Analiza porównawcza detekcji pożarów przez czujki pożarowe

Transkrypt

1 Analiza porównawcza detekcji pożarów przez czujki pożarowe Autor: Waldemar Wnęk Opracowanie wersji elektronicznej: Tomasz Wdowiak 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów budową, zasadą działania oraz parametrami funkcjonalnymi i użytkowymi czujek pożarowych. Ćwiczenie polega pomiarze czasów zadziałania poszczególnych czujek i określeniu przydatności w zależności od rodzaju spalania. Treść zawarta w opisie ćwiczenia nie stanowi przeglądu wszystkich znanych rozwiązań konstrukcyjnych na rynku czujek. 2. Wprowadzenie Jednym z podstawowych elementów linowych systemu sygnalizacji pożarowej jest czujka pożarowa. Jakość wykonania i prawidłowe umiejscowienie czujki pożarowej ma decydujący wpływ na maksymalne skrócenie reakcji od chwili powstania pożaru do jego wykrycia i rozpoczęcia akcji ratowniczo-gaśniczej. Przy wyborze rodzaju czujek pożarowych należy brać pod uwagę następujące czynniki: rodzaj składowanych materiałów i urządzeń, co związane jest z rodzajem zjawisk towarzyszących rozwojowi pożaru (dym, temperatura, płomień) warunki fizykochemiczne występujące w danym pomieszczeniu. wysokość pomieszczenia chronionego Z uwagi na to, że w zabezpieczanym obiekcie mogą znajdować się różne materiały palne, uwzględnić należ przede wszystkim te, które najprawdopodobniej zapalą się pierwsze i objęte zostaną pożarem w początkowej fazie jego rozwoju. Należy ustalić, czy są to: ciała stałe (np. drewno, papier, tworzywa sztuczne), gazy (np. gaz ziemny, gaz skroplony), ciecze (np. benzyna, olej opałowy, smoła) W zależności od wymienionych cech charakterystycznych dla danego materiału można ustalić: czas trwania zapalenia się materiału, sposób spalania się materiału (płomieniowy, bezpłomieniowy) ilość tworzącego się podczas spalania dymu i gazowych produktów spalania ilość powstającego ciepła, powodująca znaczny wzrost temperatury w pomieszczeniu. Jeżeli czas zapalenia materiału palnego w pomieszczeniu chronionym jest długi, zaleca się przyjąć za podstawową czujkę - czujkę dymu, ponieważ wolny rozwój pożaru w jego początkowej fazie charakteryzuje się następującymi zjawiskami: wydzielania dymu i aerozoli, powolnym wzrostem temperatury, niewielkim lub całkowitym brakiem płomieni. W przypadku krótkiego czasu zapalania materiału, gdy następuje szybki rozwój pożaru (duże ilości dymu, szybki wzrost temperatury, płomienie), należy stosować ochronę mieszaną, tzn. trzeba stosować czujki dymu, ciepła lub płomienia. 1

2 Najczęściej spotykane na rynku polskim czujki pożarowe służą do wykrywania takich kryteriów pożarowych, jak dym, temperatura, płomień. W ćwiczeniu omówione zostaną wybrane czujki pożarowe reagujące na: dym jonizacyjna czujka dymu, reagująca na dym wnikający do komory jonizacyjnej. Czujka ta reaguje bardzo szybko na dym już w początkowej fazie rozwoju pożaru na długo przed zauważalnym wzrostem temperatury otoczenia. Czujki te stanowiły podstawę całego systemu sygnalizacji pożaru. Obecnie ze względu na strach przed promieniowaniem odchodzi się od tych rozwiązań. Należy zaznaczyć, że czujka ze źródłem promieniowania nie stanowi zagrożenia dla życia ani zdrowia. W wielu krajach (Skandynawia) dalej są to jedne z najczęściej używanych czujek. optyczna liniowa czujka (na światło pochłonięte - absorpcyjna), reagująca na dym i tętnienie powietrza spowodowane ciepłem. Czujka ta składa się z nadajnika i odbiornika światła podczerwonego, umieszczonych naprzeciw siebie, i dozoruje obszar zawarty między nadajnikiem a odbiornikiem. Czujka ta szczególnie nadaje się do ochrony pomieszczeń zamkniętych o dużych rozmiarach, jak hale targowe, magazyny, pomieszczenia wystawowe i zabytkowe, optyczna punktowa czujka dymu (rozproszeniowa), reagująca na rozpraszane światło przez cząstki dymu. Obecnie są one najczęściej stosowanymi czujkami dymu. zasysające systemy wczesnej detekcji, czujki te posiadają systemy rurowe do których zasysane jest powietrze z przestrzeli chronionej przez co następuje szybsze dotarcie dymu do układu detekcji, dodatkowo czujki te charakteryzują się znacznie większymi czułościami samych detektorów. Powyższe fakty powodują możliwość wykrycia zjawisk pożarowych znacznie wcześniej od pozostałych czujek. wzrost temperatury płomień nadmiarowa, reagujące na przekroczenie określonej temperatury progowej, nadmiarowo-różniczkowa, reagująca zarówno na przekroczenie określonego progu temperatury przy powolnych przyrostach temperatury, jak i na szybkie przyrosty temperatury. czujki reagujące na migotanie płomienia o częstotliwości 3 20 Hz. W zakresie bliskiej podczerwieni i ultrafiolecie. Czujki nie reagują na światło widzialne o stałym natężeniu promieniowania. Nie omówione zostaną m.in. rozwiązania rezystancyjne czujki ciepła, termiczne ciśnieniowe czujki ciepła, czujek światłowodowych, które będą w przyszłości przedmiotem oddzielnych ćwiczeń laboratoryjnych. Czujka dwustanowa jest to czujka, która przekazuje sygnał wyjściowy określający jeden z dwóch stanów, odpowiadających warunkom albo dozorowania albo alarmowania. Schemat blokowy czujki przedstawiono na rys. 1. 2

3 Układ detekcyjny określonego parametru pożarowego Układ napięcia odniesienia U d U o + Komparator Rys. 1. Schemat blokowy czujki dwustanowej. Układ alarmowy z układem transmisji sygnału 2.1. Czujki dymu Jeszcze do niedawna najczęściej stosowanymi elementami liniowymi w systemach sygnalizacji pożarowej były jonizacyjne czujki dymu. Wynika to przede wszystkim z faktu, że czas reakcji tych czujek wynosi kilka sekund, w którym to czasie zmiana temperatury w pomieszczeniu jest jeszcze niezauważalna. Czujka dymu ogólnie powoduje alarm już na samym początku powstania pożaru, to znaczy wtedy, kiedy materiał zaczyna się tlić i ilość dymu w powietrzu osiągnie określoną koncentrację. Dzieje się to jeszcze przed tym, zanim nastąpi intensywny otwarty płomień. Są jednak ograniczenia w stosowaniu jonizacyjnych czujek dymu. Nie można ich instalować w pomieszczeniach, jeżeli: atmosfera może powodować obraszanie lub oszronienie (wyjątek stanowią czujki z tzw. podgrzewaczem), wilgotność względna otoczenia stale przekracza 90%, kierunek ruchu powietrza utrudnia dotarcie dymu do czujki, dym i gazy spalinowe wydzielają się w czasie procesów technologicznych, pył i kurz są tak zagęszczone, że przebywanie w nich ludzi nie jest możliwe, występuje środowisko korozyjne Wysokość pomieszczeń chronionych czujką w zasadzie nie powinna przekraczać 12 m - jest to wysokość graniczna. Powierzchnia dozorowania przy wysokościach do 6 m wynosi 60 m 2, a przy wysokościach 6 12 m nie więcej niż 80m 2. Zasada działania jonizacyjnych czujek dymu oparta jest na zjawiskach zachodzących w komorach jonizacyjnych. Czujki składają się z co najmniej jednej komory jonizacyjnej (zwanej roboczą pomiarową lub zewnętrzną), do której otaczające powietrze ma dostęp, jednego lub więcej izotopowych źródeł promieniowania do wytwarzania określonej koncentracji jonów i układu elektrycznego do alarmowania. Wprowadzenie dymu do komory jonizacyjnej powoduje zmniejszenie wartości płynącego prądu. Efekt ten polega na przyłączeniu się jonów do cząsteczek dymu. Cząsteczki te, będące o wiele większe od zjonizowanych cząsteczek powietrza, mają mniejszą ruchliwość, co objawia się zmniejszeniem prądu jonizacji. Stopień zmniejszenia prądu zależy głównie od wielkości i stężenia ilościowego neutralnych cząsteczek dymu wnikających do wnętrza komory jonizacyjnej. Komora jonizacyjna składa się z dwóch elektrod E 1 i E 2 (rys. 2.), między którymi znajduje się powietrze. Cząsteczki powietrza ulegają jonizacji wskutek oddziaływania cząstek alfa emitowanych przez źródło promieniowania R a (np. Am241). Po przyłożeniu napięcia stałego do elektrod komory cząsteczki powietrza, posiadające ładunek elektryczny (jony Y Kryterium alarmu pożarowego Y=1 dla U d > U o 3

4 dodatnie i ujemne), poruszają się wzdłuż linii sił pola elektrycznego do odpowiednich elektrod (jony ujemne do elektrody dodatniej i odwrotnie). W ten sposób następuje przepływ prądu nazywany prądem jonizacji I j. Wartość tego prądu zależy od: aktywności źródła promieniotwórczego (liczby przemian jądrowych zachodzących w źródle promieniotwórczym w jednostce czasu) A, A = - dn/dt = A 0 e -0,693t/T [Bq] A 0 aktywność źródła w chwili t = 0 (np. Am 241 nie przekracza 40 kbq), A aktywność źródła w chwili t, e podstawa logarytmu naturalnego, T okres półrozpadu (np. Am ,7 lat) zasięgu emitowanych przez źródło cząstek, geometrii komory jonizacyjnej napięcia przyłożonego do elektrod komory U k. Przy niskich wartościach napięcia U k nie wszystkie jony docierają do odpowiednich elektrod, gdyż część z nich, natrafia na jony o przeciwnym znaku, ulega rekombinacji (zakres I na rys. 3.). W miarę wzrostu napięcia U k możliwość rekombinacji jest coraz mniejsza, a prąd jonizacji I j rośnie. G I j + E 1 B U k + α R a E 2 Rys. 2. Schemat ideowy działania komory jonizacyjnej R a źródło promieniotwórcze emitujące promieniowania α, E 1, E 2 elektrody komory jonizacyjnej, I j prąd jonizacji, U k napięcie komory, B źródło napięcia stałego, G galwanometr, α promieniowanie wytwarzane przez źródło. Przy określonej wartości napięcia U n (odpowiadającej wartości I n prądu I j ) prawie wszystkie jony docierają do elektrod, w związku z czym dalszy wzrost napięcia U k powoduje bardzo niewielkie wzrosty prądu jonizacji (zakres nasycenia). I j I n I II U n U k 4

5 Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa komory jonizacyjnej I zakres rekombinacji, II zakres nasycenia prądowego. Duży wpływ na wartość prądu jonizacji Ij mają czynniki zewnętrzne: zmiana ciśnienia, temperatura otoczenie, wilgotność powietrza, przepływ powietrza. Wpływ zewnętrznych czynników oraz sposób kompensacji omówiony zostanie w innym ćwiczeniu. Obecnie rozpatrzmy zjawiska zachodzące w komorze jonizacyjnej po wniknięciu do niej dymu. Dym składa się z ośrodka rozpraszającego i fazy dyspersyjnej. Ośrodkiem rozpraszającym jest powietrze, natomiast fazą dyspersyjną tworzą cząstki powstałe w wyniku niezupełnego spalania. Dym jest więc formą polidyspersyjnego aerozolu. Masa cząstki dymu jest w przybliżeniu cztery rzędy wielkości większa od masy cząstki gazu. W związku z tym pojawianie się w komorze jonizacyjnej cząsteczki dymu powoduje zakłócenie w przepływie prądu jonowego, którego mechanizm można przedstawić następująco: cząstki dymu mają zdolność wychwytywania elektronów, dzięki czemu tworzą ujemne jony, które z powodu większej masy charakteryzują się mniejszą ruchliwością, co powoduje zmniejszenie natężenia prądu jonizacji przy stałych wartościach napięciu na elektrodach komory i gęstości objętościowej ładunku, ujemnie naładowane cząsteczki dymu o małej ruchliwości tworzą wokół elektrody dodatniej (anody) ładunek przestrzenny, osłabiając natężenie pola elektrycznego, osłabiając natężenie pola elektrycznego wewnątrz komory cząsteczki dymu działają jako ośrodek kondensacji par jonów, co powoduje zwiększenie szybkości rekombinacji jonów, a zatem zmniejszanie ilości nośników prądu. Zmniejszenie prądu jonizacji pod wpływem dymu, wnikającego przez otwory komory wewnętrznej czujki w sposób impulsowy, jest ograniczone w czasie. Wynika to z faktu, że z upływem czasu cząsteczki dymu ulegają rozpadowi na mniejsze, a ponadto osadzają się na ściankach obudowy i elektrodach komory. Tak więc po wprowadzeniu do komory pewnej porcji dymu, prąd jonizacji gwałtownie zmaleje, lecz po stosunkowo krótkim czasie zacznie wracać do wartości początkowej. Opisany efekt nie występuje, gdy w otoczeniu komory jonizacyjnej koncentracja cząstek aerozolu nie spada poniżej określonej wartości (dopływ świeżych spalin) Charakterystyka napięciowo-prądowa (zakres rekombinacji) komory jonizacyjnej nie zadymionej i zadymionej (I n prąd nasycenia komory) przedstawiono na rys. 4. I j I n nie zadymiona zadymiona U k 5

6 Rys. 4. Charakterystyka napięciowo prądowa komory jonizacyjnej Innym typem czujek dymu są optyczne czujki dymu. Zasada działania optycznych czujek dymu jest oparta na wykorzystaniu zjawiska absorpcji (pochłaniania) i dyspersji (rozpraszania) światła. Podstawowym elementem tych czujek jest fotoelement odbierający światło z emitera. Emitowane światło napotyka drobne cząsteczki dymu, co powoduje, że promień świetlny na swojej drodze podlega rozpraszaniu, odbiciu, załamaniu czy pochłanianiu. Mierząc np. stopień pochłaniania światła można określić gęstość dymu. Najbardziej rozpowszechnione wśród producentów są czujki dymu, których zasada oparta jest na pomiarze światła rozproszonego (rys. 5.). Impulsowe źródło światła (NAD) i fotoelement (ODB) umieszczone są w komorze w taki sposób, że promienie świetlne ze źródła światła NAD nie docierają bezpośrednio do fotoelementu ODB. Kiedy dym w chronionym pomieszczeniu osiągnie określoną koncentrację pewna ilość światła w komorze odbita od cząsteczek dymu trafi na fotoelement (efekt Tyndalla). Sygnał z fotoelementu powstający na skutek oświetlenia uruchomi układ alarmowy czujki. Najczęściej nadajnikiem promieniowania jest dioda elektroluminescencyjna zasilana sygnałem z generatora sygnałowego, a odbiornikiem fotodioda. Cząsteczki dymu NAD ODB Wzm Generator sygnału Układ alarmowy czujki Układ wyjścia Kompensacja zabrudzenia Rys. 5. Zasada działania układu detekcyjnego optycznej rozproszeniowej czujki dymu. Sygnał z odbiornika, po wzmocnieniu, przekazywany jest do układu alarmowego czujki, który stanowi bramka typu AND i licznik. Na drugie wejście bramki AND wprowadzany jest sygnał z generatora sygnałowego, taktującego pracę NAD. W chwili, gdy oba sygnały, tj. z ODB i generatora sygnałowego są w zgodnej fazie, na wyjściu bramki AND, pojawia się stan wysoki sygnału wyjściowego. Pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu bramki powoduje, że stan taki zostaje zliczony przez licznik impulsów, który jest następnym elementem układu alarmowego czujki. Licznik jest kasowany poprzez podłączenie na jego wejście kasowania stanu licznika impulsów z generatora sygnału. W konsekwencji, jeżeli sygnał wyjściowy z bramki AND pojawia się na tyle sporadyczne, iż nie powoduje to w chwili zliczania licznika jego przepełnienia, czego efektem jest pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu licznika, to zawartość licznika zostanie wyzerowana. Takie działanie 6

7 zapobiega fałszywym alarmom czujki. Pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu układu alarmowego czujki powoduje uruchomienie układu wyjściowego. Wysokość instalowania i powierzchnia dozorowania optycznych czujek dymu jest podobna jak przy czujkach jonizacyjnych. Następną z omawianych czujek dymu jest czujka wykorzystująca zjawisko pochłaniania światła. Na rys. 6. przedstawiono zasadę pracy czujek dymu na światło pochłonięte. Strumień promieniowania podczerwonego (np. λ = 950 nm), wytwarzany przez nadajnik promieniowania, w przypadku a) rys. 6. dociera bez zakłóceń do odbiornika promieniowania. W chwili pojawienia się pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem cząsteczek dymu, następuje pochłanianie promieniowania, co powoduje, że energia E p1 nie dociera w pełni do odbiornika (E p2 ). Stopień pochłaniania zależy od własności dymu (np. barwa, wielkość cząstek, masa itp.). a) E p1 E p2 N A D O D B Układ alarmowania czujki z układem wyjściowym b) E p1 E p2 N A D O D B Układ alarmowania czujki z układem wyjściowym Rys. 6. Zasada działania czujki na światło pochłonięte. a) Czujka w stanie dozorowania. b) Czujka w stanie alarmowania (po spełnieniu kryterium zadziałania) E p energia promieniowania, NAD, ODB nadajnik, odbiornik promieniowania Czujki te, poprzez zastosowany układ detekcyjny, są także wykorzystywane do wykrywania wzrostu temperatury w pomieszczeniu chronionym. Wykorzystuje się tu zjawisko modulacji strumienia promieniowania przez rozgrzane powietrze (zmiana kierunku promieniowania), co powoduje, że część promieniowania nie dociera do odbiornika. Efektem jest zmniejszenie się energii promieniowania docierającej z nadajnika, co wykrywane jest przez układ alarmowy czujki. Porównując własności czujek dymu musimy wiedzieć, że na przydatność czujek do konkretnych zastosowań mają wpływ między innymi następujące czynniki: Rodzaj dymu 7

8 Czułość Czujka optyczna Czujka jonizacyjna Rodzaj dymu Niewidzialny jasny ciemny czarny Rys. 7. Zależność czułości czujek dymu w zależności od rodzaju dymu. Fazy rozwoju pożaru Wartość sygnału detektora czujki Czujka jonizacyjna Czujka optyczna na światło pochłonięte Czujka optyczna rozproszeniowa Rozkład termiczny tlenie płomień Rys. 8. Zależność sygnału użytecznego z czujki od fazy rozwoju pożaru. Średnicy cząstek dymu Relatywna czułość 100 Promieniowanie rozproszone 10 Absorpcja promieniowania Zmiana prądu jonizacji 1 Średnica [μm] 0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 Pożar płomieniowy Pożar bezpłomieniowy 8

9 Rys. 9. Zależność czułości czujki dymu od średnicy cząsteczek dymu z umownym rodzajem pożaru Analizując powyższe zależności należy zawrócić uwagę, że: czujki optyczne dymu posiadają selektywną charakterystykę detektora w zależności od barwy dymu, czułość jonizacyjnych czujek dymu praktycznie nie zależy od barwy dymu, jest aktywna w zakresie już od niewidzialnych produktów spalania czujki optyczne dymu posiadają większą czułość od jonizacyjnych czujek w przypadku bezpłomieniowego spalania materiałów, po pojawieniu się płomieni jest odwrotna sytuacja, czułość jonizacyjnych i optycznych rozproszeniowych czujek dymu w zakresie średnic cząstek 0,05 0,2μm podlega dużym zmianom, czułość czujek optycznych na światło pochłonięte wykazuje bardzo małe zmiany w zależności od wielkości cząstek, rodzaju pożaru, czułość jonizacyjnych czujek dymu zmniejsza się dla dużych (powyżej 0,5μm) średnic cząstek powstałych w trakcie spalania bezpłomieniowego. Czułość jonizacyjnej czujki dymu jest to względna zmiana prądu jonizacji zewnętrznej komory jonizacyjnej, wywołana panującą w momencie zadziałania koncentracją dymu. Gdzie: I prąd komory jonizacyjnej w powietrzu z aerozolem I 0 prąd komory jonizacyjnej w powietrzu bez aerozolu Wg (1) podano przykładowe wartości czułości czujek dla wzorcowego aerozolu parafinowego: Y = 0,7 czujka o najwyższej czułości, Y = 1 czujka o średnie czułości, Y = 1,5 czujka o małej czułości. Czułość optycznych czujek dymu jest określona poprzez parametr D, jako procentowe zmniejszenie przezroczystości na drodze 1 m, lub poprzez moduł ekstynkcji m, którego jednostką jest db/m. Gdzie: d długość drogi optycznej pomiarowej w aerozolu [m] P 0 moc promieniowania odbierana w warunkach bez aerozolu P moc promieniowania odbierana w warunkach obecności aerozolu Ostatnim tu omówionym typem czujek dymu są czujki zasysające. Podstawowymi elementami budowy takiej czujki są: układ pomiarowy gęstości optycznej dymu, system rurek zasysających, wentylator zasysający, wymuszający przepływ przez orurowanie, system kontroli przepływu, układ zasilania. Systemy zasysające są stosowane w pomieszczeniach trudnodostępnych, a także w pomieszczeniach, w których występuje odziaływanie elektromagnetycznych. Wyniesienie (1) (2) 9

10 czujki poza obszar odziaływania pola przy jednoczesnym kontrolowaniu powietrza w tym obszarze gwarantuje pracę bez fałszywych alarmów. Rury zasysające powietrze z nadzorowanego pomieszczenia posiadają określoną ilość otworów, których suma przekrojów nie może przekroczyć ustalonej granicy. Również średnica otworów jest ściśle określona, w zależności od odległości danego punktu zasysającego od czujki. Zwiększenie ilości otworów powoduje zasysanie nieproporcjonalnie dużej ilości czystego, nie zadymionego powietrza z przestrzenie nie zagrożonej pożarem. Z tego samego względu należy również stosować jedynie zestawy rur wybrane z katalogu. CSP Detektor Wlot powietrza D Rury Rozgałęzienie Wentylator Kontrola przepływu Rys 10. Zasada działania układu zasysającego Do klasy zasysających należą również czujki najwyższych czułości siegających 0,005%/m (typowa czujka optyczna rozproszeniowa posiada czułość ok. 3%/m). Umożliwiają one wykrycie wstępnej fazy pożaru w pomieszczenie zawierającym nadzwyczaj kosztowenwyposażenie, liun w pomieszczeniach typu clean room. Istnieje kilka odmian czujek pracujących w oparciu o rózne zasady działania. Źródło promieniowania System rur zasysających L a s Pochłaniacz promieniowania świetlnego e r Wentylator Rozpraszanego na cząstkach aerozolu umieszczony jest prostopadle do płaszczyzny rysunku nad ogniskiem Rys. 11. Zasada działania czujki dymu o wysokiej czułości Najczęściej stosowanym, a jednocześnie najprostszym jest laserowy licznik cząstek. Zasada działania urządzenia przedstawiono na rys. 11. Wentylator za pośrednictwem systemy rur zasysa z nadzorowanego pomieszczenia powietrze z drobinami dymu. Powietrze dostaje 10

11 się do przestrzeni pomiarowej, w której promień półprzewodnikowego lasera (w niektórych rozwiązaniach są stosowane lampy ksenonowe) jest skupiany przy pomocy ukłądu optycznego do plamiki o średnicy μm. Poszczególne drobiny dymu rozpraszają światło w kierunku prostopadłym do pormienia. Ponieważ natężenie światła w ognisku osiąga bardzo duże wartości, do fotodetektora docierają impulsy świetlne o dużej amplitudzie zliczne następnie przez ukłąd elektroniczny. Urządzenie sprawdza nawet pojedyńcze impulsy. Ilość impulsów jest proporcjonalna do wartości koncentracji cząstek dymu. Urządzenie jest zwykle wypoisażone w mikroprocesorowy system pomiarowy umożliwiający regulację czułości poprzez zmianę poziomu odniesienia lub zmianę ilości zliczanych cząstek dymu (zmiana okresu bramkowania). Tą metodą można częściowo eliminować fałszywe alarmy pochodzące od dużych cząstek pyłu (o średnicy μm). Ze względu na wykorzystanie kąta rozpraszania równego 90º oraz jedną długość fali (promieniowanie monochromatycznego półprzewodnikowego lasera) czułość czujki zależy wybitnie od wielkości cząstek dymu. Na innej zasadzie działa czujka, która wykorzzystuje zmienne wartościu kąta rozpraszania na różnych cząstkach aerozolu rys. 12. Jako źródło światła jest zastosowana lampa ksenonowa, wytwarzająca promieniowanie o małej długości fali (barwa niebieska) i w związku z tym czujka szczególnie się nadaje do wykrywania cząstek o małej średnicy. Jak widać na ryzunku, czastki dymu zawarte w zasysanym powietrzu są oświetlane przez źródło pod różnymi kątami, zależnymi od położenia rozpatrywanej cząstki względem lampy. Dzieki takie konstrukcji, promieniowanie rozpraszane pod róznymi kątami na cząski dymu o różnych średnicach dociera do fotodetektora poprzez ukłąd optyczny. Dodatkową zaletą jest duża proporcjonalność między stężeniem dymu a sygnałem wyjściowym z detektora. Ze względu na możliwość wystąpienia fałszywych alarmów czujki o najwyższych czułościach są wyposażone w specjalne filtry, umożliwiające wyeliminowanie cząstek pyłu. Wlot powietrza Lampa Wylot powietrza Soczewka α 2 α 3 α 4 α 1 Przysłony Cząstki aerozolu Fotodetektor Rys. 12. Zasada działania czujki wykorzystującej zmienny kąt rozpraszania promieniowania przez cząstki aerozolu o różnych wartościach 2.2. Czujki ciepła Czujki ciepła kontrolują temperaturę w chronionym pomieszczeniu reagując na wzrost temperatury. W wyniku procesu spalania materiału wytwarza się energia cieplna, która drogą konwekcji przenosi się od ogniska pożaru do czujki. Istnieją dwa podstawowe rodzaje czujek ciepła nadmiarowa i różniczkowa. Czujka nadmiarowa wywala sygnał alarmu pożarowego, kiedy w jej otoczeniu 11

12 temperatura przekroczy pewną wartość progową przez odpowiednio długi czas, tj. temperaturę ustaloną w zależności od normalnych warunków panujących w chronionym pomieszczeniu. Czujka różniczkowa wyzwala alarm pożarowy, gdy szybkość zmian temperatury w czasie przekracza określoną wartość odpowiednio długim czasie. Czujek nadmiarowych i różniczkowych nie wolno stosować tam, gdzie są przekraczane parametry dozwolone przez producenta (temperatura pracy, wilgotność, ruch powietrza itp.), niebezpieczna chemicznie atmosfera w pomieszczeniach chronionych oraz występuje mokry pył, zaś czujek nadmiarowo-różniczkowych wszędzie tam, gdzie: temperatura otoczenia zmienia się w granicach progu różnicowego czujki, występuje silny ruch powietrza o zmiennych kierunkach. Dla czujek ciepła maksymalna dopuszczalna powierzchnia dozorowania wynosi 40 m 2, maksymalna wysokość instalowania 7,5 m. Elementem detekcyjnym w czujkach ciepła jest termistor, element półprzewodnikowy, którego rezystancja zależy od temperatury. Termistor pracuje w układzie mostkowym (rys. 13), gdzie porównywane są napięcia wyjściowe z układu przez komparator. a) b) R 1 R 2 Komparator R 1 R 2 R 3 Komparator U 1 U 2 + C U 2 U 1 + R t R 3 U wy R t R 5 R 4 U wy Rys. 13. Zasada pracy wybranych układów czujek ciepła a) układ nadmiarowy, b) układ różniczkowy Napięciem odniesienia jest napięcie U 2 (z dzielnika napięcia w pierwszym przypadku R 2 R 3, w drugim R 3 R 4 ), które jest porównywane z napięciem U 1, zależnym od zmian rezystancji termistora R t. Na wyjściu komparatora uzyskujemy stan alarmu, gdy U 2 >U 1 (T, R t, U 1 przy U 2 = const. => U wyj ). Punktowa czujka ciepła zwana również czujką temperatury wykrywa wzrost temperatury otoczenia. Przekroczenie pewnego ustalonego przez konstruktora progu temperatury powoduje zadziałanie czujki nadmiarowej. Przekroczenie ustalonego przyrostu temperatury w czasie, powoduje zadziałanie czujek różniczkowych. W przeważającej ilości rozwiązań stanowią jedną konstrukcję tworząc czujkę nadmiarowo-różniczkową. Opóźnienie w transporcie ciepła i bezwładność termistora powoduje, że termistor osiąga temperaturę progu zadziałania w momencie, gdy w otoczeniu czujki panuje znacznie wyższa temperatura. Przy dostatecznie szybkim przyroście temperatury czujka z progiem nadmiarowym 60ºC może zadziałać w temperaturze otoczenia ok. 100 ºC. Na rys. 14 przedstawiono klasyfikacje czujek ciepła w zależności od ich bezwładności cieplnej. Zgodnie z wymaganiami normy PN-92/M-51004/05, próg zadziałania czujek nie może być niższy niż 54 ºC oraz nie wyższy niż: 12

13 Temperatura [ºC] 62 ºC dla 1 klasy zadziałania (reakcja czujki między łamaną A i B) 70 ºC dla 2 klasy zadziałania (reakcja czujki miedzy łamaną A i C) 78 ºC dla 3 klasy zadziałania (reakcja czujki między łamaną A i D) Występują dwie tendencje w konstrukcjach czujek ciepła. Zastosowanie progu różniczkowego, który będzie stabilizował wartość progu zadziałania czujki bez względu na szybkość przyrostu temperatury w czasie ºC/min 5ºC/min 3ºC/min D 50 C 1ºC/min 40 B A Czas [min] Zastosowanie progu różniczkowego, który przy dużych przyrostach temperatury w czasie będzie silnie przyspieszał reakcje czujki. Tego typu rozwiązania pozwalają uzyskać pierwszą klasę zadziałania. Rys. 14. Klasyfikacja czujek ciepła 2.3.Czujki płomienia Płomień jest najbardziej widoczną postacią spalenia się materiałów palnych Czujka płomieni działa na zasadzie selekcji częstotliwości migotania płomienia. Światło migoczące płomienia pada poprzez szerokokątny układ optyczny na fotoelement. Tam zostaje przetworzone na sygnał elektryczny o częstotliwości migotania płomienia (3-20 Hz). Ciało podlegające spalaniu płomieniowemu wysyła promieniowanie elektromagnetyczne o określonym rozkładzie spektralnym. Przykładowe rozkłady promieniowania emitowanego 13

14 przez palące się materiały pokazano na rys. 15 (moc promieniowania pole pod krzywymi rozkładów). Na rynku najczęściej spotykanymi czujkami płomienia są czujki wykorzystujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu długości fal podczerwieni i ultrafioletu. Filtr optyczny Detektor pasmowy Wzmacniacz 3-20 Hz Licznik Układ transmisji alarmu Generator Kasowanie Rys 15. Rozkłady spektralne promieniowania emitowanego przez: a) alkohol, b) drewno, c) parafinę, d) gaz metanowy podczas spalania Najczęściej układ wewnętrzny czujki płomienia pracującej w zakresie promieniowania podczerwonego składa się z następujących elementów: filtra optycznego o odpowiedniej charakterystyce widmowej, który przepuszcza promieniowanie podczerwone, detektora podczerwieni o maksymalnej czułości w zakresie analizowanego widma, którego zadaniem jest przetworzenie zmian promieniowania płomieni na odpowiednie zmiany prądu elektrycznego, filtra aktywnego (3-20 Hz), wzmacniacza sygnału, 14

15 układu progowego (przekazanie informacji do centrali sygnalizacji pożaru po wejściu czujki w stan alarmu pożarowego). Schemat ideowy takiej czujki przedstawiono na rys. 16 Drugim rozwiązaniem czujek płomienia badanym w ćwiczeniu są czujki pracujące w zakresie ultrafioletu. Detektorem promieniowania jest kwarcowa bańka wypełniona gazem (argon), spełniająca z układem elektrod zadania licznika Geigera-Mllera. Kwant promieniowania, padając na elektrodę szklanego detektora, powoduje wybicie elektronu zgodnie z prawami zjawiska fotoelektrycznego, który, poruszając się pod wpływem silnego pola elektrycznego między elektrodami, powoduje lawinową jonizację powietrza. Impulsy napięciowe z detektora są następnie podawane do rejestru przesuwnego (okresowo kasowany). Jeżeli w czasie pomiędzy kolejnym zerowaniem nastąpi przepełnienie rejestru, wówczas sygnałem przepełnienia zostanie uruchomiony układ transmisji alarmu. Rys. 16. Schemat blokowy czujki płomienia pracującej w zakresie podczerwieni. Kwant promieniowania Zasilacz C 1 C 2 R L i c z n n k Układ transmisji alarmu Generator Kasowanie Rys. 17. Schemat blokowy czujki płomienia pracującej w zakresie promieniowania ultrafioletowego. Przy instalowaniu czujek płomienia, należy zwrócić uwagę, aby na czujkę nie miały., wpływu zjawiska uboczne symulujące zjawiska zachodzące przy pożarze. Dlatego też czujek płomienia nie wolno instalować w pomieszczeniach, gdzie mogą mieć wpływ na ich pracę np. przejeżdżające pociągi (efekt migotania światła przez okna pociągu), światło słoneczne modulowane przez poruszające się drzewa itp. Z tego typu przeszkodami można sobie poradzić, stosując np. specjalne osłony jak i dobór parametrów układu dyskryminacji niepożądanych częstotliwości. Powierzchnia dozorowania czujek płomienia zależna jest od konstrukcji czujek przy maksymalnej wysokości instalowania do 20 m. 3. Stanowisko pomiarowe Stanowisko pomiarowe składa się ze szczelnej komory do prób ogniowych w której umieszone są czujki pożarowe. Na suficie znajdują się dwa szeregi czujek punktowych. Jeden z szeregów umieszczono za przeszkodą w postaci przewodu wyciągu. Dodatkowo w komorze znajduje się optyczna absorpcyjna czujka liniowa oraz dwie rury do czujek liniowych. Stanowisko wyposażone jest w konwencjonalną centralę sygnalizacji pożarowej. Wszystkie pomiary rejestrowane są przez komputer nadzorujący czujki. W komorze można przeprowadzać pożary próbne ze spalaniem płomieniowym i bezpłomieniowym. Do spalania bezpłomieniowego służy elektryczna płyta grzejna. Komora wyposażona jest w wydajną wentylację mechaniczną wraz z wielopunktowym napowietrzaniem. 15

16 4. Przebieg ćwiczenia 4.1. Przygotowanie stanowiska: 1. Zapisać w Tabeli 1. (tabela zamieszczona w protokole) typ i model badanych czujek; 2. Zapisać model centrali sygnalizacji pożarowej, do której przyłączono czujki punktowe, rozpoznać sposób obsługi centrali sygnalizacji pożarowej; 3. Zmierzyć i opisać na rysunku odległości w poziomie czujek punktowych od źródła pożaru Przebieg pomiaru: 1. Przygotować ognisko pożaru (Spalanie 1: płomieniowe, próbki drewna nad tacą z cieczą palną); 2. Uruchomić program rejestrujący działanie czujek 3. Wcisnąć przycisk strat w momencie podpalenia cieczy na tacy; 4. Odnotować czas zadziałania poszczególnych czujek, wyniki zapisać w Tabeli 1. Resztki próbek drewna umieścić w pojemniku z wodą. Przewietrzyć komorę (otworzyć klapę na nawiewie i wyciągu zwiększyć obroty wentylatora). W trakcie wietrzenia komory zapoznać się z czujkami na stanowisku i wskazać: czujki dymu, płomienia, ciepła. 5. Wyłączyć wentylację zamknąć klapy, skasować czujki; 6. Przygotować ognisko pożaru (Spalanie 2: bezpłomieniowe: próbki kabla, na płycie grzejnej); 7. Włączyć przycisk start w momencie położenia kabla na rozgrzaną płytę; 8. Odnotować czas zadziałania poszczególnych czujek, wyniki zapisać w Tabeli 1. Resztki próbek umieścić w pojemniku z wodą. Przewietrzyć komorę (otworzyć klapę na nawiewie i wyciągu zwiększyć obroty wentylatora). Uporządkować stanowisko, opróżnić pojemnik z resztkami próbek, uzupełnić wodę w pojemniku. 5. Sprawozdanie 1. Wstęp. Cel i zakres ćwiczenia 2. Opis stanowiska pomiarowego 3. Opis i podstawowe dane techniczne badanych czujek (przydatność do wykrawania pożarów testowych TF, materiały producentów) 4. Charakterystyka pożarów testowych TF (wg PN-EN 54-7) 5. Analiza wyników (czas zadziałania w formie tabelarycznej i graficznej - wykres słupkowy z czasami zadziałania; wskazanie zależności między rodzajem czujki, lokalizacją czujki, czasem zadziałania i rodzajem spalania) 6. Podsumowanie i wnioski (przykłady grup pożarów, które najszybciej wykrywają poszczególne rodzaje czujek: uniwersalne, optyczne rozproszeniowe, jonizacyjne, zasysające) 7. Zadania zaproponuj i uzasadnij dobór czujek do zabezpieczenia: 16

17 a) pomieszczenia biurowego, b) kuchni, c) magazynu z rozpuszczalnikami; wskaż główną różnicę w budowie między czujkami DOR i DUR 6. Pytania kontrolne Omów budowę i zasadę działania czujek: o Jonizacyjne dymu o Optycznej rozproszeniowej dymu o Optycznej absorpcyjnej dymu (na światło pochłonięte) o Zasysającej o Płomienia pracującej w paśmie UV o Płomienia pracującej w paśmie IR o Ciepła Porównaj własności optyczny i jonizacyjnych czujek dymu Wyjaśnij pojęcie czujka dwustanowa Omów czynniki wpływające na dobór czujek pożarowych Wskaż wielkości do pomiaru czułości czujek pożarowych, podaj jednostkę i rodzaj czujek względem których dany parametr się stosuje. 7. Literatura [1] J. Ciszewski, Wstęp do automatycznych systemów sygnalizacji pożarowej, Firex, Józefów [2] Systemy sygnalizacji pożarowej, Ogólnopolskie warsztaty ZACISZE , wyd. Zakład Urządzeń Dozymetrycznych POLON-ALFA, Bydgoszcz. [3] Sieci i instalacje sygnalizacji pożarowej. Poradnik projektanta przemysłowego. Cz. 1. Projektowanie instalacji sygnalizacji pożarowej, R. Płaczkowski, temat 152, wyd. BISTYP, Cz. 2.Budowa urządzeń i instalacji sygnalizacji pożarowej, R. Płaczkowski, temat 153, wyd. BISTYP, Cz. 3.Wymagania i badania urządzeń sygnalizacji pożarowej, R. Płaczkowski, W. Sokolik, temat 154, wyd. BISTYP, [4] PN-92/M-51004/01. Części składowe urządzeń sygnalizacji pożarowej. Wprowadzenie. [5] PN-92/M-51004/05. Części składowe urządzeń sygnalizacji pożarowej. Czujki temperatury. Punktowe czujki z jednym elementem o statycznym progu zadziałania. [6] PN-92/M-51004/07. Części składowe urządzeń sygnalizacji pożarowej. Punktowe czujki dymu. Czujki dymu pracujące na zasadzie światła rozproszonego, światła przechodzącego oraz na zasadzie jonizacji. [7] PN-92/M-51004/08. Części składowe urządzeń sygnalizacji pożarowej. Czujki temperatury o wysokich temperaturach zadziałania. [8] PN-92/M-51004/09. Części składowe urządzeń sygnalizacji pożarowej. Badania 17

18 przydatności w warunkach pożarów testowych. [9] Normy zakładowe dot. czujek ZUD POLON-ALFA, Bydgoszcz. [10] Systemy Sygnalizacji Pożarowej, Materiały szkoleniowe, tom 1,2, POLON-ALFA, Bydgoszcz, [11] Materiały do projektowania i odbioru elektrycznej sieci sygnalizacji alarmowopożarowej. OBROP Józefów, BIT, nr 2 i 3, [12] Tar D., Zwei neue Flammenmelder, Hew. Phys. Acta, tom 56, s , [13] Podręcznik projektanta systemów sygnalizacji pożarowej, Część I, CNBOP, SiTP, Józefów k/otwocka