Detektor płomienia - Flame detector

Płomieniowa jest czujnik przeznaczony do wykrywania i reagowania na obecności płomienia lub pożaru , umożliwiając wykrywanie płomienia . Reakcje na wykryty płomień zależą od instalacji, ale mogą obejmować uruchomienie alarmu, wyłączenie przewodu paliwowego (takiego jak propan lub przewód gazu ziemnego ) oraz uruchomienie systemu gaśniczego. W zastosowaniach takich jak piece przemysłowe ich rolą jest zapewnienie potwierdzenia, że ​​piec działa prawidłowo; może być używany do wyłączania układu zapłonowego, chociaż w wielu przypadkach nie podejmują one żadnych bezpośrednich działań poza powiadomieniem operatora lub systemu sterowania. Czujka płomienia często reaguje szybciej i dokładniej niż czujka dymu lub ciepła ze względu na mechanizmy, których używa do wykrywania płomienia.

Optyczne detektory płomieni

Detektor ultrafioletowy

Detektory ultrafioletowe (UV) działają na zasadzie wykrywania promieniowania UV emitowanego w momencie zapłonu. Chociaż jest w stanie wykryć pożary i wybuchy w ciągu 3-4 milisekund, często stosuje się opóźnienie czasowe 2-3 sekundy, aby zminimalizować fałszywe alarmy, które mogą być wyzwalane przez inne źródła promieniowania UV, takie jak piorun , spawanie łukowe , promieniowanie i światło słoneczne . Detektory UV zwykle działają z długościami fal krótszymi niż 300  nm, aby zminimalizować wpływ naturalnego promieniowania tła . Zaślepione promieniowaniem słonecznym pasmo długości fal UV jest również łatwo oślepione przez oleiste zanieczyszczenia.

W pobliżu tablicy IR

Detektory płomienia w bliskiej podczerwieni (IR) (0,7 do 1,1 μm), znane również jako wizualne detektory płomienia, wykorzystują technologię rozpoznawania płomienia w celu potwierdzenia pożaru poprzez analizę promieniowania bliskiej podczerwieni za pomocą urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym (CCD). Czujnik bliskiej podczerwieni (IR) jest szczególnie zdolny do monitorowania zjawisk płomienia, bez zbytniego utrudnienia przez wodę i parę wodną. Czujniki piroelektryczne działające na tej długości fali mogą być stosunkowo tanie. Wielokanałowe lub pikselowe czujniki monitorujące płomienie w paśmie bliskiej podczerwieni są prawdopodobnie najbardziej niezawodnymi dostępnymi technologiami wykrywania pożarów. Emisja światła z ognia tworzy obraz płomienia w określonej chwili. Cyfrowe przetwarzanie obrazu może być wykorzystywane do rozpoznawania płomieni poprzez analizę wideo utworzonego z obrazów w bliskiej podczerwieni.

Podczerwień

Podczerwone (IR) lub szerokopasmowe detektory płomienia na podczerwień (1,1 μm i więcej) monitorują pasmo widmowe podczerwieni pod kątem określonych wzorów wydzielanych przez gorące gazy. Są one wykrywane za pomocą specjalistycznej przeciwpożarowej kamery termowizyjnej (TIC), typu kamery termowizyjnej . Fałszywe alarmy mogą być spowodowane przez inne gorące powierzchnie i promieniowanie cieplne tła w okolicy. Woda na soczewce detektora znacznie zmniejszy dokładność detektora, podobnie jak narażenie na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Specjalny zakres częstotliwości wynosi od 4,3 do 4,4 μm. Jest to częstotliwość rezonansowa CO ₂ . Podczas spalania się węglowodoru (na przykład, drewno lub paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa i gazem ziemnym) ilości ciepła i CO ₂ jest zwolniony. Gorący CO ₂ emituje dużo energii przy częstotliwości rezonansowej 4,3 μm. Powoduje to szczyt całkowitej emisji promieniowania i może być dobrze wykryte. Co więcej, „zimny” CO ₂ w powietrzu dba o filtrowanie światła słonecznego i innego promieniowania podczerwonego. To sprawia, że ​​czujnik na tej częstotliwości jest „ślepą słoneczną”; jednak wrażliwość jest zmniejszona przez światło słoneczne. Obserwując częstotliwość migotania pożaru (1 do 20 Hz) czujka staje się mniej czuła na fałszywe alarmy spowodowane promieniowaniem cieplnym, na przykład spowodowanym przez rozgrzane maszyny.

Poważną wadą jest to, że prawie całe promieniowanie może być pochłaniane przez wodę lub parę wodną ; dotyczy to szczególnie wykrywania płomieni w podczerwieni w zakresie od 4,3 do 4,4 μm. Od ok. godz. 3,5 μm i więcej absorpcja przez wodę lub lód wynosi praktycznie 100%. To sprawia, że ​​czujniki podczerwieni do zastosowań zewnętrznych są bardzo niewrażliwe na pożary. Największym problemem jest nasza ignorancja; niektóre detektory podczerwieni mają (automatyczny) autotest okienka detektora, ale ten autotest monitoruje tylko występowanie wody lub lodu w okienku detektora.

Szkodliwy jest również film solny, ponieważ sól absorbuje wodę. Jednak para wodna, mgła lub lekki deszcz sprawiają, że czujnik jest prawie ślepy, bez wiedzy użytkownika. Przyczyna jest podobna do tego, co robi strażak, gdy zbliża się do gorącego pożaru: chroni się przed ogromnym promieniowaniem cieplnym podczerwonym za pomocą parawanu wodnego. Obecność pary wodnej, mgły lub lekkiego deszczu również „chroni” monitor, powodując, że nie będzie on widział ognia. Światło widzialne będzie jednak przepuszczane przez ekran pary wodnej, co można łatwo zauważyć po tym, że człowiek nadal widzi płomienie przez ekran pary wodnej.

Zwykły czas reakcji detektora IR wynosi 3–5 sekund.

Kamery termowizyjne na podczerwień

Kamery na podczerwień (IR) MWIR mogą być używane do wykrywania ciepła, a dzięki określonym algorytmom mogą wykrywać gorące punkty w scenie, a także płomienie, zarówno w celu wykrywania, jak i zapobiegania pożarom i zagrożeniom pożarowym. Kamery te mogą być używane w całkowitej ciemności i działać zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz.

UV/IR

Detektory te są czułe zarówno na długości fal UV, jak i IR i wykrywają płomień porównując sygnał progowy obu zakresów. Pomaga to zminimalizować fałszywe alarmy.

Wykrywanie płomienia IR/IR

Czujki płomieni Dual IR (IR/IR) porównują sygnał progowy w dwóch zakresach podczerwieni. Często jeden czujnik analizuje dwutlenek węgla 4,4 mikrometra ( CO
2), podczas gdy drugi czujnik sprawdza częstotliwość odniesienia. Wyczuwanie CO
2emisja jest odpowiednia dla paliw węglowodorowych; w przypadku paliw nie opartych na węglu, np. wodoru, wykrywane są szerokopasmowe pasma wody.

Wykrywanie płomienia IR3

Detektory wielu podczerwieni wykorzystują algorytmy do tłumienia skutków promieniowania tła (promieniowania ciała doskonale czarnego), ponownie czułość jest przez to promieniowanie zmniejszona.

Detektory płomieni Triple-IR porównują trzy określone długości fal w obszarze widmowym IR i ich stosunek do siebie. W tym przypadku jeden czujnik sprawdza zakres 4,4 mikrometra, podczas gdy inne czujniki sprawdzają długości fal odniesienia zarówno powyżej, jak i poniżej 4,4. Umożliwia to wykrywaczowi rozróżnienie między niepłomieniowymi źródłami podczerwieni a rzeczywistymi płomieniami, które w procesie spalania emitują gorący CO ₂ . Dzięki temu można znacznie zwiększyć zarówno zasięg wykrywania, jak i odporność na fałszywe alarmy. Detektory IR3 wykrywa 0,1M ² (1 stopa ² ) benzyny miski ogień do 65 m (215 stóp), w czasie krótszym niż 5 sekund. Potrójne IR, podobnie jak inne typy detektorów IR, są podatne na oślepienie przez warstwę wody na okienku detektora.

Większość detektorów podczerwieni jest zaprojektowana tak, aby ignorować stałe promieniowanie podczerwone tła, które jest obecne we wszystkich środowiskach. Zamiast tego są zaprojektowane do wykrywania nagle zmieniających się lub rosnących źródeł promieniowania. Pod wpływem zmieniających się wzorców niepłomieniowego promieniowania IR, detektory IR i UV/IR stają się bardziej podatne na fałszywe alarmy, podczas gdy detektory IR3 stają się nieco mniej czułe, ale są bardziej odporne na fałszywe alarmy.

Wykrywanie płomienia 3IR+UV

Detektory Multi-Infrared (Multi-IR/3IR) wykorzystują algorytmy do określania obecności ognia i odróżniania ich od szumu tła znanego jako „promieniowanie ciała doskonale czarnego”, które generalnie zmniejsza zasięg i dokładność detektora. Promieniowanie ciała doskonale czarnego jest stale obecne we wszystkich środowiskach, ale jest szczególnie silnie wydzielane przez obiekty o wysokiej temperaturze. to sprawia, że ​​środowiska o wysokiej temperaturze lub obszary, w których materiał o wysokiej temperaturze jest obsługiwany, jest szczególnie trudnym wyzwaniem dla detektorów IR. Tak więc jeden dodatkowy czujnik pasmowy UV-C jest czasami dołączany do detektorów płomienia, aby dodać kolejną warstwę potwierdzenia, ponieważ promieniowanie ciała doskonale czarnego nie wpływa na czujniki UV, chyba że temperatura jest wyjątkowo wysoka, taka jak poświata plazmy ze spawarki łukowej.

Detektory o wielu długościach fali różnią się konfiguracją czujnika. 1 IR+UV lub UVIR jest najbardziej powszechnym i najtańszym. 2 IR + UV będący kompromisem między kosztami i odpornością na fałszywe alarmy a 3 IR + UV, który łączy technologię 3IR z dodatkową warstwą identyfikacji z czujnika UV. 

Detektory o wielu długościach fali lub wielospektralne, takie jak 3IR + UV i UVIR, są ulepszeniem w stosunku do swoich odpowiedników wykrywających tylko podczerwień, o których wiadomo, że albo fałszywe alarmy, albo tracą czułość i zasięg w obecności silnego szumu tła, takiego jak bezpośredni lub odbity źródła światła, a nawet ekspozycja na słońce. Czujki IR często opierały się na wzroście energii w podczerwieni jako głównym czynniku determinującym wykrywanie pożaru, ogłaszając alarm, gdy czujniki przekroczą określony zakres i współczynnik. Takie podejście jest jednak podatne na wywoływanie hałasu innego niż pożar. czy to z promieniowania ciała doskonale czarnego, środowiska o wysokiej temperaturze, czy po prostu zmian w oświetleniu otoczenia. alternatywnie, w innym podejściu projektowym, detektory działające wyłącznie na podczerwień mogą alarmować tylko w idealnych warunkach i wyraźnym dopasowaniu sygnału, co skutkuje brakiem ognia, gdy jest zbyt dużo hałasu, na przykład patrzenie w zachód słońca.

Nowoczesne detektory płomienia mogą również wykorzystywać czujniki o wysokiej prędkości, które umożliwiają wychwytywanie migotania ruchu płomienia i monitorowanie wzorca i proporcji wyjścia widmowego pod kątem wzorców charakterystycznych dla ognia. Czujniki o większej prędkości umożliwiają nie tylko szybsze czasy reakcji, ale także większą ilość danych na sekundę, zwiększając poziom pewności identyfikacji pożaru lub odrzucania fałszywych alarmów. 

Widoczne czujniki

Czujnik światła widzialnego (np. kamera: 0,4 do 0,7 μm) jest w stanie przedstawić obraz zrozumiały dla człowieka. Co więcej, złożoną analizę przetwarzania obrazu mogą wykonywać komputery, które potrafią rozpoznać płomień, a nawet dym. Niestety kamera może zostać oślepiona, podobnie jak człowiek, przez gęsty dym i mgłę. Możliwe jest również mieszanie informacji o świetle widzialnym (monitor) z informacjami UV lub podczerwieni w celu lepszego odróżnienia fałszywych alarmów lub poprawienia zasięgu wykrywania. Przykładem tego sprzętu jest kamera koronowa . W tym sprzęcie informacje z kamery UV zmieszane z informacjami o widzialnym obrazie. Służy do śledzenia defektów w sprzęcie wysokiego napięcia i wykrywania pożaru z dużych odległości.

W niektórych detektorach do projektu dodawany jest czujnik promieniowania widzialnego (światła).

Wideo

Do wizualnego wykrywania (długości fali od 0,4 do 0,7 μm) można użyć telewizji przemysłowej lub kamery internetowej . Dym lub mgła mogą ograniczać ich skuteczny zasięg, ponieważ działają one wyłącznie w zakresie widzialnym.

Inne rodzaje

Wykrywanie płomienia prądem jonizacyjnym

Intensywną jonizację w ciele płomienia można zmierzyć za pomocą zjawiska rektyfikacji płomienia, w którym prąd przemienny płynie łatwiej w jednym kierunku po przyłożeniu napięcia. Prąd ten można wykorzystać do weryfikacji obecności i jakości płomienia. Takie detektory mogą być stosowane w dużych przemysłowych nagrzewnicach gazowych procesowych i są podłączone do systemu kontroli płomienia. Zwykle działają zarówno jako monitory jakości płomienia, jak i do wykrywania awarii płomienia. Są również powszechne w różnych domowych piecach gazowych i kotłach.

Problemy z bojlerami, które nie pozostają włączone, mogą często wynikać z brudnych czujników płomienia lub złej powierzchni palnika, za pomocą której należy zamknąć obwód elektryczny. Słaby płomień lub unoszący się z palnika może również przerwać ciągłość.

Wykrywanie płomienia termopary

Termopary są szeroko stosowane do monitorowania obecności płomienia w spalinowych systemach grzewczych i kuchenkach gazowych. Powszechnym zastosowaniem w tych instalacjach jest odcięcie dopływu paliwa w przypadku zaniku płomienia, aby zapobiec gromadzeniu się niespalonego paliwa. Czujniki te mierzą ciepło i dlatego są powszechnie używane do określania braku płomienia. Można to wykorzystać do sprawdzenia obecności płomienia pilotującego .

Aplikacje

Czujki płomienia UV/IR znajdują zastosowanie w:

• Stacje wodorowe .
• Kuchnie gazowe Gas
• Przemysłowe systemy ogrzewania i suszenia
• Domowe systemy grzewcze
• Przemysłowe turbiny gazowe

Emisja promieniowania

Ogień emituje promieniowanie, które ludzkie oko odbiera jako widoczne żółto-czerwone płomienie i ciepło. W rzeczywistości podczas pożaru emitowana jest stosunkowo niewielka ilość energii UV i światła widzialnego w porównaniu z emisją promieniowania podczerwonego. Ogień niż węglowodory, na przykład, jeden z wodorem , nie wykazują CO ₂ piku na 4,3 | jm, ponieważ podczas spalania wodoru ma co ₂ jest zwolniony. Szczyt 4,3 μm CO ₂ na zdjęciu jest przesadny iw rzeczywistości stanowi mniej niż 2% całkowitej energii pożaru. Detektor wieloczęstotliwościowy z czujnikami UV, światła widzialnego, bliskiej podczerwieni i/lub szerokopasmowej podczerwieni, dzięki czemu ma znacznie więcej „danych z czujników” do obliczenia, a zatem jest w stanie wykryć więcej rodzajów pożarów i lepiej wykrywać te typy pożarów : wodór, metanol , eter lub siarka . Wygląda jak statyczny obraz, ale w rzeczywistości energia waha się lub migocze. To migotanie jest spowodowane faktem, że zassany tlen i obecny materiał palny palą się i jednocześnie zasysają nowy tlen i nowy materiał palny. Te małe eksplozje powodują migotanie płomienia.

Światło słoneczne

Słońce emituje ogromne ilości energii, co byłoby szkodliwe dla człowieka, jeśli nie dla par i gazów w atmosferze, jak woda ( chmury ), ozonu i innych, przez którą sączy się światło słoneczne. Na rysunku wyraźnie widać, że „zimny” CO ₂ filtruje promieniowanie słoneczne w okolicach 4,3 μm. Detektor podczerwieni, który wykorzystuje tę częstotliwość, jest zatem ślepy na słońce. Nie wszyscy producenci detektorów płomieni stosują ostre filtry dla promieniowania 4,3 μm, a zatem wciąż wychwytują dość dużo światła słonecznego. Te tanie detektory płomieni nie nadają się do zastosowań zewnętrznych. Od 0,7 μm do ok. 3 μm występuje stosunkowo duża absorpcja światła słonecznego. Stąd ten zakres częstotliwości jest używany do wykrywania płomieni przez kilku producentów detektorów płomieni (w połączeniu z innymi czujnikami, takimi jak ultrafiolet, światło widzialne lub bliska podczerwień). Dużą zaletą ekonomiczną jest to, że okienka czujki mogą być wykonane z kwarcu zamiast drogiego szafiru . Te kombinacje czujników elektrooptycznych umożliwiają również wykrywanie niewęglowodorów, takich jak pożary wodoru, bez ryzyka fałszywych alarmów spowodowanych sztucznym światłem lub spawaniem elektrycznym.

Promieniowanie cieplne

Podczerwone detektory płomieni są narażone na promieniowanie cieplne podczerwone, które nie jest emitowane przez ewentualny pożar. Można powiedzieć, że ogień można zamaskować innymi źródłami ciepła. Wszystkie obiekty, które mają temperaturę wyższą niż bezwzględnie minimalna temperatura (0 kelwinów lub -273,15 °C) emitują energię, aw temperaturze pokojowej (300 K) to ciepło jest już problemem dla detektorów płomieni na podczerwień o najwyższej czułości. Czasami wystarczy ruch ręki, aby uruchomić detektor płomieni na podczerwień. Przy 700 K gorący obiekt (ciało czarne) zaczyna emitować światło widzialne (świecenie). Detektory podwójnej lub wielokrotnej podczerwieni tłumią skutki promieniowania cieplnego za pomocą czujników, które wykrywają tuż poza szczytem CO ₂ ; na przykład przy 4,1 μm. Tutaj konieczne jest, aby między zastosowanymi czujnikami wystąpiła duża różnica w wyjściu (np. czujnik S1 i S2 na rysunku). Wadą jest to, że energia promieniowania ewentualnego pożaru musi być znacznie większa niż obecne promieniowanie cieplne tła. Innymi słowy, czujnik płomienia staje się mniej czuły. Efekt ten ma negatywny wpływ na każdy detektor płomieni w podczerwieni, niezależnie od tego, jaka jest jego cena.

Stożek wizji

Stożek widzenia detektora płomienia wyznaczany jest przez kształt i wielkość okna i obudowy oraz umiejscowienie czujnika w obudowie. W przypadku czujników na podczerwień ważną rolę odgrywa również laminowanie materiału czujnika; ogranicza stożek widzenia detektora płomienia. Szeroki stożek widzenia nie oznacza automatycznie, że czujnik płomienia jest lepszy. W niektórych zastosowaniach detektor płomieni wymaga precyzyjnego ustawienia, aby nie wykrywał potencjalnych źródeł promieniowania tła. Stożek widzenia detektora płomienia jest trójwymiarowy i niekoniecznie jest idealnie okrągły. Poziomy kąt widzenia i pionowy kąt widzenia często się różnią; jest to spowodowane głównie kształtem obudowy i lustrzanymi częściami (przeznaczone do autotestu). Różne materiały palne mogą mieć nawet inny kąt widzenia w tym samym czujniku płomienia. Bardzo ważna jest czułość pod kątem 45°. Tutaj należy osiągnąć co najmniej 50% maksymalnej czułości na osi środkowej. Niektóre detektory płomienia osiągają tutaj 70% lub więcej. W rzeczywistości te detektory płomieni mają całkowity kąt widzenia w poziomie większy niż 90°, ale większość producentów o tym nie wspomina. Wysoka czułość na krawędziach kąta widzenia zapewnia korzyści dla projekcji detektora płomienia.

Zasięg wykrywania

Zasięg czujnika płomienia jest silnie uzależniony od miejsca montażu. W rzeczywistości, robiąc projekcję, należy sobie wyobrazić, w czym „widzi” czujnik płomienia. Zasadą jest, że wysokość montażu czujnika płomienia jest dwukrotnie większa niż najwyższego obiektu w polu widzenia. Należy również wziąć pod uwagę dostępność detektora płomienia, ze względu na konserwację i/lub naprawy. Z tego powodu godny polecenia jest sztywny lekki maszt z punktem obrotu. „Dach” na górze czujnika płomienia (30 x 30 cm, 1 x 1 stopa) zapobiega szybkiemu zanieczyszczeniu w zastosowaniach zewnętrznych. Należy również wziąć pod uwagę efekt cienia. Efekt cienia można zminimalizować, montując drugi czujnik płomienia naprzeciw pierwszego czujnika. Drugą zaletą tego podejścia jest to, że drugi czujnik płomienia jest nadmiarowy na wypadek, gdyby pierwszy nie działa lub jest zaślepiony. Generalnie, montując kilka czujek płomienia, należy pozwolić im „patrzyć” na siebie, a nie na ściany. Postępując zgodnie z tą procedurą można uniknąć martwych punktów (spowodowanych efektem cienia) i uzyskać lepszą redundancję, niż gdyby czujniki płomienia „wyglądały” z pozycji centralnej na obszar, który ma być chroniony. Zakres detektorów płomienia do 30 x 30 cm, 1 x 1-stopa standard przemysłowy ogień jest powiedziane, w ramach arkuszy danych producentów i instrukcje obsługi, zakres ten może być zakłócony przez uprzednio podanych de-uczulające na światło słoneczne, woda, mgła, promieniowanie pary i ciała doskonale czarnego .

Prawo kwadratowe

Jeśli odległość między płomieniem a czujnikiem płomienia jest duża w porównaniu z wymiarem pożaru, wówczas obowiązuje zasada kwadratu: Jeśli czujnik płomienia może wykryć pożar o obszarze A na pewnej odległości, wówczas obszar płomienia jest 4 razy większy. konieczne w przypadku podwojenia odległości między czujnikiem płomienia a ogniem. W skrócie:

Podwójna odległość = czterokrotnie większa powierzchnia płomienia ( pożar ).

Prawo to obowiązuje w równym stopniu dla wszystkich optycznych detektorów płomienia, w tym detektorów wideo. Maksymalną czułość można oszacować dzieląc maksymalny obszar płomienia A przez kwadrat odległości między ogniem a detektorem płomienia: c  = A / d ² . Przy tej stałej c można dla tej samej czujki płomienia i tego samego rodzaju pożaru obliczyć maksymalną odległość lub minimalną powierzchnię pożaru: A = cd ² i d = √ ZA/do

Należy jednak podkreślić, że pierwiastek kwadratowy w rzeczywistości nie obowiązuje już na bardzo dużych odległościach. Na długich dystansach istotną rolę odgrywają inne parametry; jak występowanie pary wodnej i zimnego CO ₂ w powietrzu. Z drugiej strony w przypadku bardzo małego płomienia coraz większą rolę będzie odgrywać malejące migotanie płomienia.

Bardziej dokładna zależność — obowiązuje, gdy odległość między płomieniem a detektorem płomienia jest niewielka — między gęstością promieniowania E przy detektorze a odległością D między detektorem a płomieniem o promieniu efektywnym R , emitującym energię , M , jest podane przez

E =2π MR ²/( R ² + D ² )

Gdy R << D wtedy relacja redukuje się do (odwrotnego) prawa kwadratowego

E =2π MR ²/D ²

Zobacz też

• Płomień
• Aktywna ochrona przeciwpożarowa
• Detektor płomieniowo-jonizacyjny
• Wykrywacz gazu
• System alarmu przeciwpożarowego

Bibliografia