina de solda a arco.

Os detectores de vários comprimentos de onda variam na configuração do sensor. 1 IR + UV, ou UVIR sendo o mais comum e de baixo custo. 2 IR + UV sendo um meio-termo entre custo e imunidade a falsos alarmes e 3 IR + UV, que combina a tecnologia 3IR anterior com a camada adicional de identificação do sensor UV. 

Os detectores de comprimento de onda múltiplo ou multiespectral, como 3IR + UV e UVIR são uma melhoria em relação aos detectores de infravermelho, que são conhecidos por alarmes falsos ou por perderem sensibilidade e alcance na presença de forte ruído de fundo, como direto ou refletido fontes de luz ou mesmo exposição ao sol. Os detectores de infravermelho frequentemente dependem do crescimento da energia do infravermelho como seu principal fator determinante para a detecção de incêndio, declarando um alarme quando os sensores excedem um determinado intervalo e proporção. Esta abordagem, no entanto, tende a ser acionada por ruído que não seja de incêndio. seja por radiação de corpo negro, ambientes de alta temperatura ou simplesmente mudanças na iluminação ambiente. alternativamente, em outra abordagem de projeto, os detectores somente de infravermelho podem soar alarmes em condições perfeitas e correspondências de sinal claras, o que resulta na perda do fogo quando há muito ruído, como olhar para o pôr do sol.

Os detectores de chama modernos também podem usar sensores de alta velocidade, que permitem a captura do movimento oscilante da chama e monitoram o padrão e as razões da saída espectral para padrões exclusivos de fogo. Sensores de alta velocidade permitem não apenas tempos de reação mais rápidos, mas também mais dados por segundo, aumentando o nível de confiança na identificação de incêndio ou rejeição de alarme falso. 

Sensores Visíveis

Um sensor de luz visível (por exemplo uma câmera: 0,4 a 0,7 μm) é capaz de apresentar uma imagem, que pode ser compreendida por um ser humano. Além disso, análises complexas de processamento de imagens podem ser executadas por computadores, que podem reconhecer uma chama ou até fumaça. Infelizmente, uma câmera pode ser cegada, como um ser humano, por uma forte fumaça e neblina. Também é possível misturar informações de luz visível (monitor) com informações de UV ou infravermelho, para melhor discriminar contra alarmes falsos ou para melhorar o alcance de detecção. A câmera corona é um exemplo desse equipamento. Neste equipamento as informações de uma câmera UV se misturam com as informações da imagem visível. É usado para rastrear defeitos em equipamentos de alta tensão e detecção de incêndio em grandes distâncias.

Em alguns detectores, um sensor de radiação visível (luz) é adicionado ao design.

Vídeo

Um circuito fechado de televisão ou uma câmera web podem ser usados ​​para detecção visual de (comprimentos de onda entre 0,4 e 0,7 μm). Fumaça ou névoa podem limitar o alcance efetivo destes, uma vez que operam apenas no espectro visível.

Outros tipos

Detecção de chama de corrente de ionização

A intensa ionização dentro do corpo de uma chama pode ser medida por meio dos fenômenos de Retificação da Chama, em que uma corrente CA flui mais facilmente em uma direção quando uma voltagem é aplicada. Esta corrente pode ser usada para verificar a presença e qualidade da chama. Esses detectores podem ser usados ​​em grandes aquecedores de gás de processo industrial e são conectados ao sistema de controle de chama. Eles geralmente atuam como monitores da qualidade da chama e para detecção de falha de chama. Eles também são comuns em uma variedade de fornos domésticos a gás e caldeiras.

Os problemas com as caldeiras que não permanecem acesas podem frequentemente ser devidos a sensores de chama sujos ou a uma superfície do queimador deficiente para completar o circuito elétrico. Uma chama fraca ou que esteja saindo do queimador também pode interromper a continuidade.

Detecção de chama termopar

Os termopares são usados ​​extensivamente para monitorar a presença de chamas em sistemas de aquecimento de combustão e fogões a gás. Um uso comum nessas instalações é cortar o fornecimento de combustível se a chama falhar, a fim de evitar o acúmulo de combustível não queimado. Esses sensores medem o calor e, portanto, são comumente usados ​​para determinar a ausência de chama. Isso pode ser usado para verificar a presença de uma chama piloto .

Formulários

Os detectores de chamas UV / IR são usados ​​em:

• Estações de hidrogênio .
• Fogões a gás
• Sistemas industriais de aquecimento e secagem
• Sistemas de aquecimento doméstico
• Turbinas industriais a gás

Emissão de radiação

Um incêndio emite radiação, que o olho humano experimenta na forma de chamas vermelhas amarelas visíveis e calor. Na verdade, durante um incêndio, a energia ultravioleta e a energia da luz visível são emitidas de forma relativamente esparsa, em comparação com a emissão de radiação infravermelha. Um incêndio sem hidrocarbonetos, por exemplo, um de hidrogênio , não mostra um pico de CO ₂ em 4,3 μm porque durante a queima de hidrogênio nenhum CO ₂ é liberado. O pico de 4,3 µm de CO ₂ na imagem é exagerado e é, na realidade, menos de 2% da energia total do fogo. Um detector multifrequencial com sensores para UV, luz visível, infravermelho próximo e / ou infravermelho de banda larga, portanto, tem muito mais "dados do sensor" para calcular e, portanto, são capazes de detectar mais tipos de incêndios e detectar melhor esses tipos de incêndios : hidrogênio, metanol , éter ou enxofre . Parece uma imagem estática, mas na realidade a energia flutua ou pisca. Essa oscilação é causada pelo fato de que o oxigênio aspirado e o combustível presente estão queimando e, ao mesmo tempo, aspiram novo oxigênio e novo material combustível. Essas pequenas explosões causam o tremeluzir da chama.

Luz solar

O sol emite uma enorme quantidade de energia, que seria prejudicial ao ser humano se não fossem os vapores e gases da atmosfera, como água ( nuvens ), ozônio e outros, por onde a luz solar é filtrada. Na figura pode-se ver claramente que o CO ₂ "frio" filtra a radiação solar em torno de 4,3 μm. Um detector infravermelho que usa essa frequência é, portanto, cego para o sol. Nem todos os fabricantes de detectores de chamas usam filtros afiados para a radiação de 4,3 μm e, portanto, ainda captam uma grande quantidade de luz solar. Esses detectores de chamas baratos dificilmente podem ser usados ​​em aplicações externas. Entre 0,7 μm e aprox. 3 μm há uma absorção relativamente grande de luz solar. Portanto, essa faixa de frequência é usada para detecção de chama por alguns fabricantes de detectores de chama (em combinação com outros sensores como ultravioleta, luz visível ou infravermelho próximo). A grande vantagem econômica é que as janelas do detector podem ser feitas de quartzo em vez de safira cara . Essas combinações de sensores eletro-ópticos também permitem a detecção de não hidrocarbonetos, como incêndios de hidrogênio, sem o risco de falsos alarmes causados ​​por luz artificial ou soldagem elétrica.

Radiação de calor

Os detectores de chamas infravermelhos sofrem com a radiação de calor infravermelho que não é emitida pelo possível incêndio. Pode-se dizer que o fogo pode ser mascarado por outras fontes de calor. Todos os objetos que possuem uma temperatura superior à temperatura mínima absoluta (0 kelvins ou −273,15 ° C) emitem energia e à temperatura ambiente (300 K) este calor já é um problema para os detectores de chamas infravermelhos de maior sensibilidade. Às vezes, uma mão em movimento é suficiente para acionar um detector de chamas infravermelho. A 700 K um objeto quente (corpo negro) começa a emitir luz visível (brilho). Os detectores de infravermelho duplo ou múltiplo suprimem os efeitos da radiação de calor por meio de sensores que detectam na saída do pico de CO ₂ ; por exemplo a 4,1 μm. Aqui é necessário que haja uma grande diferença na saída entre os sensores aplicados (por exemplo, sensor S1 e S2 na imagem). Uma desvantagem é que a energia de radiação de um possível incêndio deve ser muito maior do que a radiação de calor de fundo atual. Em outras palavras, o detector de chama se torna menos sensível. Todo detector de chamas infravermelho é influenciado negativamente por esse efeito, independentemente de seu custo.

Cone de visão

O cone de visão de um detector de chamas é determinado pela forma e tamanho da janela e do invólucro e pela localização do sensor no invólucro. Para os sensores infravermelhos, também a laminação do material do sensor desempenha um papel; limita o cone de visão do detector de chamas. Um amplo cone de visão não significa automaticamente que o detector de chamas é melhor. Para algumas aplicações, o detector de chama precisa ser alinhado com precisão para evitar a detecção de fontes potenciais de radiação de fundo. O cone de visão do detector de chamas é tridimensional e não é necessariamente redondo. O ângulo de visão horizontal e o ângulo de visão vertical freqüentemente diferem; isso é causado principalmente pela forma da caixa e por peças espelhadas (destinadas ao autoteste). Combustíveis diferentes podem até ter um ângulo de visão diferente no mesmo detector de chamas. Muito importante é a sensibilidade em ângulos de 45 °. Aqui, pelo menos 50% da sensibilidade máxima no eixo central deve ser alcançada. Alguns detectores de chamas atingem 70% ou mais. Na verdade, esses detectores de chamas têm um ângulo de visão horizontal total de mais de 90 °, mas a maioria dos fabricantes não menciona isso. Uma alta sensibilidade nas bordas do ângulo de visão oferece vantagens para a projeção de um detector de chamas.

O alcance de detecção

O alcance de um detector de chamas é altamente determinado pelo local de montagem. Na verdade, ao fazer uma projeção, deve-se imaginar no que o detector de chamas "vê". Uma regra prática é que a altura de montagem do detector de chamas é duas vezes mais alta que o objeto mais alto no campo de visão. Além disso, a acessibilidade do detector de chamas deve ser levada em consideração, devido à manutenção e / ou reparos. Um mastro de luz rígido com um ponto de pivô é, por isso, recomendável. Um "teto" no topo do detector de chamas (30 x 30 cm, 1 x 1 pé) evita a poluição rápida em aplicações externas. Além disso, o efeito de sombra deve ser considerado. O efeito de sombra pode ser minimizado pela montagem de um segundo detector de chama no oposto do primeiro detector. Uma segunda vantagem dessa abordagem é que o segundo detector de chama é redundante, caso o primeiro não esteja funcionando ou esteja cego. Em geral, ao montar vários detectores de chamas, deve-se deixá-los "olhar" um para o outro, não deixá-los olhar para as paredes. Seguindo este procedimento, pontos cegos (causados ​​pelo efeito de sombra) podem ser evitados e uma redundância melhor pode ser alcançada do que se os detectores de chamas "olhassem" da posição central para a área a ser protegida. A faixa de detectores de chamas para incêndio padrão da indústria de 30 x 30 cm, 1 x 1 pé é declarada nas folhas de dados e manuais do fabricante, esta faixa pode ser afetada pelos efeitos de dessensibilização previamente declarados de luz solar, água, névoa, radiação de vapor e corpo negro.

A lei quadrada

Se a distância entre a chama e o detector de chama for grande em comparação com a dimensão do incêndio, então a lei do quadrado se aplica: Se um detector de chama pode detectar um incêndio com uma área A em uma certa distância, então uma área de chama 4 vezes maior é necessário se a distância entre o detector de chamas e o fogo for duplicada. Resumidamente:

Distância dupla = área de chama quatro vezes maior ( fogo ).

Esta lei é igualmente válida para todos os detectores ópticos de chamas, incluindo os baseados em vídeo. A sensibilidade máxima pode ser estimada dividindo a área máxima da chama A pelo quadrado da distância entre o incêndio e o detector de chama: c  = A / d ² . Com esta constante c lata, para o mesmo detector de chama e o mesmo tipo de incêndio, ser calculada a distância máxima ou área de incêndio, o mínimo: A = cd ² e d = √ UMA/c

Deve-se enfatizar, entretanto, que a raiz quadrada na realidade não é mais válida para distâncias muito altas. Em longas distâncias, outros parâmetros desempenham um papel significativo; como a ocorrência de vapor d'água e de CO ₂ frio no ar. No caso de uma chama muito pequena, por outro lado, a oscilação decrescente da chama terá um papel crescente.

Uma relação mais exata - válida quando a distância entre a chama e o detector de chama é pequena - entre a densidade de radiação, E , no detector e a distância, D , entre o detector e uma chama de raio efetivo, R , emitindo densidade de energia , M , é dado por

E =2π MR ²/( R ² + D ² )

Quando R << D, então a relação se reduz à lei do quadrado (inverso)

E =2π MR ²/D ²

Veja também

• Chama
• Proteção ativa contra incêndio
• Detector de ionização de chama
• Detector de gás
• Sistema de alarme de incêndio

Referências