Como funciona o alarme de incêndio (ART403)

Existe uma grande preocupação, principalmente em relação a locais fechados e frequentados por muita gente, com o perigo de incêndio. Diversas são as técnicas empregadas pela eletrônica para detectar incêndios, algumas bastante sofisticadas, mas a maioria dos técnicos não as conhece. A instalação de sistemas de alarmes de incêndio ou mesmo sua fabricação e comercialização pode, portanto consistir numa excelente fonte de lucro para os técnicos. Neste artigo explicamos como funcionam os principais tipos de detectores e como devem ser instalados, abrindo assim as portas de uma nova atividade para os leitores interessados.

A presença do fogo aparentemente é fácil de detectar por meios eletrônicos, pois basta ter sensores de luz e calor. No entanto, a detecção de um foco de incêndio pode ser um pouco mais complicada pois luz e calor podem ser gerados mesmo sem a existência de um foco de incêndio.

Ninguém desejaria que um cliente importante num escritório fosse atingido por um jato de água com todo o alarme tocando quando acendesse seu cigarro ou soltasse uma baforada mais intensa!

 

Nem sempre fogo é sinal de incêndio.
Nem sempre fogo é sinal de incêndio.

 

Assim, os sistemas de detecção de chamas, calor ou fumaça que possam significar um princípio de incêndio não só devem ser instalados de modo a evitar acionamento errático como também dar cobertura total ao local sem o perigo de acionamento indevido.

Diversas são as técnicas usadas pela eletrônica na detecção de princípio de incêndios, todas baseadas nas suas três principais manifestações: calor, luz e fumaça.

Analisaremos então os tipos de sensores e modo como são instalados em cada um dos três tipos de detectores.

 

DETECTORES DE FUMAÇA

Diz um velho provérbio que "Onde há fumaça, há fogo!" de modo que a detecção de focos de incêndio pode, em princípio ser feita pela detecção de fumaça.

Existem dois tipos de detectores de fumaça usados em instalações protegidas contra incêndios.

O primeiro tipo, que tem seu princípio de funcionamento ilustrado na figura 2, aproveita o chamado Efeito Tindal.

 

Efeito Tindal.
Efeito Tindal.

 

Se tivermos uma fonte de luz que emita um foco transversalmente ao local em que nos encontramos, e observarmos este foco tendo um fundo negro nada veremos, pois o feixe de luz não pode ser visto.

No entanto, se este feixe atravessar fumaça, as partículas de fumo dispersam a luz e isso torna o feixe de luz visível.

É o que ocorre com um farol de automóvel cujo feixe de luz não pode ser visto numa noite limpa, mas se torna perfeitamente delimitado numa noite de neblina, pois as partículas de água em suspensão que formam a neblina dispersam a luz, conforme mostra a figura 3.

 

Vemos o feixe de luz de um farol se houver neblina ou fumaça.
Vemos o feixe de luz de um farol se houver neblina ou fumaça.

 

Devemos observar neste ponto a falsa idéia de que um feixe de raios LASER pode ser visto como nos filmes de ficção científica em que eles são usados em "espadas" e outras armas mortíferas. O LASER é luz e portanto seu feixe só pode se tornar visível se passar por partículas em suspensão como neblina, poeira ou fumaça. O que vemos no caso do LASER ou de qualquer feixe de luz é o local que ele incide e que é iluminado!

Assim, conforme mostra a figura 2 em (b) o que temos é uma fonte de luz, normalmente um LED infravermelho que é apontado numa direção.

Na direção do feixe, mas de modo a não receber a sua luz temos apontado um foto-sensor, normalmente um foto-transistor ou foto-diodo sensível ao infravermelho. No fundo temos um painel preto.

Este sistema está numa câmara perfurada onde fumaça pode penetrar facilmente ou é instalado no próprio sistema de ventilação do prédio que se protege.

Se fumaça penetrar no sistema o feixe infravermelho torna-se visível pelo Efeito Tindal, ou seja, a dispersão da luz e o detector é ativado excitando o sistema de alarme.

Na prática, para que uma simples partícula de poeira não cause o disparo do alarme, a operação é feita por pulsos e os primeiros pulsos detectados são ignorados.

Um segundo sistema, mais sofisticado utiliza uma fonte ionizadora radioativa, normalmente um isótopo, o Amerício 241 que produz um fluxo constante de íons numa câmara de ionização.

 

Detector de fumaça por ionização.
Detector de fumaça por ionização.

 

A ionização dos eletrodos devido à fonte mantém a circulação da corrente que inibe o alarme. Entretanto, a penetração de fumaça nesta câmara impede o fluxo de íons que mantém a corrente e o alarme dispara.

 

DETECTORES DE CALOR

Os sistemas que operam detectando o calor podem ter dois princípios de funcionamento.

O sistema mecânico faz uso de bimetais, ou seja, lâminas de dois metais com coeficientes de dilatação diferentes que são prensadas conforme mostra a figura 5.

 

Operação do sensor por bimetal.
Operação do sensor por bimetal.

 

Se essas lâminas forem aquecidas pela presença de calor, a dilatação desigual faz com que elas se curvem e com isso toquem no contacto que dispara o alarme.

É o mesmo sistema usado nos pisca-pisca de árvores de natal, termostatos de ferros de passar roupas, e mesmo no controle do sistema de refrigeração de muitos carros.

Nos sistemas mais sofisticados, a dilatação do metal faz com que as lâminas se curvem mergulhando em um compartimento com mercúrio, conforme mostra a figura 6.

 

Um sensor de bimetal com mercúrio (Hg).
Um sensor de bimetal com mercúrio (Hg).

 

O mercúrio é condutor e permite estabelecer um contacto mais eficiente, já que, pelo desuso, os contactos comuns podem oxidar-se levando o sistema à falha quando ele mais for necessário.

As normas de proteção contra incêndio exigem que os sistemas deste tipo sejam acionados quando a temperatura for de 57 graus centígrados.

Nos sistemas eletrônicos os sensores usados normalmente são termistores (NTC ou PTC).

Na figura 7 mostramos estes sensores que também são usados em muitas outras aplicações eletrônicas que envolvam compensação ou detecção de calor.

 

Um NTC (Resistor com coeficiente negativo de temperatura).
Um NTC (Resistor com coeficiente negativo de temperatura).

 

Os NTC (Negative-Temperature Coefficient) são resistores cuja resistência diminui com a elevação da temperatura. Já os PTC (positive Temperature Coefficient) são resistores cuja resistência aumenta com a elevação da temperatura.

Na configuração mais simples um sensor é ligado a um amplificador operacional ligado como comparador de tensão e ajustado para disparar com determinada temperatura, conforme mostra a figura 8.

 

Usando um NTC como sensor de calor.
Usando um NTC como sensor de calor.

 

No entanto, os sistemas mais sofisticados operam de uma forma melhor, sem muito aumento de custo. O que se faz é utilizar dois detectores colocados em locais diferentes, conforme mostra a figura 9.

 

Operação com dois sensores.
Operação com dois sensores.

 

Assim, se a temperatura ambiente subir ou baixar de modo uniforme, os dois sensores acusam esta variação e a tensão na entrada do comparador se mantém constante, sem disparar o alarme.

No entanto, se um dos sensores for aquecido e o outro não, significando isso um foco local de incêndio, a ponte se desequilibra e temos uma tensão na saída do comparador que dispara o alarme.

Em alguns sensores a curva de resposta do sensor é modificada de modo que ela se torne mais suave na faixa de temperaturas ambientes, mas se acentue na faixa de temperaturas que signifique perigo, ativando assim mais rapidamente o alarme.

É preciso observar que os sensores possuem uma característica importante que deve ser levada em conta que é a prontidão.

Para alterar sua resistência o sensor precisa absorver calor e isso leva um tempo que depende de seu tamanho. Assim, como no caso dos termômetros, os bulbos menores respondem mais rapidamente às variações de temperatura.

Esta prontidão deve ser levada em conta com a utilização se sensores cuja rapidez de resposta dependa da aplicação.

Outro tipo de sensor de calor bastante empregado é o usado nos detectores piroelétrico.

Existem substâncias plásticas, denominadas eletretos, que apresentam cargas elétricas naturalmente dispostas em sua face, mesmo sem sofrer qualquer processo de eletrização, conforme mostra a figura 10.

 

Distribuição de cargas num eletreto.
Distribuição de cargas num eletreto.

 

Estas cargas, que significam uma diferença de potencial permanente entre as faces se alteram em quantidade tanto quando o material sofrer deformações mecânicas como quando recebe radiação eletromagnética como, por exemplo, radiação infravermelha.

Fazendo diafragmas com esta substância temos os denominados microfones de eletreto, e expondo a radiação infravermelha através de lentes apropriadas (lentes de Fresnel) conforme mostra a figura 11, temos sensíveis detectores capazes de acusar a presença de pessoas pelo calor do corpo.

 

Um sensor piroelétrico.
Um sensor piroelétrico.

 

Estes sensores são utilizados na abertura automática de portas em lojas, aeroportos, shopping centers, alarmes, etc.

Na detecção de incêndio a sensibilidade deve ser adaptada de modo que somente fontes com intensidades que caracterizem a presença de um foco de fogo dispare o sistema.

 

DETECÇÃO DE CHAMAS

Uma chama é uma fonte de luz com características diferenciadas que facilitam sua detecção. Diferentemente de uma lâmpada comum, uma chama tremula e as variações da luz resultantes podem facilitar no projeto dos sistemas de detecção.

Por outro lado, o espectro de uma chama é diferente do espectro de uma lâmpada comum ou fluorescente com uma quantidade muito maior de energia concentrada na faixa do infravermelho.

Estes fatos podem ser importantes na detecção de incêndios e realmente são considerados nos projetos comerciais.

Existem diversos tipos de sensores que podem ser usados para detectar a radiação eletromagnética, tanto da faixa visível como infravermelha, emitida por uma chama.

Na figura 12 temos alguns deles.

 

Sensores de infravermelho.
Sensores de infravermelho.

 

Como a intensidade de radiação que deve ser detectada não é muito pequena, os sensores não precisam ser sensíveis, mas devem ter características que se adaptem à forma como as chamas a emitem.

Um primeiro recurso importante incorporado aos detectores é o filtro que permite sua operação com frequências de luz que sabemos serem mais comuns nas chamas. Um caso é o da radiação ultravioleta na faixa de 2 000 a 2 700 Angstroms.

A luz desta faixa é filtrada pela camada de ozônio da alta atmosfera terrestre de modo que não está presente em grande quantidade na luz do dia. No entanto, nas chamas temos esta frequência.

Assim, um detector que opere com um filtro que deixe passar esta faixa de frequência apenas será bastante sensível a presença de chamas e não "verá" a luz do dia.

Evidentemente, a presença dos "buracos" nesta camada pode se tornar preocupante e uma das consequências, além dos danos à saúde e a própria flora/fauna é o disparo errático dos alarmes que funcionam segundo o princípio visto acima.

O outro tipo de detector se baseia na tremulação da chama ou do próprio ar que então refrata de modo modulado um raio de luz, conforme mostra a figura 13.

 

Detector pro tremulação de chama.
Detector pro tremulação de chama.

 

Verifica-se que a frequência de tremulação típica de uma chama está entre 2 e 20 Hz, de modo que podem ser agregado filtros que operem nestas frequências, acoplados aos sensores e que permitem detectar somente chamas e não outras espécies de emissão de luz.

 

CONCLUSÃO

A proteção contra incêndios com base na eletrônica oferece uma grande gama de possibilidades. Não só os circuitos utilizados podem se basear em diversos tipos de sensores como combiná-los e exigir processos diferentes de posicionamento e instalação. Isso significa que o técnico especialista neste tipo de equipamento deve ter um bom conhecimento do princípio de funcionamento de cada aparelho de modo a garantir sua máxima eficiência na instalação.

A grande sensibilidade dos circuitos utilizados torna-os sujeitos de uma forma bastante acentuada a disparos erráticos, e da mesma forma, um posicionamento incorreto diminui sua eficiência.

Não se trata, portanto, de equipamento que possa ser facilmente instalado ou montado por leigos. Os leitores interessados neste campo podem encontrar na especialização uma excelente fonte de renda com uma nova atividade dentro da eletrônica.

Lembramos que nos dias atuais, com as modificações que vemos na eletrônica que levam à redução do pessoal da área de produção e aumento dos que se dedicam a área de serviços, a instalação de alarmes de incêndio pode significar um importante campo de trabalho para o profissional.

 

Tabela de sensibilidade.
Tabela de sensibilidade.

 

Opinião

Avanços e Retrocessos (OP126)

Uma palavra muito em moda nos nossos meios, principalmente os políticos é “avanço”, se bem que dependendo da maneira como ela seja colocada, pode significar realmente um retrocesso. Nos meios tecnológicos, como o nosso o avanço é perceptível, constante e muito mais forte em sua penetração a ponto de pouco ser contestado.

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