COMO FUNCIONA:
EL DETECTOR DE HUMO (por ionización)
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José Luis Giordano
Mayo 2004 (Última revisión: Abril 2, 2006)


1-QUÉ ES

Un detector de humo es un sistema sensible a la presencia de las partículas de combustión ("humo") dispersas en el aire.


2-PARA QUÉ SIRVE

Los detectores de humo que se utilizan en las alarmas de incendio, sirven para dar aviso anticipadamente, de que puede estar empezando un incendio.


3-DE QUÉ ESTÁ HECHO

El sistema de detección del humo está compuesto principalmente por un sensor, donde alguna propiedad medible, cambia con la presencia del humo, y un actuador, que activa algún sistema de alarma o de seguridad.

El tener que actuar sobre un sistema de sonido, luz o válvulas de agua, determina una de las limitaciones de casi todas las alarmas contra incendio: el suministro de energía eléctrica. En el caso de las alimentadas por la red eléctrica domiciliaria, no funcionan cuando el incendio está acompañado de una interrupción de la electricidad. Y por el contrario, en caso de usar pilas o baterías, éstas podrían estar gastadas. Por esa razón, las alarmas también poseen un dispositivo de prueba que permite ver si el sistema electrónico está todavía activo. Algunas tienen un pequeño indicador luminoso (LED), y otras tienen una alarma que emite un sonido cuando hay que reemplazar la batería.

Hay sensores de humo por efecto fotoeléctrico (denominados "ópticos"), que tienen una celda fotoeléctrica donde la iluminación de un metal (que es afectada por la presencia de humo), genera una débil corriente. Esta clase de sensor es más sensible a los incendios de desarrollo lento (sin llamas).

Este artículo trata de otro tipo, el detector de humo por ionización, que utiliza como sensor una cámara de ionización del aire, a través de la cual fluye una pequeña corriente iónica sensible a la presencia del humo. Esta clase de detectores reacciona mejor a los incendios de desarrollo rápido (con llamas), y produce menos "falsas alarmas" debidas, por ejemplo, al humo de los cigarrillos.

La foto siguiente muestra el interior de una alarma contra incendios de unos 10 cm de diámetro, como si se viese desde abajo, colocada en el techo y sin la tapa. Este es el tipo más difundido, por su sencillez de instalación, escaso mantenimiento y bajo costo. Solo hay que conectarle la pila (de 9 V en este caso), atornillarla en el techo, y probar periódicamente que sigue funcionando (ya sea pulsando el botón de prueba, o activándola quemando un papel a su alrededor). El precio de esta unidad fabricada en China, es $11.000 pesos chilenos aproximadamente (unos USD 18).



En la parte inferior se ve la cámara de ionización, una pieza metálica de unos 6 cm de diámetro, con una lengüeta metálica en la parte superior derecha. Al ser pulsada esta lengüeta, se activa el circuito de sonido, que se encuentra debajo del círculo plástico (de 4 cm de diámetro aprox.) y que contiene un parlante piezoeléctrico (de bajo consumo eléctrico). De este modo se verifica que la alarma aún funciona correctamente.


4-CÓMO FUNCIONA

El detector de humo por ionización detecta variaciones en la corriente de iones debida a la presencia del humo. Los incendios producen iones, pero es difícil que las partículas permanezcan ionizadas hasta donde se encuentra un detector. Por lo tanto, el aire se ioniza dentro del detector en lo que se denomina "cámara de ionización".

Cuando el humo entra en la cámara, la interacción entre los iones y las partículas del humo disminuyen notablemente la corriente eléctrica. A pesar que en términos relativos los cambios en la corriente sean importantes, los valores absolutos son bajísimos, del orden de 10-10 A. Por lo tanto se requieren dispositivos amplificadores de corriente con una extremadamente alta resistencia de entrada.

Hace más de medio siglo, el físico suizo Ernst Meili adaptó un tubo de cátodo frío para esta aplicación, obteniendo un dispositivo con una resistencia de entrada de unos 1013 ohm. Este tubo de descarga gaseosa sin calefactor en el cátodo, tiene que funcionar con voltajes altos (> 150 V), no es muy económico ni miniaturizable. Lo que le faltaba era el desarrollo de la electrónica de estado sólido, que se produjo en la segunda mitad del Siglo XX.

Las alarmas de bajo precio de la actualidad, utilizan una de las maravillas del desarrollo electrónico: el transistor por efecto de campo (FET) con puerta aislada, "IGFET", también denominado "transistor por efecto de campo con puerta de semiconductor-óxido-metal", o "MOSFET". Estos dispositivos pueden tener resistencias de entrada superiores a 1015 ohm y funcionar con pilas de 9 V.

El otro detalle importante es que la cámara de ionización de estas alarmas, contiene una ínfima cantidad (menos de 1 microgramo) de americio-241 (241Am). Este isótopo radioactivo emite partículas alfa (núcleos de helio de alta energía) durante siglos. Debido a la gran capacidad de ionizar el aire de las partículas alfa, solo una hoja de papel o unos 7 cm de aire son suficientes para absorberlas. Esta alta capacidad de ionización hace posible obtener una corriente eléctrica entre los dos electrodos que se colocan cerca de la fuente.

Cuando el humo entra en la cámara de ionización, las partículas alfa quedan prácticamente inmovilizadas por los productos de la combustión, disminuyendo notablemente la corriente eléctrica.


En la tapa (que no se muestra) de la alarma de la fotografía anterior, hay un agujero para poder probar la alarma como rutina de control del estado de la pila. En el relieve plástico de esa tapa se puede apenas leer, que contiene una fuente radioactiva de Am-241, con una actividad de 0.9 microcurie. Un curie, 1 Ci, equivale a 3.7 x 1010 becquerel, y un becquerel, 1 Bq, representa una desintegración por segundo. Por lo tanto, una fuente con una actividad de 0.9 microcurie tiene unos 33 mil decaimientos radioactivos por segundo.

Los núcleos atómicos del Am-241 tienen Z = 95 protones y N = 146 neutrones (número de masa A = Z+N = 241), por lo tanto son unas 4 veces más pesados que los átomos del isótopo que compone casi el 92% del hierro natural (A = 56). No obstante, la masa necesaria para que la fuente tenga esa actividad es solo unos 0.2 microgramos!

Es notable que en la caja de esta alarma no diga nada, y que en el folleto no se resalte el principio de funcionamiento basado en la radioactividad. Esto se debe -sin ninguna duda- al rechazo que sienten algunas personas por la tecnología nuclear, a veces por ignorancia y otras veces, porque han sabido de accidentes debidos a irresponsabilidad.

Otro aspecto destacable es que el Am-241 tiene una vida media de 432.6 años, como se observa en la Tabla de Nucléidos que hay bajo la alarma en la misma fotografía (La vida media es el tiempo en el cual la actividad y número de átomos del radioisótopo disminuye a la mitad). Es decir que durante nuestra vida, la fuente de Am-241 es prácticamente de actividad constante e "inagotable"!



REFERENCIAS

(1) Crane H R 1984 How Things Work: Ionization Smoke Alarm; TPT (Nov.)

Crane H R 1994 How Things Work; 2nd. Printing. AAPT

(2) Kidde Residential and Commercial Division (Consultado en Abril 2, 2006)

How to Choose the Best Smoke Alarms for Your Home

Smoke Alarm Catalog - Battery Powered



AGRADECIMIENTOS

Esta alarma (Fyrnetics Inc. Lifesaver Professional Smoke Alarm Model 0905) fue gentilmente prestada por Fernando, de Electrónica Rodríguez, Calle Prat esquina Rodríguez, Curicó, Chile.



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