در اولین بخش از این مقاله دو قسمتی به معیارهای انتخاب دتکتورهای شعله بر مبنای تکنولوژیهای تشخیص مورد استفاده و کاربریهای مختلف، پرداخته‌ایم. برای دهه‌ها دتکتورهای شعله حساس به انرژی تابشی به عنوان دتکتورهای اپتیکال برای حفاظت تاسیسات صنعتی در برابر حریق مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
از خصوصیات آتش انتشار تشعشعات الکترومغناطیسی مادون‌قرمز(IR)، نورهای مرئی (VIS) و طول‌موجهای فرابنفش(UV) بسته به نوع منبع سوخت است. دتکتورهای شعله از سنسورهایی استفاده میکنند که منطبق بر باندهای طیفی حریق باشند به طوری که انرژی نوری ساتع شده را برای تشخیص واقعی بودن حریق آنالیز می‌نمایند.
طراحان دتکتورهای شعله مدتهاست که دریافته‌اند که یک دتکتور شعله با عملکرد مطلوب باید بتواند یک شعله واقعی را از یک تشخیص کاذب تمیز دهد.
امروزه این امر که چیزی به عنوان دتکتور شعله‌ی کامل وجود ندارد، امری پذیرفته شده است. همه‌ی این دتکتورهای شعله دارای نقاط قوت و ضعفی هستند و تکنولوژیهای تشخیص شعله‌ی متنوعی برای تطبیق دتکتور شعله با محیط و نوع شعله مورد نیاز است. دتکتورهای شعله‌ی اپتیکال می‌توانند آتش را از مسافتهای دور بدون اینکه دود یا حرارت آن به دتکتور برسد ، تشخیص دهند. این دتکتورها حتی می‌توانند پاسخ سریعی به وقوع حریق در فواصل طولانی نشان دهند. برای مثال، یک شعله به ابعاد 0/1 متر مربع از یک حریق n-heptane از فاصله‌ی 80 متری در تنها 7 ثانیه قابل تشخیص است. این توانایی، دتکتورهای شعله‌ی اپتیکال را برای کاربردهای فضای باز بسیار مناسب و موثر نموده است.
انواع رایج دتکتورهای شعله‌ی اپتیکال
معروفترین دتکتورهای شعله‌ی امروزی عبارتند از :
- UV-IR : ترکیبی از تکنولوژیهای تشخیص UV و IR
- IR3 : که از سه باند IR برای تشخیص حریق استفاده می‌کند.
تکنولوژی تشخیص شعله ی UV :
این روش از اوایل دهه‌ی 70 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. اکثر دتکتورهای شعله‌ی UV از یک سنسور استفاده میکنند که تشعشعات ساتع شده در محدوده‌ی 180 تا 250 نانومتر را تشخیص می‌دهند. دتکتورهای شعله‌ی UV به لطف مکانیزم تشخیص خود می‌توانند به حریق واکنش نشان دهند. این مکانیزم وابسته به تعداد فوتونهای دریافت شده توسط دتکتور در هر ثانیه است. به محض رسیدن این تعداد به میزان آستانه‌ی تعریف شده، سیگنال آلارم ارسال می‌شود. بطور تقریبی تشعشعات تمام آتشها در این باند ساتع می‌شود. محدوده‌ای که در آن تشعشع خورشید توسط اتمسفر زمین جذب می‌شود. به همین دلیل است که این دتکتور در برابر نور خورشید ایمن بوده و اصطلاحا solar blind است.
دتکتورهای UV به اکثر آتشها حساس هستند. آتشهای هیدروکربنی (مایعات، گازها یا جامدات )، فلزی( منیزیم)، سولفور،هیدروژن ، هیدرازین و آمونیاک.
امروزه دتکتورهای شعله‌ی UV به طور مثال در محفظه‌ی بسته آکوستیک توربینهای گازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالیکه دتکتورهای UV دتکتورهای چند منظوره‌ی مناسبی هستند، اما مواردی از آلارمهای کاذب را نیز در مواجهه با تشعشعات جوشکاری ، رعد و برق، اشعه x ، جرقه و قوس الکتریکی از خود بروز می‌دهند. همچنین این مورد نیز باید مورد توجه قرار گیرد که برخی از گازها و بخارات موجب اختلال در امر تشخیص شعله می‌شوند. به عنوان مثال تولوئن و آلودگی نوری آن ، بخارات روغن، گردوغبار و خاک و ماسه می‌توانند دید دتکتور را مختل نمایند.
شکل 1: UV flame detection
دتکتورهای شعله‌ی تک‌فرکانس IR
دتکتور شعله‌ی IR یا SFIR به طور مشخص یک باند باریک تابشی در حدود 4/5 میکرون را رصد می‌کند که یک باند تابشی غالب برای حریقهای هیدروکربنی است. این باند به طور مشخص به این دلیل که در برابر فرکانسهای تابشی خورشید در امان است، بسیار برای کارایی دتکتورهای شعله‌ی IR مناسب است. دتکتورهای شعله‌ی SFIR از یک سنسور پایروالکتریک و یک فیلتر میان‌گذر فرکانس‌پایین استفاده میکنند که این امر پاسخ آنها به فرکانسهایی که مشخصه‌ی آتش آنها Flicker هست را محدود می‌نماید.
دتکتورهای شعله‌ی IR تک‌فرکانس ، نسبت به آلاینده‌های نوری بسیار مصون هستند. با این حال این دتکتورها برای حریقهای غیر هدروکربنی مناسب نیستند و در برابر منابع IR ماژوله شده آلارم کاذب از خود بروز می‌دهند. همچنین باران و یخ بر روی لنز دتکتور تشخیص آن را دچار اختلال می‌کند. مانند دتکتورهای UV استفاده از دتکتورهای IR تک فرکانس در صنایع امروزی بسیار نادر است که این امر ناشی از وجود دتکتورهای پیشرفته ی UV-IR و IR3 می‌باشد.
تکنولوژی تشخیص شعله‌ی UV-IR :
این تکنولوژی همانطور که از نامش مشخص است از دو سنسور UV و IR و یک فیلتر منطبق با نوع حریق تشکیل شده است.
مشخصه‌های پاسخ این این دتکتور از طریق طول موج IR انتخاب شده تعیین می‌شود. عموما این طول موج برای حریقهای غیر هیدروکربنی 2/7 میکرون و برای حریقهای هیدروکربنی 4/5 میکرون است. دتکتورهای شعله‌ی UV-IR در برابر آلارمهای کاذب بسیار مقاوم هستند. با این حال همچنان مواردی هستند که می‌توانند پاسخ این دتکتورها را با اختلال مواجه کنند.
شکل 2. Single frequency IR flame detection.
فناوری تشخیص شعله‌ی IR3
در اواخر دهه‌ی 90 میلادی با پیشرفتهایی که در سرعت ریز‌پردازنده‌ها حاصل گردید، آنالیزهای بسیار پیچیده‌تری بر روی باندهای طیفی با سرعت بیشتری امکان‌پذیر گردید. یک دتکتور IR سه‌گانه دارای سه سنسور IR است که هرکدام به طول موجهای متفاوت IR حساس هستند. تشعشع IR ساتع شده از یک حریق هیدروکربنی شدیدتر از طول موج پشتیبانی شده توسط یک سنسور IR نسبت به دو سنسور دیگر است که باندهای مجاور را پایش میکنند. در مورد دیگر منابع تشعشع (نظیر تجهیزات گرمایشی، لامپها و نور خورشید) اینطور نیست.
مدارات الکترونیک درون دتکتور، داده‌های دریافت شده را به اطلاعات قابل بررسی ترجمه میکنند. داده‌هایی نظیر:
- آنالیز flicker شعله
- مقایسه سیگنالهای انرژی آستانه
- نسبتهای ریاضی و همبستگی بین سیگنالهای مختلف
دتکتورهای IR تقریبا در برابر آلارمهای کاذب ایمن هستند و توانایی قابل‌توجهی در تشخیص حریق در فواصل طولانی دارند. با این حال با توجه به فواصل تشخیص و زمان پاسخ ، تفاوتهای عملکردی گسترده‌ای از برندی به برند دیگر وجود دارد.هیچ دتکتور شعله‌ی IR3 از دو برند مختلف شبیه به هم نیستند. یک مهندس طراح F&G می‌بایست عملکرد و خصوصیات دتکتور را برای کاربرد مد نظر خود بدقت بررسی نماید. خصوصا در مورد فاصله‌ی تشخیص، نوع حریق و سرعت پاسخ آن.
زمانی که دتکتورهای شعله‌ی IR3 تازه وارد بازار شده بودند، تنها توانایی تشخیص شعله‌های هیدروکربنی بر اساس باند موج انتخاب شده برای کانال تشخیص حریق اصلی را داشتند. در سالهای اخیر پیشرفتهایی در انتخاب فیلتر حاصل شد و یونیتهایی با توانایی تشخیص نیز هم اکنون قابل عرضه می‌باشند. این یونیتها از محدوده‌ی 2/7 میکرون برای کانال تشخیص حریق غیر‌کربنی و دو طول موج مجاور جهت جلوگیری از آلارم کاذب استفاده میکنند.
در مقایسه با دتکتورهای UV-IR، دتکتورهای IR3 کمی گرانتر هستند اما سطح پوشش بیشتری را ارائه می‌دهندکه نیاز به تعداد کمتری را از آنها برای یک فضای مشخص ایجاد می‌کند. لذا هزینه‌های نصب و راه اندازی نیز کاهش می‌یابد.
شکل 3. Triple IR flame detection (HC fire) with adjacent guard bands.
آشنایی با کاربردهای دتکتور شعله
پیش از انتخاب نوع دتکتور، درک صحیح طراح از کاربرد تجهیز و مکان مورد حفاظت بسیار مهم است. مواردی که در انتخاب یک دتکتور لازم است مد نظر قرار گیرند عبارتند از:
- کلاس‌بندی محیط تحت حفاظت: آیا تجهیزات قرار است در محیط‌های خطرناک نصب گردند؟ اگر اینطور است چه تاییدیه‌هایی در این خصوص نیاز است؟
- ریسک حریق: چه مواد قابل احتراقی در محیط وجود دارد؟ پتانسیل گسترش حریق به چه میزان است؟ حریق به چه ابعادی باید تشخیص داده شود؟
- منابع هشدار ناخواسته: آیا مواردی هست که موجب ایجاد آلارم کاذب شود؟ واضح‌ترین منبع ناخواسته برای همه دتکتورهای شعله ، Flare ها هستند.
با این حال باید توجه داشت که تکنولوژیهای تشخیص متفاوت می‌توانند تحت تاثیر محرکهای مختلفی قرار گیرند.
- شرایط عملکردی: به عنوان یک تجهیز ایمنی اولیه، ضروری است که زمان کارکرد آشکارساز شعله به حداکثر برسد. لذا توجه به حداکثر و حداقل دمای عملیاتی تجهیز بسیار مهم است.
اینکه چه شرایط محیطی‌ای در فضای تحت حفاظت حاکم است؟ باران، برف، طوفان شن و موارد دیگری از این دست.
- نگهداری و تست عملکرد: دتکتورهای شعله نیازمند تستهای روتین و نیز عملیات نگهداری دوره‌ای در فضاهای با سطح بالایی از آلودگی هستند. در صورت امکان دسترسی بدون نیاز به احداث داربست باید فراهم گردد. البته که همیشه امکان‌پذیر نیست.
در بخش دوم این مقاله به بررسی بیشتر ملاحظات نصب و کاربرد این دتکتورها با جزئیات بیشتر خواهیم پرداخت.
نتیجه گیری:
این مقاله برحی معیارهای انتخاب دتکتورهای شعله را بر اساس تکنولوژیهای بکار رفته در آنها و نیز کاربردهای آنها را ارائه نمود. امروزه اکثر دتکتورهای شعله‌ی موجود در بازار از نوع UV-IR یا IR3 هستند. تجهیزاتی که از این تکنولوژیها استفاده میکنند، می‌توانند طیف گسترده‌ای از حریقها را شناسایی نمایند. این دتکتورها در برابر آلارمهای کاذب تا حد زیادی ایمن هستند، اما تفاوتهای قابل توجهی در عملکرد ،بسته به برند آنها وجود دارد. خصوصا در مورد دتکتورهای شعله‌ی IR3.
در بخش دوم در خصوص کاربردها و ملاحظات طراحی برای سیستمهای کشف شعله بیشتر متمرکز خواهیم شد.