BADANIE CZUŁOŚCI CZUJEK POŻAROWYCH PRZY ZAŁOŻONYCH PRĘDKOŚCIACH PRZEPŁYWU POWIETRZA Autor: Waldemar Wnęk Opracowanie wersji elektronicznej: Sylwia Boroń, Tomasz Wdowiak 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z uzależnieniem czułości czujek od przepływu powietrza oraz z metodami minimalizacji oddziaływania tego czynnika. Dodatkowo w ćwiczeniu zostanie omówiony ogólny wpływ warunków atmosferycznych na pracę czujek. 2. Wprowadzenie Czujki jonizacyjne są ciągle często stosowanymi czujkami pożarowymi. Jednak ich stosowanie zwłaszcza w miejscach, w których występują duże wartości przepływu powietrza podlega dużym ograniczeniom. Budowa czujek jonizacyjnych została opisana w instrukcji do ćwiczenia Analiza porównawcza detekcji pożarów przez wybrane czujki. Duży wpływ na wartość prądu jonizacji I j mają czynniki zewnętrzne: Zmiany ciśnienia, Temperatura otoczenia, Wilgotność powietrza, Przepływ powietrza. Wpływ zewnętrznych czynników oraz sposób kompensacji omówiony zostanie w późniejszej części wprowadzenia. Obecnie rozpatrzymy zjawiska zachodzące w komorze jonizacyjnej po wniknięciu do niej dymu. Dym składa się z ośrodka rozpraszającego i fazy dyspersyjnej. Ośrodkiem rozpraszającym jest powietrze, natomiast fazę dyspersyjną tworzą cząstki powstałe w wyniku niezupełnego spalania. Dym jest więc formą polidysperysjnego aerozolu. Masa cząstki dymu jest w przybliżeniu cztery rzędy wielkości większa od masy cząsteczki gazów. W związku z tym pojawienie się w komorze jonizacyjnej cząsteczek dymu powoduje zakłócenia przepływ prądu jonizacyjnego, których mechanizm może 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 (In prąd nasycenia komory) przedstawiono na rys. 1. I j I n nie zadymiona zadymiona U k
Rys. 1. Charakterystyka napięciowo-prądowa komory jonizacyjnej Produkowane obecnie czujki dymu posiadają z reguły dwie komory jonizacyjne połączone szeregowo. Pierwsza z nich, znajdująca się wewnątrz czujki (komora wewnętrzna KW), pracuje w zakresie nasycenia charakterystyki napięciowo-prądowej. Druga z komór, posiadająca jedną z elektrod wykonaną w sposób zapewniający łatwe przenikanie dymu (komora zewnętrzna KZ), pracuje w zakresie rekombinacji charakterystyki prądowo-napięciowej. I j I n I II U n U k Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa komory jonizacyjnej I zakres rekombinacji, II zakres nasycenia prądowego. (rys. 3). Komory KZ i KW połączone są szeregowo, tworząc układ różnicowy a) KW U KW R KW U KW U K U K KZ U KZ R KZ U KZ
b) I jz bez dymu KZ z dymem KZ 1 2 I jw ΔU KZ U KZ U KW U KZ1 U KZ2 Rys. 3. Zasada działania komór jonizacyjnych w układzie różnicowym. a) układ różnicowy komór oraz jego schemat zastępczy, b) rozkład napięć na komorach w przypadku zadymienia i nie zadymienia komory zewnętrznej. W przypadku nieobecności dymu w KZ wartości napięć U KZ i U KW dzielnika napięcia, utworzonego z tak połączonych komór, nie ulegają zmianie. Po wniknięciu dymu do komory KZ nastąpi wzrost rezystancji KZ, a zatem wzrost spadku napięcia w tej komorze o wartość: U KZ = U KZ2 U KZ1 (1) Jednocześnie nastąpi zmniejszenie spadku napięcia U KW na komorze wewnętrznej tak, że spełnione jest równanie dzielnika napięcia: U KZ + U KW = U K = const. (2) Z rysunku 3 wynika, że z dużą dokładnością można założyć, iż prąd płynący przez szeregowo połączone komory jonizacyjne nie ulega zmianie po wprowadzeniu dymu do KZ (I 1 = I 2, praca komory w nasyceniu). Względną zmianę prądu przy stałym napięciu zasilania U K można określić: gdzie: ΔI=I 1 - I 2 bezwzględna zmiana prądu jonizacji komory po wprowadzeniu cząstek dymu, U K napicie zasilania dzielnika napięcia utworzonego z komór jonizacyjnych, R 1 rezystancja komory jonizacyjnej bez dymu KZ, (3)
ΔR przyrost rezystancji komory po wprowadzeniu dymu. Z zależności (2) po dokonaniu przekształceń otrzymamy: (4) gdzie: ΔR/R 1 względny przyrost rezystancji komory. Z kolei uwzględniając stałość prądu płynącego przez komory mamy: Wykorzystując zależność (4) oraz (5) otrzymujemy poszukiwaną zależność na ΔU KZ : ΔU KZ = U K (x/1 x) (6) gdzie: U K napięcie zasilania komory, ΔU KZ przyrost napięcia U KZ po wprowadzeniu dymu do K Z, x względna zmiana prądu jonizacji komory zewnętrznej, R 1Z rezystancji KZ bez dymu. Wielkość ΔU KZ, będąca sygnałem wyjściowym z części analogowej czujki dymu, jest podawana na wejście układu pomiarowego. Omówiony układ różnicowy komory jonizacyjnej ma szereg zalet będących efektem wykorzystania współpracy komór w zakresie nasycenia KW i rekombinacji KZ, a mianowicie: większą czułość części analogowej czujki wynikającą z faktu, że wartość prądu płynącego przez komory, przy zadymieniu KZ nie ulega zmianie, co powoduje zwiększenie przyrostu napięcia ΔU KZ, a więc i czułości w porównaniu z czujkami posiadającymi jedna komorę jonizacyjną połączoną szeregowo z rezystorem (rys. 4), przy zmianie napięcia zasilania komór U K, wynikającej np. ze spadku napięcia na rezystancji linii dozorowej i rezystancji wewnętrznej centrali sygnalizacji pożaru, nieznacznie zmieni się wartość prądu płynącego przez komory. W celu zobrazowania tych zalet, na rys. 4 przedstawiono charakterystyki napięciowo-prądowe układu różnicowego komór oraz układu złożonego z komory jonizacyjnej połączonej szeregowo z rezystorem szeregowym R SZ. Z wykresu tego wynika, że czułość komory z rezystorem szeregowym jest znacznie mniejsza od czułości układu różnicowego, gdyż ΔU 2 <ΔU 1. (5)
Ponadto w przypadku komór układzie różnicowym nieznacznie zmienia się wartość prądu płynącego przez komory przy zmianie napięcia U KZ o ΔU 1, podczas gdy dla układu komory z rezystorem zmiana prądu jest znaczna. a) R SZ U RSZ R SZ U RSZ U K U K KZ U KZ R KZ U KZ b) bez dymu KZ I jz 1 2 z dymem KZ I jw 2 ΔU 2 ΔU 1 i = f(r SZ ) U KW U RSZ U KZ1 U KZ2 Rys. 4. Zasada działania komór jonizacyjnych w układzie z rezystorem szeregowym. a) układ komory z rezystorem szeregowym oraz jego schemat zastępczy, b) porównanie rozkładu napięć na komorach w przypadku dwóch komór oraz komory z rezystorem szeregowym. Małe zmiany prądu są korzystne z punktu widzenia współpracy komory jonizacyjnej z układem elektronicznym przy tak małych prądach (rzędu na), jakie tutaj występują. Stosunek prądu jonizacyjnego do prądu upływu (upływ po rezystancji izolacji i wejścia układu elektronicznego) powinien być jak największy. U KZ
2.1. Czynniki zakłócając pracę jonizacyjnych czujek dymu Na wartość prądu jonizacyjnego, oprócz czynników wewnętrznych omówionych poprzednio, mają wpływ czynniki zewnętrzne, takie jak: zmiana ciśnienia atmosferycznego, temperatura, wilgotność oraz ruchy powietrza. 2.1.1. Ciśnienie atmosferyczne Zmiana ciśnienia atmosferycznego powoduje zmiany gęstości powietrza, a to oddziałuje na wartość prądu jonizacji. Zmniejszenie ciśnienia powoduje zmniejszenie gęstości, co bezpośrednio ma wpływ na spadek prądu jonizacji komory. Na przykład wahanie ciśnienia w granicach ± 1 kpa, przy stałych wartościach temperatury i wilgotności powietrza, może powodować zmiany wartości prądu jonizacji o 1%. W praktyce wahanie ciśnienia mogą dochodzić do 5 kpa i więcej. 2.1.2. Temperatura otoczenia Zmiany temperatury, podobnie jak zmiany ciśnienia, mają wpływ na gęstość powietrza w otoczeniu komory jonizacyjnej, a zatem na wartość prądu jonizacji. Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie gęstości powietrza, co ma wpływ na zmniejszenie prądu jonizacji komory (szybsze wchodzenie komory w stan nasycenia). Poniżej na rys. 5. podano przykładowe charakterystyki prądu jonizacji I j. I j - 10 ºC + 30 ºC Rys. 5. Wpływ temperatury otoczenia na charakterystykę napięciowoprądową komory jonizacyjnej. 2.1.3. Wilgotność otoczenia Zmiana wilgotności powietrza powoduje zmiany ruchliwości jonów ujemnych oraz zdolności hamowania przez powietrze promieniowania jonizującego. Wzrost wilgotności powoduje zmniejszenie prądu jonizacji. U k
Na rys. 6. przedstawiono wpływ wilgotności powietrza na prąd jonizacji komory. I j 40 % 60 % 95 % Rys. 6. Zmiana prądu jonizacji pod wpływem zmiany wilgotności powietrza (T = const.). 2.1.4. Ruch powietrza Przepływ powietrza przez komorę jonizacyjną KZ powoduje usuwanie nośników ładunku przestrzennego z obszaru czynnego komory, co powoduje zmniejszenie prądu jonizacji. Od pewnej prędkości przepływu powietrza przez komorę, jonizacyjna czujka dymu jest w stanie wzbudzenia jak w przypadku alarmu pożarowego, spowodowanego wnikającym dymem. Na efekt pobudzenia czujki ma wpływ prędkość przepływu, ale również kierunek przepływu powietrza (w zależności od konstrukcji i rozłożenie otworów wlotowych komory). 2.2. Sposób kompensacji wpływu zakłóceń na pracę jonizacyjnych czujek dymu Omówione czynniki zakłócające pracę jonizacyjnych czujek dymu, w zależności od kierunku zmiany, mogą powodować wzrost lub spadek prądu jonizacji. Wzrost prądu jonizacji jest równoznaczny ze zmniejszaniem wzrostu czułości, gdyż mniejsza ilość dymu wystarcza do zadziałania czujki. Tak więc określenie zmiany wielkości zakłócających mogą powodować fałszywe alarmy jonizacyjnych czujek dymu. Do takich czynników można zaliczyć: Zmniejszenie ciśnienia lub wzrost temperatury, co powoduje zmniejszenie gęstości powietrza, a więc również spadek prądu jonizacji, U k
Wzrost wilgotności, powoduje zmniejszenie ruchliwości jonów oraz zwiększenie zdolności hamowania promieniowania jonizującego, w wyniku czego wartość prądu jonizacji maleje. Wpływ opisanych zmian ciśnienia, temperatury i wilgotności przedstawiono na rys. 7. za pomocą linii przerywanych. Liniami ciągłymi narysowano charakterystyki komór pracujących w warunkach normalnych (punkt pracy 1). Jak widać z rys. 7., wpływ zakłóceń powoduje zmiany charakterystyk prądowo-napięciowych obu komór, w wyniku czego punkt pracy wkładu różnicowego przesuwa się w położenie 2. Powoduje to wzrost napięcia na komorze zewnętrznej U KZ o wartość ΔU KZ tak małą, że nie powoduje to uruchomienie układu progowego czujki. Jedynym czynnikiem nie dającym się w prosty skompensować jest ruch powietrza. Zmniejszenie wartości prądu jonizacji wskutek przepływu powietrza przez komorę zewnętrzną detektora jest równoznaczne ze zwiększeniem czułości czujek. I jz 1 bez dymu KZ z dymem I jw 2 KW ΔU KZ U KW U KZ1 U KZ2 Rys. 7. Zasady kompensacji wpływu zmiany ciśnienia, temperatury i wilgotności na działanie jonizacyjnych czujek dymu. Jednakże przy nieznacznych prędkościach przepływu czułość może maleć, co wynika z konstrukcji otworów wlotowych komory zewnętrznej (niewielki przepływ powietrza przy odpowiednio ustawionych otworach wlotowych ułatwia wejście dymu do objętości detekcyjnej). Zależność czułości jonizacyjnej czujki dymu od szybkości przepływu powietrza przedstawia rys. 8. U KZ
Czułość V p [m/s] Rys. 8. Zależność czułości jonizacyjnych czujek dymu w zależności od prędkości przepływu powietrza V p. Przy dużych prędkościach przepływu powietrza następuje tak duże usuwanie jonów z komory, że powoduje to fałszywe alarmy czujek. Sposobami na poprawienie odporności jonizacyjnych czujek dymu są: Konstrukcja komory jonizacyjnej (m. in. rozmieszczenie otworów wlotowych), Stosowanie osłon przeciwwietrznych (w zależności od konstrukcji np. od 2 m/s do 18 m/s), V p1 V p > V p1 V p Rys. 9. Zasada działania osłony przeciwwietrznej. Wytwarzanie ujemnego przestrzennego ładunku w pobliżu dodatnio naładowanej elektrody komory jonizacyjnej, + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + U Z I II U lp U wk
Rys. 10. Kompensacja przepływu powietrza przy pomocy ujemnego ładunku przestrzennego [1]. U Z napięcie zasilania komory, U lp napięcie ładunku przestrzennego, U wk napięcie wypadkowe komory, I rozkład w stanie spoczynku, II rozkład napięć w przypadku przepływu powietrza. Na rys. 11. przedstawiono wpływ zastosowania ujemnego ładunku przestrzennego na charakterystykę prądu jonizacji uzależnioną od szybkości przepływu powietrza. I j bez ładunku przestrzennego z ładunkiem przestrzennym Próg zadziałania układu alarmowego czujki V 1 V 2 V [m/s] Rys. 11. Zależność prądu jonizacji od prędkości przepływu powietrza przez komorę (z i bez ładunku przestrzennego) [1]. 3. Schemat stanowiska laboratoryjnego Stanowisko przeznaczone jest do badań odziaływania przepływu powietrza na pracę punktowych czujek. Zestaw badawczy zapewnia: Wytwarzanie strumienia powietrza (o równomiernym rozkładzie prędkości) z możliwością regulacji prędkości przepływu V p w zakresie 0 10 m/s. Pomiar prędkości przepływu w podanym zakresie z dokładnością 5%. Zmianę kąta nawiewu przez zmianę kąta położenia czujki w osi pionowej w zakresie 360º. Pomiar gęstości optycznej dymu. Pomiar temperatur w kluczowych miejscach układu. Pomiar czasu zadziałania czujek.
Wentylator dachowy z regulacją prędkości Anemometr Multimetr Komputer z układami dopasowującym Drukarka Pomiar m., y 6 1 2 4 5 9 3 8 IPS-CR 7 Komputer Drukarka Waga Rys. 12. Szkic układu pomiarowego do badania czułości czujek pożarowych dymu. 1 głowica pomiarowa y (komora jonizacyjna), 2 badane czujki pożarowe, 3 głowica pomiarowa densytometru m.(pomiar zewnętrzny), 4 7 termopary, 8 prostownica strumienia, 9 regulowany otwór zasysania powietrza, IPS CR pomiar parametrów cząstek dymu, pomiar y,m. kalkulator wielkości pomiarowych y[ ], m [db/m], Anemometr pomiar prędkości przepływu powietrza [m/s], Multimetr pomiar napięcia zasilania czujek.
4. Przebieg ćwiczenia Wykonać pomiar czasu zadziałania wybranych rodzajów czujek przy zadanych prędkościach przepływu, rodzajach spalania i rodzajach materiałów palnych. Dokonać oceny i analizy parametrów mierzonych, przy których nastąpiło zadziałanie czujek pożarowych. 5. Opracowanie sprawozdania Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: 1) Cel ćwiczenia. 2) Schemat stanowiska pomiarowego. 3) Przebieg badania. 4) Charakterystyki badanych czujek (na podstawie kart katalogowych). 5) Charakterystyka parametrów m i D. 6) Analiza wyników, w szczególności: a) Wykres zależności średniego czasy zadziałania (z 3 pomiarów) od prędkości, b) Wykres zależności D (z 3 pomiarów) od prędkości, c) Wykres zależności średniego m (z 3 pomiarów) od prędkości. 7) Wnioski. 6. Pytania kontrolne 1. Omów zasadę działania jonizacyjnych czujek dymu. 2. Omów, od czego zależy wartość prądu jonizacji w jonizacyjnych czujkach dymu. 3. Omów jakie czynniki zewnętrzne (atmosferyczne) mają wpływ na wartość prądu jonizacji. 4. Omów metody kompensacji wpływu warunków atmosferycznych na pracę jonizacyjnych czujek dymu. 5. Omów działanie jonizacyjnych czujek dymu w układzie detekcyjnym z rezystorem szeregowym i komorą wewnętrzną. 6. Omów wpływ przepływu powietrza na pracę jonizacyjnych czujek dymu. 7. Omów sposoby zwiększania odporności jonizacyjnych czujek dymu na przepływ powietrza.
7. Literatura [1] J. Ciszewski, Wstęp do automatycznych systemów sygnalizacji pożarowej, CNBOP, Firex, Warszawa 1996. [2] PN-92/M-51004/07, Części składowe automatycznych urządzeń sygnalizacji pożarowej. Punktowe czujki dymu. Czujki dymu pracujące na zasadzie światła rozproszonego, światła przechodzącego oraz zasadzie jonizacji. [3] Karty katalogowe wybranych jonizacyjnych czujek dymu (do wglądu w Zakładzie TSZ).