Detectores (discriminadores) de humo aspirados

-Ojo, artículo bastante técnico - 

El otro día un piloto me preguntó sobre cómo se efectúa la detección de fuego en los compartimentos de carga del avión CSeries. Un tema interesante y más complejo de lo que parece. Este tipo de compartimentos está encuadrado  en lo que se conoce como Clase C. Es decir, un espacio donde un miembro de la tripulación no puede acceder para sofocar un incendio. Debe de existir un medio de detección y extinción. En vuelo, un piloto debe de analizar la situación y estar seguro de que la señal recibida en el cockpit no es una falsa alarma. En nuestra compañía todos nos acordamos del trágico desenlace del vuelo 111 de la desaparecida Swissair. La detección debe de ser fiable para poder tomar una decisión rápida.

En estos modernos aviones comerciales todos los sistemas son super-avanzados, este es uno de ellos. La detección del humo en este avión se lleva a cabo por medio de los llamados sensores aspirados. Una técnica muy puntera que emplea el aire extraído del compartimento para ser analizado. Los resultados son sorprendentemente buenos. La detección de humo de forma aspirada se basa en el empleo de elementos muy sensibles y fiables que actúan como detectores de fuego por medio de la diferenciación entre humo y otros elementos distintos, como polvo, arena fina, ceniza, etc.  Vamos a ver de que manera.

El principio de funcionamiento de la detección de humo por aire aspirado (ASD por sus siglas en inglés) se basa en el uso de sensores ópticos que emplean una técnica de comparación con doble longitud de onda procedentes de dos haces de luz, una azul y otra infrarroja. Este procedimiento tiene una probabilidad mucho mejor que las de otros sistemas para la detección correcta y la discriminando entre partículas diferentes a las del humo. La detección es más rápida y el resultado está casi libre de falsas alarmas comparado con otros sistemas. La cámara de detección del sistema ASD está especialmente diseñada para ser muy sensible incluso con muy poca cantidad de humo. El uso de una longitud de onda más corta como la luz azul permite la detección de partículas muy pequeñas que a menudo están presentes durante los incendios con llama y en otros estados iniciales de fuego.

Combinando la dispersión creada por ambos haces (azul e infrarrojo), un detector puede discernir entre lo que son partículas de polvo y humo por medio de una serie de algoritmos. Esto se consigue analizando rápidamente el tamaño de la partícula incluso en ambientes adversos con una gran cantidad de polvo en suspensión. La alarma solo se disparará cuando se detecten partículas muy pequeñas.

Además de un sensor, se utiliza un by-pass tipo venturi para minimizar que la cámara ASD se pueda ensuciar. Sólo una pequeña porción de la corriente de aire aspirado pasa a la cámara de detección. En dicha cámara se asegura que la suciedad sea mínima optimizando el flujo dentro de la cámara de manera que el humo y las partículas de polvo no permanezcan dentro. Para asegurar una detección fiable, el flujo de aire en los conductos es monitorizado continuamente.

En la imagen se puede ver un detector de humo extrayendo constantemente aire en un sistema o red de conductos de modo que el humo pasa por la cámara de detección. Dentro de la cámara, mediante el uso de la tecnología de detección óptica basada en la longitud de onda doble, se detectan partículas muy pequeñas y se discrimina entre el humo y el polvo. ¿Pero cómo es esto posible?

Una explicación sencilla del Aspirating Smoke Detection (ASD) de última generación

Los ASD no son nuevos. Hace tiempo que existen sistemas aspirados para la detección de humo. Sin embargo, con las nuevas tecnologías ASD la detección se garantiza gracias a la tecnología empleada y un software específico. El principio de operación es sencillo de entender: una porción de aire es aspirada dentro de unos conductos o tuberías. Desde ahí pasa a una cámara de detección (figura que se muestra más arriba). La cámara de detección está especialmente diseñada para ser altamente sensible a las partículas de humo. Un detector de humo aspirado es hasta 100 veces más sensibles que los detectores de humo tradicionales. El dispositivo ASD utiliza la llamada tecnología óptica de doble longitud de onda y combina la dispersión de luz azul e infrarroja para que sea posible la discriminación entre partículas de humo y partículas de polvo/vapor.

Antecedentes históricos. 

En 1871 el físico Lord Rayleigh se preguntó por qué el cielo era azul. Descubrió que la luz azul se dispersa mucho más que la luz de mayor longitud de onda en presencia de pequeñas partículas. El mismo principio de dispersión se aplicó al sistema de detección ASD. Estos aparatos utilizan una fuente de luz con una longitud de onda más corta (por ejemplo, luz azul) que detectan partículas más pequeñas (se produce más dispersión) que la luz en el rango infrarrojo. Los antecesores del principio de funcionamiento ASD se remontan a los sistemas de monitorización de la calidad del aire. El llamado "nefelómetro" se comercializó por primera vez en 1967 para medir de forma contínua la contaminación atmosférica de las ciudades utilizando un proyector de luz de xenón, con el que detectaba partículas muy pequeñas en suspensión. En 1983, el pionero de los sistemas ASD, el Dr. M. Cole, presentó un primer prototipo de detector ASD para la detección de incendios forestales en Australia. Utilizando el mismo principio de medición que el nefelómetro con luz de xenón, presentó el sistema en el mercado como "aparato de detección temprana de humo".

Más tarde, en 1996, la industria produjo una nueva generación de detectores ASD más pequeños, más baratos y con una mayor sensibilidad gracias a la tecnología infrarroja del laser. Se descubrió entonces que la luz láser infrarroja es muy sensible a partículas de humo con un tamaño de partícula de 1 μm, pero también se descubrió que la luz infrarroja es muy poco sensible a los aerosoles y emisores de humo con partículas de tamaños menores a 1 μm. Basándose en la experiencia pasada, nació entonces una nueva generación de sensores que utilizaban la luz de xenón, estos dispositivos ASD tenían una longitud de onda más corta y se utilizó en ellos una luz LED azul. Finalmente, en la última y más moderna tecnología ASD, se utilizó un diseño en el que se combinaba la tecnología LED azul y la emisión infrarroja. De esta forma se obtiene una gran sensibilidad a partículas muy pequeñas por medio de la dispersión de la luz azul y al mismo tiempo se pueden detectar partículas de polvo grandes por medio de la luz infrarroja.

La tecnología "Optical Dual-Wavelength" y la materia de partículas en suspensión 

Antes de hablar de la tecnología óptica de doble longitud de onda, tenemos que hablar un poco de como son las partículas de los aerosoles que se captan con los detectores de incendios. Los aerosoles, también definidos como partículas de materia en suspensión, están constituidos por partículas microscópicas distribuidas en la atmósfera. Para el ojo humano, las partículas transportadas por el aire sólo son visibles en un grupo de muchas partículas que forman una nube en el aire. Si conocemos la fuente de origen, podríamos clasificar las partículas en distintas categorías, como polvo, bruma, niebla, nubes, arena, laca o humo. Para que un dispositivo sea efectivo y pueda detectar y clasificar estas partículas debe por fuerza poder contar y medir el tamaño de la partícula en suspensión.

Como se muestra en la figura que sigue, los diferentes tipos de partículas tienen un rango de tamaño que van desde muy pequeñas hasta muy grandes (dentro de la categoría de materia en suspensión). El área azul y roja es una representación gráfica de una distribución granulométrica y explica cómo se distribuye la cantidad de partículas según su tamaño (histograma).

Podemos categorizar las partículas como humo, neblina, hollín, sal marina, en el rango de tamaño de partícula inferior a 1μm. Las partículas como el polvo, aerosoles, polvo de carbono, polvo de cemento, arena gruesa o niebla pueden ser clasificadas en categorías como partículas grandes de más de 1μm de tamaño de partícula. Algunas partículas en el aire, como la neblina o las cenizas en suspensión, tienen partículas pequeñas y grandes.

Las partículas transportadas por el aire pueden ser de diferentes tipos y tamaños. El área azul muestra una distribución típica del tamaño de partícula del humo característico de un incendio con un gran número de partículas que tienen alrededor de 0,2 µm (tamaño medio de la partícula). El área roja muestra una distribución granulométrica de partículas de polvo con un máximo de 90 µm que no siempre se puede discriminar a 1 µm de tamaño. 

Lo que sacamos en conclusión de esta gráfica es que la mayoría de las partículas de humo tienen un tamaño inferior a 1µm (área azul). Mirando el área roja, que representa fenómenos engañosos, como las partículas de polvo, es fácil ver que podemos discriminar las partículas de humo y las partículas de polvo en torno a 1 µm. 

Las ventajas de la dispersión de la luz azul e infrarroja

Como ya se ha dicho, el principio de recaptación de la luz azul dispersa en las partículas permite detectar partículas de humo muy pequeñas. Teóricamente, la luz azul dispersa en las partículas es 16 veces más fuerte que la luz infrarroja, asumiendo partículas muy pequeñas como los gases (dispersión Rayleigh). Pero las partículas de humo son generalmente demasiado grandes para ser difusores de Rayleigh, por lo que se aplica el llamado modelo de dispersión Mie o modelos más complicados para agregados de hollín. 

Como se pudo ver anteriormente, las partículas de humo se encuentran en el rango de 0.001 µm a 1 µm. Consecuentemente, la luz azul dispersa por el humo es hasta 5 veces más fuerte que la dispersión de la luz infrarroja en este medio. 

La siguiente figura resume la señal relativa del detector usando difusión de la luz azul e infrarroja para diferentes tamaños de partículas. También muestra que la señal infrarroja se normalizó con la señal azul en el rango de 1-2 µm aproximadamente, donde comienza el grosor de partículas de la mayoría de los tipos de polvo. Al comparar ambas señales, azul e infrarroja, queda claro que las partículas más grandes como el polvo producen señales de detección similares y las partículas más pequeñas por debajo de 1 µm producen una señal azul más alta. 

Mediante el uso de luz azul e infrarroja se analiza el tamaño de partícula. Si el tamaño medio de la partícula cae por debajo de 1 µm, la dispersión de la luz azul produce una señal más alta que la proveniente de la señal infrarroja. La discriminación entre el humo y las partículas de polvo es posible. Si se dispara la alarma el piloto sabe indefectiblemente que existe fuego a bordo.

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