Analiza porównawcza detekcji pożarów przez czujki pożarowe

Analiza porównawcza detekcji pożarów przez czujki pożarowe

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
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
 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.
 płomień
 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
Układ detekcyjny
określonego
parametru pożarowego
Ud
Uo
Układ
napięcia odniesienia
+
̶−
Y
Komparator
Układ alarmowy
z układem
transmisji sygnału
Kryterium alarmu pożarowego
Y=1 dla Ud > Uo
Rys. 1. Schemat blokowy czujki dwustanowej.
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 80m2.
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 E1 i E2 (rys. 2.), między którymi
znajduje się powietrze. Cząsteczki powietrza ulegają jonizacji wskutek oddziaływania cząstek
alfa emitowanych przez źródło promieniowania Ra (np. Am241). Po przyłożeniu napięcia
stałego do elektrod komory cząsteczki powietrza, posiadające ładunek elektryczny (jony
3
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 Ij.
Wartość tego prądu zależy od:
 aktywności źródła promieniotwórczego (liczby przemian jądrowych zachodzących
w źródle promieniotwórczym w jednostce czasu) A,
A = - dN/dt = A0 e-0,693t/T [Bq]
A0 – 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 241 – 432,7 lat)
 zasięgu emitowanych przez źródło cząstek,
 geometrii komory jonizacyjnej
 napięcia przyłożonego do elektrod komory Uk.
Przy niskich wartościach napięcia Uk 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 Uk możliwość rekombinacji jest coraz
mniejsza, a prąd jonizacji Ij rośnie.
Ij
G
E1
+
+
α
Uk
B
Ra
̶−
̶−
E2
Rys. 2. Schemat ideowy działania komory jonizacyjnej
Ra – źródło promieniotwórcze emitujące promieniowania α, E1, E2 – elektrody
komory jonizacyjnej , Ij – prąd jonizacji, Uk – napięcie komory, B – źródło
napięcia stałego, G – galwanometr, α – promieniowanie wytwarzane przez
źródło.
Przy określonej wartości napięcia Un (odpowiadającej wartości In prądu Ij) prawie wszystkie
jony docierają do elektrod, w związku z czym dalszy wzrost napięcia Uk powoduje bardzo
niewielkie wzrosty prądu jonizacji (zakres nasycenia).
Ij
In
I
II
Un
Uk
4
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 (In – prąd nasycenia komory) przedstawiono na rys. 4.
Ij
In
nie zadymiona
zadymiona
Uk
5
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
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 Ep1 nie dociera w pełni
do odbiornika (Ep2). Stopień pochłaniania zależy od własności dymu (np. barwa, wielkość
cząstek, masa itp.).
a)
Ep1
Ep2
N
O
A
D
D
B
b)
Ep1
Układ alarmowania czujki
z układem wyjściowym
Ep2
N
O
A
D
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)
Ep – 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
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
płomień
tlenie
Rys. 8. Zależność sygnału użytecznego z czujki od fazy rozwoju pożaru.
 Średnicy cząstek dymu
Relatywna czułość
Promieniowanie
rozproszone
100
Absorpcja
promieniowania
10
Zmiana prądu
jonizacji
Średnica [μm]
1
0,05
0,1
Pożar płomieniowy
0,2
0,5
1,0
2,0
Pożar bezpłomieniowy
8
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.
(1)
Gdzie: I –prąd komory jonizacyjnej w powietrzu z aerozolem
I0 – 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.
(2)
Gdzie: d – długość drogi optycznej pomiarowej w aerozolu [m]
P0 – 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
9
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
Wlot powietrza
Detektor
Rury
Rozgałęzienie
D
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
Pochłaniacz
promieniowania
świetlnego
L
a
s
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
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 20-100μm.
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 5-100 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
α2
α3
α4
α1
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
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
2
m , 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)
R1
b)
R2
U1
U2
Rt
R3
Komparator
R1
+
−
C
Uwy
Rt
R3
R2
U2
U1
R5
R4
Komparator
+
−
Uwy
Rys. 13. Zasada pracy wybranych układów czujek ciepła
a) układ nadmiarowy, b) układ różniczkowy
Napięciem odniesienia jest napięcie U2 (z dzielnika napięcia w pierwszym przypadku
R2R3, w drugim R3R4), które jest porównywane z napięciem U1, zależnym od zmian
rezystancji termistora Rt. Na wyjściu komparatora uzyskujemy stan alarmu, gdy U2>U1 (T↑,
Rt↓, U1↓ przy U2 = const. => Uwyj↑).
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
 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.
Temperatura [ºC]
100
30
20
10ºC/min
5ºC/min
3ºC/min
90
80
70
60
D
50
C
1ºC/min
B
40
1
30
3
2
A
20
10
Czas [min]

10
20
30
40
50
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
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
Wzmacniacz
Detektor pasmowy
3-20 Hz
Generator
Licznik
Układ transmisji
alarmu
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

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
C2
Zasilacz
C1
R
Generator
L
i
c
z
n
n
k
Układ
transmisji
alarmu
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
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.
4.2. 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.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
5. Sprawozdanie
Wstęp. Cel i zakres ćwiczenia
Opis stanowiska pomiarowego
Opis i podstawowe dane techniczne badanych czujek (przydatność do wykrawania
pożarów testowych TF, materiały producentów)
Charakterystyka pożarów testowych TF (wg PN-EN 54-7)
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)
Podsumowanie i wnioski (przykłady grup pożarów, które najszybciej wykrywają
poszczególne rodzaje czujek: uniwersalne, optyczne rozproszeniowe, jonizacyjne,
zasysające)
Zadania
 zaproponuj i uzasadnij dobór czujek do zabezpieczenia:
16

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 1996.
[2] Systemy sygnalizacji pożarowej, Ogólnopolskie warsztaty ZACISZE 1996- 1998,
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, 1982.
Cz. 2.Budowa urządzeń i instalacji sygnalizacji pożarowej, R. Płaczkowski, temat
153, wyd. BISTYP, 1982.
Cz. 3.Wymagania i badania urządzeń sygnalizacji pożarowej, R. Płaczkowski, W.
Sokolik, temat 154, wyd. BISTYP, 1982.
[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
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
przydatności w warunkach pożarów testowych.
Normy zakładowe dot. czujek ZUD POLON-ALFA, Bydgoszcz.
Systemy Sygnalizacji Pożarowej, Materiały szkoleniowe, tom 1,2, POLON-ALFA,
Bydgoszcz, 1997.
Materiały do projektowania i odbioru elektrycznej sieci sygnalizacji alarmowopożarowej. OBROP Józefów, BIT, nr 2 i 3, 1981.
Tar D., Zwei neue Flammenmelder, Hew. Phys. Acta, tom 56, s. 961÷965, 1983.
Podręcznik projektanta systemów sygnalizacji pożarowej, Część I, CNBOP, SiTP,
Józefów k/Otwocka 2005.
18