Flamdetektor

En flamdetektor är en sensor utformad för att upptäcka och reagera på närvaron av en låga eller brand , vilket möjliggör lågupptäckt . Reaktioner på en upptäckt låga beror på installationen, men kan inkludera larm, inaktivering av en bränsleledning (som en propan- eller naturgasledning ) och aktivering av ett brandsläckningssystem. När de används i applikationer som industriugnar är deras roll att ge en bekräftelse på att ugnen fungerar korrekt; den kan användas för att stänga av tändsystemet men i många fall vidtar de inga direkta åtgärder utöver att meddela operatören eller kontrollsystemet. En flamdetektor kan ofta reagera snabbare och mer exakt än en rök- eller värmedetektor på grund av de mekanismer den använder för att upptäcka lågan.

Optiska flamdetektorer

Regioner av flamdetektortyp

Ultraviolett detektor

Ultravioletta (UV)-detektorer fungerar genom att detektera UV-strålningen som sänds ut vid antändningsögonblicket. Även om det kan upptäcka bränder och explosioner inom 3–4 millisekunder, ingår ofta en tidsfördröjning på 2–3 sekunder för att minimera falska larm som kan utlösas av andra UV-källor som blixtnedslag , bågsvetsning , strålning och solljus . UV-detektorer arbetar vanligtvis med våglängder kortare än 300 nm för att minimera effekterna av naturlig bakgrundsstrålning . Det solblindade UV-våglängdsbandet är också lätt förblindat av oljiga föroreningar.

Nära IR-array

Nära infraröda (IR) array-flammdetektorer (0,7 till 1,1 μm), även känd som visuella flamdetektorer, använder flamigenkänningsteknik för att bekräfta brand genom att analysera nära IR-strålning med en laddningskopplad enhet (CCD). En nära infraröd (IR) sensor är särskilt kapabel att övervaka flamfenomen, utan alltför mycket hinder från vatten och vattenånga. Pyroelektriska sensorer som arbetar vid denna våglängd kan vara relativt billiga. Flerkanals- eller pixeluppsättningssensorer som övervakar lågor i det nära IR-bandet är utan tvekan den mest tillförlitliga tekniken som finns för att upptäcka bränder. Ljusemission från en brand bildar en bild av lågan vid ett visst ögonblick. Digital bildbehandling kan användas för att känna igen lågor genom analys av videon som skapats från nära IR-bilder.

Infraröd

Infraröda (IR) eller bredbandiga infraröda (1,1 μm och högre) flamdetektorer övervakar det infraröda spektralbandet för specifika mönster som avges av heta gaser. Dessa avkänns med hjälp av en specialiserad värmekamera för brandbekämpning (TIC), en typ av termografisk kamera . Falskt larm kan orsakas av andra heta ytor och termisk bakgrundsstrålning i området. Vatten på detektorns lins kommer avsevärt att minska detektorns noggrannhet, liksom exponering för direkt solljus. Ett speciellt frekvensområde är 4,3 till 4,4 μm. Detta är en resonansfrekvens för CO ₂ . Vid förbränning av ett kolväte (till exempel ved eller fossila bränslen som olja och naturgas) frigörs mycket värme och CO _{2 .} Den heta CO ₂ avger mycket energi vid sin resonansfrekvens på 4,3 μm. Detta orsakar en topp i den totala strålningsemissionen och kan detekteras väl. Dessutom ser den "kalla" CO ₂ i luften till att solljuset och annan IR-strålning filtreras bort. Detta gör sensorn i denna frekvens "solar blind"; dock minskar känsligheten av solljus. Genom att observera flimmerfrekvensen för en brand (1 till 20 Hz) görs detektorn mindre känslig för falsklarm orsakade av värmestrålning, till exempel orsakad av heta maskiner.

En allvarlig nackdel är att nästan all strålning kan absorberas av vatten eller vattenånga ; detta är särskilt giltigt för detektion av infraröd flamma i området 4,3 till 4,4 μm. Från ca. 3,5 μm och högre är absorptionen av vatten eller is praktiskt taget 100 %. Detta gör att infraröda sensorer för användning i utomhusapplikationer inte reagerar mycket på bränder. Det största problemet är vår okunnighet; vissa infraröda detektorer har ett (automatiskt) detektorfönstersjälvtest, men detta självtest övervakar endast förekomsten av vatten eller is på detektorfönstret.

En saltfilm är också skadlig, eftersom salt absorberar vatten. Vattenånga, dimma eller lätt regn gör dock sensorn nästan blind, utan att användaren vet. Orsaken liknar vad en brandman gör om han närmar sig en het eld: han skyddar sig med hjälp av en vattenångskärm mot den enorma infraröda värmestrålningen. Närvaron av vattenånga, dimma eller lätt regn kommer då också att "skydda" monitorn så att den inte ser elden. Synligt ljus kommer dock att överföras genom vattenångskärmen, vilket lätt kan ses av att en människa fortfarande kan se lågorna genom vattenångskärmen.

Den vanliga svarstiden för en IR-detektor är 3–5 sekunder.

Infraröda värmekameror

MWIR infraröda (IR) kameror kan användas för att detektera värme och kan med speciella algoritmer upptäcka hotspots inom en scen såväl som lågor för både detektering och förebyggande av brand och brandrisker. Dessa kameror kan användas i totalt mörker och fungerar både inne och ute.

UV/IR

Dessa detektorer är känsliga för både UV- och IR-våglängder och detekterar lågor genom att jämföra tröskelsignalen för båda områdena. Detta hjälper till att minimera falsklarm.

IR/IR flamdetektion

Dubbla IR (IR/IR) flamdetektorer jämför tröskelsignalen i två infraröda intervall. Ofta tittar en sensor på 4,4 mikrometer koldioxid (CO ₂ ), medan den andra sensorn tittar på en referensfrekvens. Att känna av CO ₂ -utsläpp är lämpligt för kolvätebränslen; för icke-kolbaserade bränslen, t.ex. väte, avkänns bredbandsvattenbanden.

IR3 flamdetektion

Multi-infraröda detektorer använder sig av algoritmer för att undertrycka effekterna av bakgrundsstrålning (svartkroppsstrålning), återigen reduceras känsligheten av denna strålning.

Triple-IR flamdetektorer jämför tre specifika våglängdsband inom IR-spektralområdet och deras förhållande till varandra. I det här fallet tittar en sensor på 4,4 mikrometersområdet medan de andra sensorerna tittar på referensvåglängder både över och under 4,4. Detta gör att detektorn kan skilja mellan icke-flammiga IR-källor och faktiska lågor som avger varm CO ₂ i förbränningsprocessen. Som ett resultat kan både detektionsräckvidden och immuniteten mot falsklarm ökas avsevärt. IR3-detektorer kan upptäcka en 0,1 m ² (1 ft ² ) bensinbränna på upp till 65 m (215 ft) på mindre än 5 sekunder. Trippel IR, liksom andra typer av IR-detektorer, är känsliga för att bländas av ett lager vatten på detektorns fönster.

De flesta IR-detektorer är utformade för att ignorera konstant IR-bakgrundsstrålning, som finns i alla miljöer. Istället är de utformade för att upptäcka plötsligt förändrade eller ökande strålningskällor. När de utsätts för ändrade mönster av icke-flammig IR-strålning, blir IR- och UV/IR-detektorer mer benägna att få falsklarm, medan IR3-detektorer blir något mindre känsliga men är mer immuna mot falsklarm.

3IR+UV flamdetektion

Multi-infraröda (Multi-IR/3IR) detektorer använder algoritmer för att fastställa förekomsten av brand och skilja dem från bakgrundsljud som kallas svartkroppsstrålning , vilket i allmänhet minskar detektorns räckvidd och noggrannhet. Svartkroppsstrålning är ständigt närvarande i alla miljöer, men avges särskilt starkt av föremål vid hög temperatur. Detta gör miljöer med hög temperatur, eller områden där material med hög temperatur hanteras, särskilt utmanande för IR-detektorer. Således ingår ibland en extra UV-C-bandsensor i flamdetektorer för att lägga till ytterligare ett lager av bekräftelse, eftersom svartkroppsstrålning inte påverkar UV-sensorer om inte temperaturen är extremt hög, såsom plasmaglöden från en bågsvetsmaskin.

Flervåglängdsdetektorer varierar i sensorkonfiguration. 1 IR+UV, eller UVIR är den vanligaste och billigaste. 2 IR + UV är en kompromiss mellan kostnad och falsklarmimmunitet och 3 IR + UV, som kombinerar tidigare 3IR-teknik med det extra lagret av identifiering från UV-sensorn.

Multi-våglängds- eller multispektrala detektorer som 3IR+UV och UVIR är en förbättring jämfört med deras motsvarigheter för endast IR-detektorer som har varit kända för att antingen falsklarm eller förlora känslighet och räckvidd i närvaro av starkt bakgrundsljud som direkt eller reflekterat ljuskällor eller till och med solexponering. IR-detektorer har ofta förlitat sig på tillväxt av infraröd bulkenergi som sin primära avgörande faktor för branddetektering, och deklarerar ett larm när sensorerna överskrider ett givet intervall och förhållande. Detta tillvägagångssätt är emellertid benäget att utlösas från icke-brandbrus. oavsett om det kommer från svartkroppsstrålning, högtemperaturmiljöer eller helt enkelt förändringar i omgivningsbelysningen. alternativt, i en annan designmetode, kan endast IR-detektorer bara larma vid perfekta förhållanden och tydliga signalmatchningar, vilket resulterar i att man missar branden när det är för mycket brus, som att titta in i solnedgången.

Moderna flamdetektorer kan också använda sig av höghastighetssensorer, som gör det möjligt att fånga flammans flimrande rörelse och övervaka mönstret och förhållandena för den spektrala uteffekten för mönster som är unika för brand. Högre hastighetssensorer möjliggör inte bara snabbare reaktionstider, utan också mer data per sekund, vilket ökar förtroendet för brandidentifiering eller avvisande av falsklarm.

Synliga sensorer

En sensor för synligt ljus (till exempel en kamera: 0,4 till 0,7 μm) kan presentera en bild som kan förstås av en människa. Dessutom kan komplex bildbehandlingsanalys utföras av datorer, som kan känna igen en låga eller till och med rök. Tyvärr kan en kamera bländas, som en människa, av kraftig rök och av dimma. Det är också möjligt att blanda information om synligt ljus (monitor) med UV- eller infraröd information, för att bättre särskilja falsklarm eller förbättra detektionsområdet. Coronakameran är ett exempel på denna utrustning . I denna utrustning blandas informationen från en UV-kamera med synlig bildinformation. Den används för att spåra defekter i högspänningsutrustning och branddetektering över stora avstånd.

I vissa detektorer läggs en sensor för synlig strålning (ljus) till designen.

Video

Sluten TV eller webbkamera kan användas för visuell detektering av (våglängder mellan 0,4 och 0,7 μm). Rök eller dimma kan begränsa den effektiva räckvidden för dessa, eftersom de enbart verkar i det synliga spektrumet.

Andra typer

Detektering av joniseringsström

Den intensiva joniseringen inuti en lågans kropp kan mätas med hjälp av fenomenet flamlikriktning, varvid en växelström flyter lättare i en riktning när en spänning appliceras. Denna ström kan användas för att verifiera lågans närvaro och kvalitet. Sådana detektorer kan användas i stora industriella processgasvärmare och är anslutna till flamkontrollsystemet. De fungerar vanligtvis som både flamkvalitetsmonitorer och för upptäckt av flamfel. De är också vanliga i en mängd olika hushållsgasugnar och pannor.

Problem med att pannor inte förblir tända kan ofta bero på smutsiga flamsensorer eller på en dålig brännaryta för att slutföra den elektriska kretsen. En dålig låga eller en låga som lyfter från brännaren kan också avbryta kontinuiteten.

Flamtändare (överst) och flamsensor

Flamdetektering av termoelement

Termoelement används i stor utsträckning för att övervaka lågans närvaro i förbränningsvärmesystem och gasspisar. En vanlig användning i dessa installationer är att stänga av bränsletillförseln om lågan sviker, för att förhindra att oförbränt bränsle samlas. Dessa sensorer mäter värme och används därför ofta för att fastställa frånvaron av en låga. Detta kan användas för att verifiera närvaron av en pilotlåga .

Ansökningar

UV/IR flamdetektorer används i:

• Vätgasstationer .
• Gaseldade spisar
• Industriella värme- och torksystem
• Hushållsvärmesystem
• Industriella gasturbiner

Emission av strålning

Emission av strålning

En brand avger strålning, som det mänskliga ögat upplever som de synliga gulröda lågorna och värmen. Faktum är att under en brand emitteras relativt sparsam UV-energi och energi av synligt ljus, jämfört med emissionen av infraröd strålning. En brand utan kolväte, till exempel en från väte , visar inte en CO _{2 -topp på 4,3 μm eftersom ingen CO 2} frigörs vid förbränning av väte. 4,3 μm CO ₂ -toppen på bilden är överdriven och är i verkligheten mindre än 2 % av brandens totala energi. En multifrekvensdetektor med sensorer för UV, synligt ljus, nära IR och/eller bredbands-IR har alltså mycket mer "sensordata" att beräkna med och kan därför upptäcka fler typer av bränder och upptäcka dessa typer av bränder bättre : väte, metanol , eter eller svavel . Det ser ut som en statisk bild, men i verkligheten fluktuerar energin, eller flimrar. Detta flimmer orsakas av det faktum att det aspirerade syret och det föreliggande brännbara ämnet brinner och samtidigt suger ut nytt syre och nytt brännbart material. Dessa små explosioner orsakar flimmer i lågan.

Solljus

Solljusöverföring

Solen avger en enorm mängd energi, som skulle vara skadlig för människor om inte ångorna och gaserna i atmosfären, som vatten ( moln ), ozon och andra , genom vilka solljuset filtreras. I figuren kan man tydligt se att "kall" CO ₂ filtrerar solstrålningen runt 4,3 μm. En infraröd detektor som använder denna frekvens är därför solblind. Det är inte alla tillverkare av flamdetektorer som använder skarpa filter för 4,3 μm strålningen och plockar därmed fortfarande upp en hel del solljus. Dessa billiga flamdetektorer är knappast användbara för utomhusapplikationer. Mellan 0,7 μm och ca. 3 μm är det relativt stor absorption av solljus. Därför används detta frekvensområde för flamdetektering av ett fåtal flamdetektortillverkare (i kombination med andra sensorer som ultraviolett, synligt ljus eller nära infrarött). Den stora ekonomiska fördelen är att detektorfönster kan göras av kvarts istället för dyr safir . Dessa elektrooptiska sensorkombinationer möjliggör även detektering av icke-kolväten som vätebränder utan risk för falska larm orsakade av artificiellt ljus eller elektrisk svetsning.

Värmestrålning

Värmestrålning

Infraröda flamdetektorer lider av infraröd värmestrålning som inte avges av den eventuella branden. Man kan säga att branden kan maskeras av andra värmekällor. Alla föremål som har en temperatur som är högre än den absoluta lägsta temperaturen (0 kelvin eller −273,15 °C) avger energi och vid rumstemperatur (300 K) är denna värme redan ett problem för de infraröda flamdetektorerna med högst känslighet. Ibland räcker det med en rörlig hand för att utlösa en IR-flammdetektor. Vid 700 K börjar ett hett föremål (svart kropp) att avge synligt ljus (glöd). Dubbla eller multi-infraröda detektorer undertrycker effekterna av värmestrålning med hjälp av sensorer som detekterar precis utanför CO ₂ -toppen; till exempel vid 4,1 μm. Här är det nödvändigt att det är stor skillnad i effekt mellan de applicerade sensorerna (till exempel sensor S1 och S2 på bilden). En nackdel är att strålningsenergin för en eventuell brand måste vara mycket större än den nuvarande bakgrundsvärmestrålningen. Med andra ord blir flamdetektorn mindre känslig. Varje multi infraröd flamdetektor påverkas negativt av denna effekt, oavsett hur dyr den är.

Kona av vision

Synkone (synfält)

En flamdetektors siktkon bestäms av formen och storleken på fönstret och huset och sensorns placering i huset. För infraröda sensorer spelar även lamineringen av sensormaterialet en roll; det begränsar flamdetektorns siktkon. En bred siktkon betyder inte automatiskt att flamdetektorn är bättre. För vissa applikationer måste flamdetektorn justeras exakt för att säkerställa att den inte upptäcker potentiella bakgrundsstrålningskällor. Flamdetektorns siktkon är tredimensionell och är inte nödvändigtvis perfekt rund. Den horisontella synvinkeln och den vertikala synvinkeln skiljer sig ofta åt; detta orsakas mest av höljets form och av spegeldelar (avsedda för självtestet). Olika brännbart material kan till och med ha olika synvinkel i samma flamdetektor. Mycket viktigt är känsligheten vid vinklar på 45°. Här måste minst 50 % av den maximala känsligheten vid centralaxeln uppnås. Vissa flamdetektorer här uppnår 70 % eller mer. Faktum är att dessa flamdetektorer har en total horisontell synvinkel på mer än 90°, men de flesta av tillverkarna nämner inte detta. En hög känslighet på kanterna av synvinkeln ger fördelar för projiceringen av en flamdetektor.

Detektionsområdet

Detektionsområde

Räckvidden för en flamdetektor bestäms i hög grad av monteringsplatsen. När man gör en projektion bör man faktiskt föreställa sig vad flamdetektorn "ser". En tumregel är att flamdetektorns monteringshöjd är dubbelt så hög som det högsta föremålet i synfältet. Även flamdetektorns tillgänglighet måste beaktas på grund av underhåll och/eller reparationer. En stel ljusmast med svängpunkt är därför att rekommendera. Ett "tak" ovanpå flamdetektorn (30 x 30 cm, 1 x 1 fot) förhindrar snabb förorening i utomhusapplikationer. Även skuggeffekten måste beaktas. Skuggeffekten kan minimeras genom att montera en andra flamdetektor mittemot den första detektorn. En andra fördel med detta tillvägagångssätt är att den andra flamdetektorn är redundant, om den första inte fungerar eller är förblindad. Generellt gäller att när man monterar flera flamdetektorer bör man låta dem "titta" mot varandra och inte låta dem titta mot väggarna. Genom att följa denna procedur kan döda fläckar (orsakade av skuggeffekten) undvikas och en bättre redundans kan uppnås än om flamdetektorerna skulle "titta" från det centrala läget in i området som ska skyddas. Utbudet av flamdetektorer till 30 x 30 cm, 1 x 1-fots branschstandardbrand anges i tillverkarens datablad och manualer, detta område kan påverkas av de tidigare angivna desensibiliserande effekterna av solljus, vatten, dimma, ånga och svartkroppsstrålning .

Torglagen

Kvadratisk lag

Om avståndet mellan lågan och flamdetektorn är stort jämfört med brandens dimension gäller kvadratlagen: Om en flamdetektor kan upptäcka en brand med ett område A på ett visst avstånd, så är en 4 gånger större flamarea nödvändigt om avståndet mellan flamdetektorn och branden fördubblas. Kortfattat:

Dubbelt avstånd = fyra gånger större flamområde ( brand ).

Denna lag är lika giltig för alla optiska flamdetektorer, inklusive videobaserade. Den maximala känsligheten kan uppskattas genom att dividera den maximala flamarean A med kvadraten på avståndet mellan branden och flamdetektorn: c = A / d ² . Med denna konstant c kan, för samma flamdetektor och samma typ av brand, maximalt avstånd eller minsta brandarea beräknas: A = cd ² och d = √ A / c

Det måste dock betonas att kvadratroten i verkligheten inte längre är giltig på mycket höga avstånd. På långa avstånd spelar andra parametrar en betydande roll; som förekomsten av vattenånga och kall CO ₂ i luften. Vid en mycket liten låga kommer å andra sidan lågans minskande flimmer att spela en allt större roll.

En mer exakt relation - giltigt när avståndet mellan lågan och flamdetektorn är litet - mellan strålningsdensiteten, E , vid detektorn och avståndet, D , mellan detektorn och en låga med effektiv radie, R , som avger energitäthet , M , ges av

E = 2π MR ² / ( R ² + D ² )

När R << D reduceras relationen till den (omvända) kvadratlagen

E = 2π MR ² / D ²

Se även

• Flamma
• Aktivt brandskydd
• Flamjoniseringsdetektor
• Gasdetektor
• Brandlarm