Detección fija de gas y fuego (parte I) Métodos, equipos de detección y controladores

Transcripción

1 Detección fija de gas y fuego (parte I) Métodos, equipos de detección y controladores 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, 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 monitores locales o centralizados asociados pueden iniciar varias medidas de seguridad en caso de producirse una alarma. En esta primera parte hago un resumen de las tecnologías convencionales de sensores aplicadas en la detección de gases combustibles, tóxicos y deficiencia de oxígeno, comúnmente utilizados en la mayoría de instalaciones y procesos industriales. Combustión catalítica El principio de medida en que se 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 explo- Principio de detección catalítica de gases combustibles y sensores convencionales. sividad (LIE) del gas. El sensor dispone de dos elementos (pelets) hermanados, un detector y un compensador integrados en un puente de Wheastone. El detector esta 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 que incorporan sofisticada electrónica con o sin pantalla LCD de fácil lectura, que muestra el valor medido, tipo de gas y mensajes de estado con una señal en ma. LED y/o relés de salida opcionales e incluso protocolo de comunicaciones de campo HART. Electroquímica 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 permea- Instalación desaladora de agua de mar que está dotada de sistema de detección de fugas de gas e incendios. Detalle célula electrolítica y detector típico para gases tóxicos y oxígeno. 82 SEGURITECNIA Noviembre 2012

2 ble, 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 muestra 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. Sensor por semiconductores (MOS) y equipos detectores de SH2. MOS 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 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 baja sensibilidad cruzada a gases comúnmente interferentes, convierten a estos tipos de detectores en la elección preferida en entornos adversos o de seguridad comprometida. Disponen de salidas en ma y alarma de colector abierto, con comunicación opcional HART y Modbus. Absorción de infrarrojos 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 Principio operativo de los sensores de infrarrojos y ejemplos para detector puntual y del emisor para el detector de haz abierto. 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. Notas En la segunda parte del artículo se describirán dos tecnologías especiales para sensores de gas y los sistemas para la detección de llamas. Mencionando además 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 y también la normativa vigente en la UE, aplicable en áreas clasificadas. Bibliografía - Directivas, Normas CEE y Reglamentos internacionales. - Folletos de fabricantes y suministradores. - Figuras cedidas por gentileza de MSA Española SAU. S SEGURITECNIA Noviembre

3 Detección fija de gas y fuego (parte II) Métodos, equipos de detección y controladores Ramón Torra Piqué / Doctor ingeniero industrial En la primera parte de este artículo (publicado en el número anterior de Seguritecnia) se definían las tecnologías de sensores convencionales aplicadas a la detección de gases combustibles, tóxicos y deficiencia de oxígeno, comúnmente utilizados en la mayoría de instalaciones y procesos industriales. Esta segunda parte describe dos técnicas especiales para sensores de gas y 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, principalmente en exteriores, tales como destellos solares, arco eléctrico, relámpago, soldadura, luces halógenas/mercurio, calor radiación, etc. Menciono además 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 también preceptivo dedicar un apartado a la normativa aplicable en la Unión Europea a los equipos eléctricos ubicados en áreas clasificadas con riesgo de explosión. Por razones de continuidad, se sigue la numeración de la primera parte del artículo en las figuras que aparecen. Detección de gases Foto-acústica La tecnología de sensores foto-acústicos (Figura 6) fue desarrollada por MSA para detectar gases tóxicos o combustibles en concentraciones muy bajas, del rango de 0 a ppm. 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, Figura 6: Simulación del sensor foto-acústico de gases combustibles y tóxicos y ejemplo de monitor con secuenciador para toma de muestras de hasta cuatro puntos. La tecnología foto-acústica detecta gases en concentraciones muy bajas, mientras que la de ultrasonidos alerta de fugas en sistemas a presión 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 moléculas se miden con un micrófono sensible ubicado en el interior del monitor. Esta técnica es precisa, selectiva al gas objeto, de bajo coste, de alto rendimiento y muy estable, pues puede 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 (lecturas en ppm, % vol y % LIE, según sea el gas o la aplicación). El monitor multipunto integra un secuenciador para permitir la toma de muestras de cuatro a ocho puntos, compartiendo de este modo el sensor, e incorpora niveles de alarma regulables con avisos óptico/acústicos y salidas de relé. Ultrasonidos Esta tecnología (Figura 7) es adecuada para detectar gas mediante 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 que utilizan esta técnica 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 no necesita esperar a que el gas entre en contacto físico con el detector, 42 SEGURITECNIA Diciembre 2012

4 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). determinado modelo usa solo la técnica 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 dispositivos están diseñados con tecnologías mixtas UV/ IR para un cono de detección de 15 m y para captar incluso llamas de hidrógeno. Cuentan con una salida en ma con relés y comunicación digital HART y Modbus opcionales. sino que acciona una alarma de inmediato en caso de producirse una fuga y la localiza, sin que le afecten condiciones como cambios en la dirección del viento, la difusión del gas o la dirección de la fuga. Dichas circunstancias ambientales adversas son muy relevantes en la mayoría de las instalaciones para detección de gas a la intemperie. Estos equipos para captar fugas 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 operar a prueba de fallos, así como una pantalla donde se muestra el nivel real de ultrasonidos (en dba) y la indicación de alarma. La señal en ma con comunicación HART y relés de salida puede controlar acciones adicionales en condiciones de alarma o fallo. Detección de 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 entre las llamas reales y otras fuentes lumínicas. Los detectores se basan en la técnica UV/ IR o en la IR multiespectro, ambas de ellas 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 Monitores y controladores Los monitores son sistemas de alerta de gas simple o multipunto. Constan generalmente de un cuadro de montaje mural, que incorpora el sensor y la electrónica de mando y maniobra y que puede ubicarse en el área de vigilancia o en zona segura, llevando las muestras del gas desde uno o varios puntos a controlar. El sistema genera las necesarias señales para iniciar alarmas ópticas, acústicas y de actuación. Las soluciones 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 La mayoría de los detectores de llamas utilizan métodos ópticos, como la espectrografía ultravioleta (UV) e infrarroja (IR) Figura 8: Principio de los sensores de llamas y ejemplos de equipos detectores por infrarrojos (IR), mixto UV/IR convencional y con envolvente EX. SEGURITECNIA Diciembre

5 ner de marcado ATEX (EN y siguientes). 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 dispode tarjetas, conectadas al sensor de campo e incorporadas al cuadro mural o a un bastidor de 19, apto para hasta 10 módulos. Cada módulo cuenta con pantalla LCD, indicadores de estado por LED y salidas en mv/ma, así como con relés. Actualmente proliferan los sistemas de aviso de incendio y gases para la medición y monitorización a gran escala en áreas industriales e, incluso, en 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, lo que proporciona un funcionamiento intuitivo y gran potencia de procesamiento para permitir una planificación, instalación, configuración, integración y funcionamiento sencillos (Figura 9). La solución puede expandirse hasta ocho módulos, con bastidores estándar de 19, para un máximo de 256 entradas y 512 salidas. 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 ese riesgo. Los sistemas de detección de gases vienen regulados dentro de la Unión Europea por directivas y normas armonizadas, junto con otros estándares de aceptación mundial. 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. Esta también es necesaria en el supuesto 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 en el caso de 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 de seguridad integral (Safety Integrity Level, SIL), cuya evaluación del sistema se efectúa bajo la norma IEC/EN 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. Figura 9: Módulo con pantalla táctil para bastidor de 19, de avanzada tecnología en hardware y software, como elemento de un sistema controlador de gas e incendios. Bibliografía - Directivas, normas CEE y reglamentos internacionales. - Folletos de fabricantes y suministradores. - Figuras cedidas por gentileza de MSA Española SAU. S 44 SEGURITECNIA Diciembre 2012