Детектор пламени — это датчик , предназначенный для обнаружения и реагирования на наличие пламени или огня , что позволяет обнаружить пламя . Реакция на обнаруженное пламя зависит от установки и может включать в себя подачу звукового сигнала, отключение топливопровода (например, трубопровода для пропана или природного газа ) и активацию системы пожаротушения. При использовании в таких приложениях, как промышленные печи, их роль заключается в обеспечении подтверждения того, что печь работает правильно; его можно использовать для отключения системы зажигания, хотя во многих случаях они не предпринимают никаких прямых действий, кроме уведомления оператора или системы управления. Детектор пламени часто может реагировать быстрее и точнее, чем детектор дыма или тепла, благодаря механизмам, которые он использует для обнаружения пламени. [1] [2]
Ультрафиолетовые (УФ) детекторы работают, обнаруживая УФ-излучение, испускаемое в момент возгорания. Несмотря на способность обнаруживать пожары и взрывы в течение 3–4 миллисекунд, часто включается временная задержка в 2–3 секунды, чтобы минимизировать ложные тревоги, которые могут быть вызваны другими источниками ультрафиолетового излучения, такими как молния , дуговая сварка , радиация и солнечный свет . УФ-детекторы обычно работают с длинами волн короче 300 нм , чтобы минимизировать воздействие естественного фонового излучения . Солнечно-слепой УФ-диапазон длин волн также легко ослепляется маслянистыми загрязнениями.
Матричные детекторы пламени ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (от 0,7 до 1,1 мкм), также известные как визуальные детекторы пламени, используют технологию распознавания пламени для подтверждения пожара путем анализа излучения ближнего ИК-диапазона с помощью устройства с зарядовой связью (ПЗС). Датчик ближнего инфракрасного диапазона (ИК) особенно способен отслеживать явления пламени без особых помех со стороны воды и водяного пара. Пироэлектрические датчики, работающие на этой длине волны, могут быть относительно дешевыми. Многоканальные или пиксельные датчики, отслеживающие пламя в ближнем ИК-диапазоне, возможно, являются наиболее надежными технологиями, доступными для обнаружения пожаров. Световое излучение огня формирует образ пламени в конкретный момент. Цифровую обработку изображений можно использовать для распознавания пламени путем анализа видео, созданного на основе изображений в ближнем ИК-диапазоне.
Инфракрасные (ИК) или широкополосные инфракрасные (1,1 мкм и выше) детекторы пламени контролируют инфракрасный спектральный диапазон на предмет определенных узоров, излучаемых горячими газами. Они обнаруживаются с помощью специализированной противопожарной тепловизионной камеры (TIC), разновидности термографической камеры . Ложные тревоги могут быть вызваны другими горячими поверхностями и фоновым тепловым излучением в этом районе. Вода на линзе детектора значительно снижает точность детектора, равно как и воздействие прямых солнечных лучей. Специальный диапазон частот составляет от 4,3 до 4,4 мкм. Это резонансная частота CO 2 . При сжигании углеводородов (например, древесины или ископаемого топлива, такого как нефть и природный газ) выделяется много тепла и CO 2 . Горячий CO 2 излучает много энергии на резонансной частоте 4,3 мкм. Это вызывает пик общего излучения и может быть хорошо обнаружен. Более того, «холодный» CO 2 в воздухе фильтрует солнечный свет и другое ИК-излучение. Это делает датчик на этой частоте «солнечным слепым»; однако чувствительность снижается под воздействием солнечного света. Наблюдая за частотой мерцания при пожаре (от 1 до 20 Гц), извещатель становится менее чувствительным к ложным срабатываниям, вызванным тепловым излучением, например, вызванным горячим оборудованием.
Серьезным недостатком является то, что почти все излучение может быть поглощено водой или водяным паром ; это особенно актуально для инфракрасного обнаружения пламени в диапазоне от 4,3 до 4,4 мкм. От ок. 3,5 мкм и выше поглощение водой или льдом практически 100%. Это делает инфракрасные датчики для использования на открытом воздухе очень невосприимчивыми к пожарам. Самая большая проблема – это наше невежество; Некоторые инфракрасные детекторы имеют (автоматическую) самопроверку окна детектора, но эта самопроверка отслеживает только наличие воды или льда на окне детектора.
Соляная пленка тоже вредна, поскольку соль впитывает воду. Однако водяной пар, туман или небольшой дождь также делают датчик практически слепым без ведома пользователя. Причина аналогична тому, что делает пожарный, приближаясь к горячему огню: он защищает себя с помощью экрана из водяного пара от огромного инфракрасного теплового излучения. Присутствие водяного пара, тумана или небольшого дождя также «защитит» монитор, не позволяя ему видеть огонь. Однако видимый свет будет передаваться через экран из водяного пара, что легко увидеть по тому факту, что человек все еще может видеть пламя через экран из водяного пара.
Обычное время срабатывания ИК-детектора составляет 3–5 секунд.
Инфракрасные (ИК) камеры MWIR могут использоваться для обнаружения тепла и с помощью определенных алгоритмов могут обнаруживать горячие точки на месте происшествия, а также пламя для обнаружения и предотвращения пожара и рисков пожара. Эти камеры можно использовать в полной темноте и работать как внутри, так и снаружи.
Эти детекторы чувствительны как к УФ-, так и к ИК-волнам и обнаруживают пламя путем сравнения порогового сигнала обоих диапазонов. Это помогает свести к минимуму ложные тревоги.
Двойные ИК-извещатели пламени (IR/IR) сравнивают пороговый сигнал в двух инфракрасных диапазонах. Часто один датчик смотрит на углекислый газ (CO 2 ) размером 4,4 микрометра, а другой датчик смотрит на эталонную частоту. Измерение выбросов CO 2 подходит для углеводородного топлива; для топлива, не содержащего углерода, например, водорода, обнаруживаются широкополосные полосы воды.
Мультиинфракрасные детекторы используют алгоритмы для подавления воздействия фонового излучения (излучения черного тела), чувствительность опять же снижается из-за этого излучения.
Детекторы пламени с тройным ИК-излучением сравнивают три конкретных диапазона длин волн в ИК-диапазоне спектра и их соотношение друг с другом. В этом случае один датчик смотрит на диапазон 4,4 микрометра, а другие датчики смотрят на эталонные длины волн как выше, так и ниже 4,4. Это позволяет извещателю различать непламенные ИК-источники и настоящее пламя, выделяющее горячий CO 2 в процессе горения. В результате может быть значительно увеличена как дальность обнаружения, так и устойчивость к ложным срабатываниям. Детекторы IR3 могут обнаружить возгорание бензинового поддона площадью 0,1 м 2 (1 фут 2 ) на расстоянии до 65 м (215 футов) менее чем за 5 секунд. Тройные ИК-детекторы, как и другие типы ИК-детекторов, подвержены ослеплению слоем воды на окне детектора.
Большинство ИК-детекторов спроектированы таким образом, чтобы игнорировать постоянное фоновое ИК-излучение, которое присутствует во всех средах. Вместо этого они предназначены для обнаружения внезапно меняющихся или увеличивающихся источников радиации. Под воздействием изменяющегося характера непламенного ИК-излучения ИК- и УФ/ИК-извещатели становятся более склонными к ложным срабатываниям, тогда как извещатели IR3 становятся несколько менее чувствительными, но более устойчивыми к ложным срабатываниям.
Мультиинфракрасные детекторы (Multi-IR/3IR) используют алгоритмы для определения наличия огня и отличают его от фонового шума, известного как излучение черного тела , что в целом снижает дальность действия и точность детектора. Излучение черного тела постоянно присутствует во всех средах, но особенно сильно его испускают объекты с высокой температурой. это делает среду с высокими температурами или области, где обрабатываются высокотемпературные материалы, особенно сложными для детекторов, работающих только с ИК-излучением. Таким образом, в детекторы пламени иногда включается один дополнительный датчик диапазона УФ-С, чтобы добавить еще один уровень подтверждения, поскольку излучение черного тела не влияет на УФ-датчики, если только температура не чрезвычайно высока, например, свечение плазмы от аппарата дуговой сварки.
Многоволновые детекторы различаются по конфигурации датчиков. 1 ИК+УФ или УФИР является наиболее распространенным и дешевым. 2 IR + UV представляет собой компромисс между стоимостью и устойчивостью к ложным срабатываниям, а 3 IR + UV сочетает в себе предыдущую технологию 3IR с дополнительным уровнем идентификации от УФ-датчика.
Многоволновые или мультиспектральные детекторы, такие как 3IR+UV и UVIR, являются улучшением по сравнению с их аналогами только ИК-детекторов, которые, как известно, либо дают ложную тревогу, либо теряют чувствительность и дальность действия в присутствии сильного фонового шума, такого как прямой или отраженный. источники света или даже воздействие солнца. ИК-детекторы часто полагаются на рост объемной энергии инфракрасного излучения в качестве основного определяющего фактора для обнаружения пожара, объявляя тревогу, когда датчики превышают заданный диапазон и соотношение. Однако этот подход может срабатывать из-за шума, не связанного с пожаром. будь то излучение черного тела, высокая температура окружающей среды или просто изменения окружающего освещения. В качестве альтернативы в другом подходе к проектированию только ИК-извещатели могут подавать сигнал тревоги только при идеальных условиях и четком совпадении сигналов, что приводит к пропуску огня при слишком сильном шуме, например, при взгляде на закат.
В современных детекторах пламени также могут использоваться высокоскоростные датчики, которые позволяют улавливать мерцающее движение пламени и отслеживать структуру и соотношение выходного спектрального сигнала на предмет моделей, уникальных для огня. Датчики с более высокой скоростью позволяют не только сократить время реакции, но и увеличить объем данных в секунду, повышая уровень уверенности в обнаружении пожара или отклонении ложной тревоги.
Датчик видимого света (например, камера: от 0,4 до 0,7 мкм) способен отображать изображение, понятное человеку. Кроме того, сложный анализ обработки изображений может выполняться компьютерами, которые могут распознавать пламя или даже дым. К сожалению, камеру, как и человека, может ослепить густой дым и туман. Также возможно смешивать информацию видимого света (монитора) с информацией УФ или инфракрасного излучения, чтобы лучше распознавать ложные срабатывания или улучшить дальность обнаружения. [3] Примером такого оборудования является камера коронного разряда . В этом оборудовании информация УФ-камеры смешивается с информацией видимого изображения. Применяется для отслеживания дефектов высоковольтного оборудования и обнаружения пожаров на больших расстояниях.
В некоторых извещателях в конструкцию добавляется датчик видимого излучения (света).
Для визуального обнаружения (длины волн от 0,4 до 0,7 мкм) можно использовать систему видеонаблюдения или веб-камеру . Дым или туман могут ограничить их эффективную дальность действия, поскольку они действуют исключительно в видимом спектре. [3] [4] [5]
Интенсивную ионизацию внутри тела пламени можно измерить с помощью явления выпрямления пламени , при котором переменный ток легче течет в одном направлении при приложении напряжения. Этот ток можно использовать для проверки наличия и качества пламени. Такие детекторы могут использоваться в крупных промышленных нагревателях технологического газа и подключаются к системе контроля пламени. Обычно они действуют как для контроля качества пламени, так и для обнаружения отсутствия пламени. Они также распространены в различных бытовых газовых печах и котлах.
Проблемы с тем, что котлы не продолжают гореть, часто могут быть связаны с загрязнением датчиков пламени или плохой поверхностью горелки, с помощью которой можно замкнуть электрическую цепь. Плохое пламя или пламя, отрывающееся от горелки, также может привести к нарушению непрерывности. [6]
-and-flame-sensor.jpg/1280px-Flame-igniter(top)-and-flame-sensor.jpg)
Термопары широко используются для контроля наличия пламени в системах отопления и газовых плитах. Обычно в этих установках используется прекращение подачи топлива в случае пропадания пламени, чтобы предотвратить накопление несгоревшего топлива. Эти датчики измеряют тепло и поэтому обычно используются для определения отсутствия пламени. Это можно использовать для проверки наличия пилотного пламени .
УФ/ИК-детекторы пламени используются в:
Огонь излучает радиацию, которую человеческий глаз воспринимает как видимое желто-красное пламя и тепло. Фактически, во время пожара излучается относительно мало энергии УФ-излучения и энергии видимого света по сравнению с излучением инфракрасного излучения. Неуглеводородный пожар, например, из водорода , не показывает пика СО 2 на длине волны 4,3 мкм, поскольку при горении водорода не выделяется СО 2 . Пик CO 2 4,3 мкм на снимке преувеличен и в действительности составляет менее 2% от общей энергии пожара. Многочастотный детектор с датчиками УФ-излучения, видимого света, ближнего ИК- и/или широкополосного ИК-излучения, таким образом, имеет гораздо больше «данных датчиков» для вычислений и, следовательно, способен обнаруживать больше типов пожаров и лучше обнаруживать эти типы пожаров. : водород, метанол , эфир или сера . Это выглядит как статичная картинка, но на самом деле энергия колеблется, или мерцает. Это мерцание вызвано тем, что аспирируемый кислород и настоящее горючее горят и одновременно всасывают новый кислород и новый горючий материал. Эти небольшие взрывы вызывают мерцание пламени.
Солнце излучает огромное количество энергии, которая была бы вредна для человека, если бы не пары и газы в атмосфере, такие как вода ( облака ) , озон и другие, через которые фильтруется солнечный свет. На рисунке хорошо видно, что «холодный» CO 2 фильтрует солнечное излучение около 4,3 мкм. Поэтому инфракрасный детектор, использующий эту частоту, является слепым к солнечному свету. Не все производители датчиков пламени используют резкие фильтры для излучения с длиной волны 4,3 мкм и, таким образом, по-прежнему улавливают достаточное количество солнечного света. Эти дешевые детекторы пламени вряд ли можно использовать для наружного применения. От 0,7 мкм до прибл. 3 мкм наблюдается относительно большое поглощение солнечного света. Следовательно, этот диапазон частот используется для обнаружения пламени некоторыми производителями детекторов пламени (в сочетании с другими датчиками, такими как ультрафиолетовый, видимый свет или ближний инфракрасный диапазон). Большим экономическим преимуществом является то, что окна детектора могут быть изготовлены из кварца вместо дорогого сапфира . Эти комбинации электрооптических датчиков также позволяют обнаруживать неуглеводородные вещества, такие как водородные пожары, без риска ложных срабатываний, вызванных искусственным освещением или электросваркой.
Инфракрасные детекторы пламени страдают от инфракрасного теплового излучения, которое не исходит от возможного пожара. Можно сказать, что пожар можно замаскировать другими источниками тепла. Все объекты, температура которых превышает абсолютный минимум температуры (0 Кельвинов или -273,15 °C), излучают энергию, и при комнатной температуре (300 К) это тепло уже представляет собой проблему для инфракрасных извещателей пламени с самой высокой чувствительностью. Иногда достаточно движения руки, чтобы вызвать срабатывание ИК-извещателя пламени. При температуре 700 К горячий объект (черное тело) начинает излучать видимый свет (свечение). Двойные или мульти-инфракрасные детекторы подавляют воздействие теплового излучения с помощью датчиков, которые обнаруживают выбросы CO 2 сразу за пиком; например, при 4,1 мкм. Здесь необходимо, чтобы между применяемыми датчиками была большая разница в выходных сигналах (например датчик S1 и S2 на картинке). Недостатком является то, что энергия излучения возможного пожара должна быть намного больше, чем существующее фоновое тепловое излучение. Другими словами, детектор пламени становится менее чувствительным. Этот эффект негативно влияет на любой мультиинфракрасный детектор пламени, независимо от его стоимости.
Конус обзора извещателя пламени определяется формой и размером окна и корпуса, а также расположением датчика в корпусе. Для инфракрасных датчиков также играет роль ламинирование материала датчика; он ограничивает конус обзора детектора пламени. Широкий угол обзора не означает автоматически, что датчик пламени лучше. В некоторых случаях детектор пламени необходимо точно отрегулировать, чтобы он не обнаруживал потенциальные источники фонового излучения. Конус обзора детектора пламени трехмерный и не обязательно идеально круглый. Горизонтальный угол зрения и вертикальный угол зрения часто различаются; в основном это вызвано формой корпуса и зеркальным отражением деталей (предназначено для самопроверки). Различные горючие материалы могут даже иметь разный угол обзора в одном и том же детекторе пламени. Очень важна чувствительность под углами 45°. Здесь должно быть достигнуто не менее 50% максимальной чувствительности по центральной оси. Некоторые детекторы пламени здесь достигают 70% и более. Фактически эти извещатели пламени имеют общий горизонтальный угол обзора более 90°, но большинство производителей об этом не упоминают. Высокая чувствительность по краям угла зрения обеспечивает преимущества при проецировании датчика пламени.
Радиус действия детектора пламени во многом определяется местом установки. На самом деле, делая проекцию, следует представлять, во что «видит» датчик пламени. Эмпирическое правило заключается в том, что высота установки датчика пламени в два раза превышает высоту самого высокого объекта в поле зрения. Также необходимо учитывать доступность датчика пламени для проведения технического обслуживания и/или ремонта. По этой причине рекомендуется использовать жесткую световую мачту с точкой поворота. «Крыша» над датчиком пламени (30 x 30 см, 1 x 1 фут) предотвращает быстрое загрязнение при использовании на открытом воздухе. Также необходимо учитывать эффект тени. Эффект тени можно минимизировать, установив второй детектор пламени напротив первого детектора. Вторым преимуществом этого подхода является то, что второй датчик пламени является резервным на случай, если первый не работает или засвечен. В общем, при установке нескольких датчиков пламени следует позволить им «смотреть» друг на друга, а не на стены. Следуя этой процедуре, можно избежать слепых зон (вызванных эффектом тени) и добиться большей избыточности, чем если бы извещатели пламени «смотрели» из центрального положения в защищаемую зону. Диапазон детекторов пламени до 30 x 30 см, 1 x 1 фут, стандартный для отрасли, указан в технических характеристиках и руководствах производителей. На этот диапазон могут влиять ранее заявленные десенсибилизирующие эффекты солнечного света, воды, тумана, пар и излучение черного тела .
Если расстояние между пламенем и датчиком пламени велико по сравнению с размером огня, то применяется квадратичный закон: если датчик пламени может обнаружить огонь площадью A на определенном расстоянии, то площадь пламени будет в 4 раза большей. необходимо, если расстояние между датчиком пламени и огнем увеличено вдвое. Суммируя:
Двойное расстояние = в четыре раза большая площадь пламени ( пожара ).
Этот закон одинаково действителен для всех оптических извещателей пламени, в том числе видео-. Максимальную чувствительность можно оценить, разделив максимальную площадь пламени A на квадрат расстояния между огнем и датчиком пламени: c = A / d 2 . С помощью этой константы c можно для одного и того же датчика пламени и одного и того же типа пожара рассчитать максимальное расстояние или минимальную площадь пожара: A = cd 2 и d = √А/с
Однако следует подчеркнуть, что квадратный корень в действительности уже недействителен на очень больших расстояниях. На больших дистанциях значительную роль играют другие параметры; как появление водяного пара и холодного CO 2 в воздухе. С другой стороны, в случае очень маленького пламени уменьшающееся мерцание пламени будет играть возрастающую роль.
Более точное соотношение (действительное, когда расстояние между пламенем и детектором пламени мало) между плотностью излучения E на детекторе и расстоянием D между детектором и пламенем с эффективным радиусом R , плотностью излучаемой энергии. , M , определяется выражением
Е =2π МР 2/( Р 2 + Д 2 )
Когда R << D , соотношение сводится к закону (обратных) квадратов.
Е =2π МР 2/Д 2
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)