BADANIE CZUŁOŚCI CZUJEK POŻAROWYCH PRZY

BADANIE CZUŁOŚCI CZUJEK POŻAROWYCH PRZY

BADANIE CZUŁOŚCI CZUJEK POŻAROWYCH PRZY ZAŁOŻONYCH
PRĘDKOŚCIACH PRZEPŁYWU POWIETRZA
Autor: Waldemar Wnęk
Opracowanie wersji elektronicznej: Sylwia Boroń, Tomasz Wdowiak
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.
1.
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 Ij mają czynniki zewnętrzne:

Zmiany ciśnienia,

Temperatura otoczenia,

Wilgotność powietrza,

Przepływ powietrza.
2.
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.
Ij
In
nie zadymiona
zadymiona
Uk
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.
Ij
In
I
II
Uk
Un
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa komory jonizacyjnej
I – zakres rekombinacji, II – zakres nasycenia prądowego.
Komory KZ i KW połączone są szeregowo, tworząc układ różnicowy
(rys. 3).
a)
KW
RKW
UKW
UKW
UK
KZ
UKZ
UK
RKZ
UKZ
b)
IjZ
1
bez dymu KZ
2 z dymem KZ
IjW
ΔUKZ
UKZ
UKZ1
UKW
UKZ2
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 UKZ i UKW
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:
UKZ = UKZ2 – UKZ1
(1)
Jednocześnie nastąpi zmniejszenie spadku napięcia UKW na komorze
wewnętrznej tak, że spełnione jest równanie dzielnika napięcia:
UKZ + UKW = UK = 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 (I1 = I2, praca komory w nasyceniu).
Względną zmianę prądu przy stałym napięciu zasilania U K można
określić:
(3)
gdzie:
ΔI=I1 - I2 – bezwzględna zmiana prądu jonizacji komory po
wprowadzeniu cząstek dymu,
UK – napicie zasilania dzielnika napięcia utworzonego z komór
jonizacyjnych,
R1 – rezystancja komory jonizacyjnej bez dymu KZ,
ΔR – przyrost rezystancji komory po wprowadzeniu dymu.
Z zależności (2) po dokonaniu przekształceń otrzymamy:
(4)
gdzie: ΔR/R1 – względny przyrost rezystancji komory.
Z kolei uwzględniając stałość prądu płynącego przez komory mamy:
(5)
Wykorzystując zależność (4) oraz (5) otrzymujemy poszukiwaną
zależność na ΔUKZ:
ΔUKZ = UK (x/1 – x)
(6)
gdzie: UK – napięcie zasilania komory,
ΔUKZ – przyrost napięcia UKZ po wprowadzeniu dymu do KZ,
x – względna zmiana prądu jonizacji komory zewnętrznej,
R1Z – rezystancji KZ bez dymu.
Wielkość ΔUKZ, 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 ΔUKZ,
a więc i czułości w porównaniu z czujkami posiadającymi jedna
komorę jonizacyjną połączoną szeregowo z rezystorem (rys. 4),

przy zmianie napięcia zasilania komór UK, 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 RSZ.
Z wykresu tego wynika, że czułość komory z rezystorem szeregowym
jest znacznie mniejsza od czułości układu różnicowego, gdyż ΔU2<ΔU1.
Ponadto w przypadku komór układzie różnicowym nieznacznie zmienia
się wartość prądu płynącego przez komory przy zmianie napięcia UKZ o ΔU1,
podczas gdy dla układu komory z rezystorem zmiana prądu jest znaczna.
a)
RSZ
URSZ
RSZ
URSZ
UK
UK
KZ
RKZ
UKZ
b)
UKZ
bez dymu KZ
IjZ
1
2
IjW
z dymem KZ
2’
ΔU2
ΔU1
UKW URSZ UKZ1
i = f(RSZ)
UKZ2
UKZ
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.
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 Ij.
Ij
- 10 ºC
+ 30 ºC
Uk
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.
Na rys. 6. przedstawiono wpływ wilgotności powietrza na prąd jonizacji
komory.
Ij
40 %
60 %
95 %
Uk
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).
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,
2.2.

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 UKZ o wartość ΔUKZ 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.
bez dymu KZ
IjZ
1
IjW
z dymem
2
KW
ΔUKZ
UKZ
UKZ1
UKW
UKZ2
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.
Czułość
Vp [m/s]
Rys. 8. Zależność czułości jonizacyjnych czujek dymu w zależności od
prędkości przepływu powietrza Vp.
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),
Vp1
Vp > Vp1
Vp
Rys. 9. Zasada działania osłony przeciwwietrznej.

Wytwarzanie ujemnego przestrzennego ładunku w pobliżu dodatnio
naładowanej elektrody komory jonizacyjnej,
I II
– – – – – – – – – – – –
– – – – – – – – – – – –
– – – – – – – – – – – –
++++++++++++++
– – – – – – – – – – – – UZ
++++++++++++++
– – – – – – – – – – – –
++++++++++++++
– – – – – – – – – – – –
Ulp
Uwk
Rys. 10. Kompensacja przepływu powietrza przy pomocy ujemnego
ładunku przestrzennego [1].
UZ – napięcie zasilania komory, Ulp – napięcie ładunku
przestrzennego, Uwk – 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.
bez ładunku przestrzennego
Ij
z ładunkiem przestrzennym
Próg zadziałania układu
alarmowego czujki
V [m/s]
V2
V1
Rys. 11. Zależność prądu jonizacji od prędkości przepływu powietrza
przez komorę (z i bez ładunku przestrzennego) [1].
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 Vp
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.
3.
Wentylator dachowy
z regulacją prędkości
Drukarka
Komputer
z układami
dopasowującym
Anemometr
Multimetr
6
Pomiar
m., y
1
2 4
5
9
8
3
7
IPS-CR
Komputer
Waga
Drukarka
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.
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.
4.
Opracowanie sprawozdania
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
Cel ćwiczenia.
Schemat stanowiska pomiarowego.
Przebieg badania.
Charakterystyki badanych czujek (na podstawie kart katalogowych).
Charakterystyka parametrów m i D.
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.
Wnioski.
5.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Pytania kontrolne
Omów zasadę działania jonizacyjnych czujek dymu.
Omów, od czego zależy wartość prądu jonizacji w jonizacyjnych czujkach
dymu.
Omów jakie czynniki zewnętrzne (atmosferyczne) mają wpływ na wartość
prądu jonizacji.
Omów metody kompensacji wpływu warunków atmosferycznych na pracę
jonizacyjnych czujek dymu.
Omów działanie jonizacyjnych czujek dymu w układzie detekcyjnym
z rezystorem szeregowym i komorą wewnętrzną.
Omów wpływ przepływu powietrza na pracę jonizacyjnych czujek dymu.
Omów sposoby zwiększania odporności jonizacyjnych czujek dymu na
przepływ powietrza.
6.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
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).
7.