خطر انفجار و آتش سوزی در همه محیط‌ها وجود دارد؛ به خصوص در محیط‌های صنعتی قدیمی گرفته تا کارخانجات صنعتی پیشرفته! هر گونه حادثه آتش سوزی می‌تواند یک نگرانی بزرگ برای صاحبان صنایع باشد. خوب است بدانید که خسارات ناشی از آتش‌سوزی به یک واحد صنعتی می‌تواند به چرخه‌ی کل اقتصاد کشور، صدمات جدی وارد کند. به همین منظور شناسایی حریق در مراکز صنعتی به خصوص صنایع وابسته به مواد شیمیایی پر خطر، به شدت حائز اهمیت است. از این رو آشکارسازهای شعله ای به دلیل شناسایی حریق زیر چند ثانیه، بسیار مورد توجه طراحان سیستم اعلام حریق و F&G می‌باشند.
شعله چیست؟
در زمان به وجود آمدن حریق علاوه بر دود، حرارت و گازهای سمّی، تشعشعات مرئی و نامرئی نیز از شعله‌ها منتشر می‌شوند. حریق دارای چهار خروجی است و قطعات الکترونیکی به نام دتکتور (آشکارساز) برای شناسایی هر یک از این خروجی‌ها ساخته شده‌اند. که به ترتیب عبارت اند از دتکتورهای دودی، حرارتی، شعله ای و گازی.
تشعشعات چیست؟
در علم فوتونیک، به مجموعه ۳ ناحیه مادون قرمز (Infrared)، ناحیه مرئی (Visible) و فرابنفش (Ultraviolet)، ناحیه اپتیکی می‌گویند. از آنجایی که واژه اپتیک (Optic) را غالباً نور معنی می‌کنند، به امواج یا تابش مادون قرمز (IR)، نور مادون قرمز نیز می‌گویند. طول موج و فرکانس ناحیه اپتیکی در شکل زیر نشان داده است.
- امواج یا تابش‌های ماوراء بنفش که به آن UV می‌گویند.
- امواج یا تابش‌های مرئی که به آن VISIBLE می‌گویند.
- امواج یا تابش‌های مادون قرمز که به آن IR می‌گویند.
دتکتور شعله ای چیست؟
فلِیم دتکتور، آشکارساز شعله یا دتکتور شعله ای (به انگلیسی: flame detector) نوعی سنسور و حسگر است که برای تشخیص و پاسخ به حضور شعله یا آتش طراحی شده است. این دتکتورها می توانند وجود شعله یا آتش را تشخیص دهد و نسبت به آن واکنش نشان دهد. همچنین آنها این قابلیت را دارند که دود یا مایع بدون دودی که می تواند آتش ایجاد کند را شناسایی کنند.
آشکارسازهای شعله همچنین می توانند با توجه به دمای هوا و حرکت هوا، آتش را تشخیص دهند. این دستگاه ها و تجهیزات اعلام حریق از امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از آتش یعنی امواج فرابنفش (UV)، مادون قرمز (IR) و امواج مرئی (Visible) برای حس کردن و شناسایی شعله استفاده می کنند. آنها می‌توانند وجود شعله را در عرض کمتر از یک ثانیه اعلام و هشدار دهند.
واکنش فلیم دتکتورها نسبت به تشخیص آتش با توجه به نوع نصب آنها متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال می‌توانند آژیر اعلام حریق را به صدا درآورند و مسیر سوخت را توسط شیر برقی مسدود کنند یا حتی یک سیستم اطفاء حریق را فعال نمایند.
فلیم دتکتورها به دلیل استفاده از مکانیسم‌های خاص برای تشخیص شعله، اغلب می‌توانند سریع‌تر و دقیق‌تر از دتکتورهای دودی و حرارتی (smoke or heat detector) نسبت به وجود آتش پاسخ دهند.
انواع دتکتورهای شعله ای و نحوه کار آنها
آشکارسازهای شعله ای نوری یا اپتیکال (Optical flame detectors) کاربردهای متعددی در انواع محیط های خطرناک دارند. می‌توان از آنها در تاسسیسات گرمایشی صنعتی، توربین‌های گازی صنعتی تا تأسیسات نفت و گاز و پتروشیمی استفاده کرد. چرا که آنها می‌توانند شعله های کوچک را به سرعت تشخیص داده و خطر حریق را در یک محیط معین به صفر برسانند.
دتکتورهای شعله ای از سه دسته از سنسور‌ها استفاده می‌کنند که عبارت‌اند از: سنسور‌های امواج مادون قرمز (IR)، سنسور‌های امواج فرابنفش (UV) و سنسور‌های نور مرئی که برخی از آنها پردازش تصویر را نیز انجام می‌دهند.
دتکتور شعله UV یا فرابنفش (Ultra-Violet Flame Detector)
آشکارسازهای شعله ای فرابنفش (UV) تشعشعات ماورا بنفش را تشخیص می‌دهند. از آنجایی که اکثر آتش سوزی‌ها اشعه ماوراء بنفش را تولید می‌کنند، دتکتور UV یک گزینه خوب، برای بسیاری از مکان‌ها است. فلیم یو وی به طیف وسیعی از سوخت های قابل اشتعال از جمله هیدروکربن ها، گوگرد، هیدرازین و آمونیاک حساس است. همچنین برای تأسیساتی که مستعد خطرات تخصصی مانند آتش سوزی هیدروکربن، هالوژن و فلز هستند، مفیدتر است.دتکتور شعله ای UV معمولاً امکان تشخیص بهتری در محدوده طول موج های کمتر از 300 نانومتر دارند. از این رو برای اینکه میزان خطا و اثرات تشعشعات پس زمینه طبیعی کاهش یابد، باید محدوده تشخیص و نصب آنها را تا 300 نانومتری تعیین نماییم.
مزایا و معایب دتکتورهای UV
یک آشکارساز فرابنفش مزایا و معایبی دارد. از مزایای آشکارساز UV می توان به تشخیص آتش سوزی و انفجار، واکنش با سرعت بالا (در عرض 3 تا 4 میلی ثانیه) و توانایی پاسخگویی به آتش سوزی های هیدروکربنی، هیدروژنی و فلزی اشاره کرد.
از معایب دتکتورهای شعله ای فرابنفش می توان به پاسخگویی و واکنش نشان دادن به هشدارهای کاذب ایجاد شده جوشکاری در دامنه های دوربرد اشاره کرد. حتی ممکن است به رعد و برق، جوش قوس الکتریکی، تشعشع و نور خورشید، صاعقه، جرقه و غیره نیز واکنش نشان دهند. از آنجایی که این آشکارسازها به تخلیه الکتریکی مانند رعد و برق نیز واکنش نشان می دهند، بنابراین بهتر است در یک محیط داخلی نگهداری شوند.
شاید به این علت باشد که برای این که هشدارهای کاذب ایجاد شده در هنگام جوشکاری و زدن رعد و برق توسط دتکتور را به حداقل برسانیم، یک تاخیر زمانی 2 تا 3 ثانیه ای در نظر گرفته می‌شود. از معایب دیگر آشکارسازهای فرابنفش این است که آلاینده های روغنی ممکن است هنگام قرار گرفتن روی آنها باعث کاهش حساسیت و عدم عملکرد درست آن شوند.
کاربرد دتکتور شعله ای ماوراء بنفش
- تأسیسات نفت و گاز دریایی
- تأسیسات و خطوط لوله نفت و گاز در خشکی
- کارخانه های پتروشیمی
- تاسیسات کشتی سازی
- صنعت خودرو
- تأسیسات تولید برق
- صنعت نقاشی
- انبار مواد با قابلیت اشتعال بالا
- تاسیسات دفع زباله
- مواد منفج
دتکتور شعله ای فرابنفش و مادون قرمز (UV/IR flame detector)
یک آشکارساز شعله UV/IR از حسگرهای فرابنفش (UV) و مادون قرمز (IR) تشکیل شده است. این حسگرها در یک دستگاه واحد به هم متصل شده اند. از اینرو این نوع آشکارساز نسبت به هر دو طول موج UV و IR حساس است. این امر در به حداقل رساندن هشدارهای کاذب مفید می باشد. دتکتور شعله ای فرابنفش و مادون قرمز با مقایسه سیگنال آستانه هر دو محدوده، قادر به تشخیص اشعه های UV و IR است.
این دو حسگر به طور جداگانه عمل می کنند، همان طوری که در بالا توضیح داده شد. با این حال، برخی مدارات و سیم کشی های اضافه شده، به آشکارساز کمک می کند تا هر دو سیگنال را پردازش و ارزیابی کند. در نتیجه، آشکارساز ترکیبی قابلیت رد هشدار کاذب بهتری نسبت به دتکتورهای UV یا IR دارد.
همانطور که گفته شد، هر سنسور جداگانه عمل می کند، اما ترکیب این دو سنسور باعث شده تا الگوریتم های پردازش سیگنال پیشرفته به این دتکتور اضافه شود. این امر باعث می شود تا عملکرد دتکتور شعله ای UV/IR به طیف گسترده ای از مایعات، گازها و جامدات فرار قابل اشتعال گسترش یابد.
مزایا و معایب دتکتورهای شعله ای UV/IR
آشکارساز شعله UV/IR مزایا و معایبی هم دارد. از مزایای آن می توان به ری اکشن سرعت بالا و مصونیت از هشدار نادرست و کاذب اشاره کرد.
از معایب آشکارساز شعله UV/IR می توان به این موضوع اشاره کرد که نمی‌توان از آنها برای آتش‌سوزی‌های غیر کربنی استفاده کرد. آنها همچنین قادر به تشخیص آتش‌سوزی‌هایی هستند که هر دو تابش UV/IR را از خود ساطع می‌کنند و در صورت ساطع کردن هر کدام از این اشعه‌ها به صورت جداگانه، آنها قادر به تشخیص و اعلام حریق نخواهند بود.
دتکتور شعله ای فرابنفش و مادون قرمز (UV/IR flame detector)
یک آشکارساز شعله UV/IR2 از حسگرهای فرابنفش (UV) و دو سنسور مادون قرمز (IR) تشکیل شده است. این حسگرها در یک دستگاه واحد به هم متصل شده اند. از اینرو این نوع آشکارساز نسبت به سه طول موج UV و IR و یک باند دیگر مادون قرمز حساس است. این امر در به حداقل رساندن هشدارهای کاذب مفید می باشد.
این سه حسگر به طور جداگانه عمل می کنند، همان طوری که در بالا توضیح داده شد. با این حال، برخی مدارات و سیم کشی های اضافه شده، به آشکارساز کمک می کند تا هر سه سیگنال را پردازش و ارزیابی کند. در نتیجه، آشکارساز ترکیبی قابلیت رد هشدار کاذب بهتری نسبت به دتکتورهای UV/ IR دارد.
. دتکتور شعله UV/IR3
بهتر است بدانید که دتکتور شعله مادون قرمز سه گانه + فرابنفش IR3+UV flame detection نوع دیگری از آشکارسازهای شعله است. فلیم دتکتور چند موجی یا چند طیفی 3IR+UV برد و دقت بالایی دارند. چون وجود آتش را متمایز از نویز و تابش پس زمینه موجود در تمامی محیط ها می‌دانند.
دتکتور شعله ای IR یا مادون قرمز (Infra-Red Flame Detector)
آشکارسازهای شعله مادون قرمز (IR) تابش و اشعه IR را مشاهده می کنند. عملکرد آنها این گونه است که باند طیفی مادون قرمز را گازهای داغ منتشر می کنند، بررسی می کنند.
هنگام سوزاندن یک هیدروکربن (به عنوان مثال، چوب یا سوخت های فسیلی مانند نفت و گاز طبیعی) گرما و CO2 زیادی آزاد می شود. CO2 داغ انرژی زیادی را در فرکانس تشدید 4.3 میکرومتر ساطع می کند. انرژی آزاد شده از سوزاندن CO2 در فرکانس تشدید 4.3 تا 4.4 میکرومتر میکرونی است که باعث می شود آشکارساز IR، انتشار را شناسایی کند.
بهتر است بدانید که باند اصلی انتشار تشعشعی برای آتش‌سوزی‌های سوخت هیدروکربنی بین 4.3 تا 4.4 میکرون است. این پهنای باند، محدوده انتشار مادون قرمز است و حسگرهای IR می توانند به راحتی آن را تشخیص دهند.
اینها با استفاده از یک دوربین تصویربرداری حرارتی ضد آتش تخصصی (TIC) که نوعی دوربین ترموگرافیک و گرماسنج است، حس می شوند. این دوربین ها فرکانس های ساطع شده از اشعه های مادون قرمز را در محدوده پهنای باند 1.1 میکرومتر و بالاتر حس کرده و هشدار می دهند.
گازهای داغی که از آتش ساطع می‌شوند، الگوهای منحصر به فردی در طول موج های IR ایجاد می‌کنند که می‌توان آنها را در دوربین تصویربرداری حرارتی در آشکارساز مشاهده کرد. با این حال، گفته می‌شود که این نوع دستگاه ها و تجهیزات قبل از اینکه بتوانند وجود آتش را حس کنند و نسبت به آن پاسخ دهند، نیاز دارند که شعله سوسو بزند.
مزایا و معایب دتکتورهای IR
یک عیب اصلی دتکتورهای مادون قرمز این است که تقریباً تمام تشعشعات اشعه می‌توانند توسط آب یا بخار آب جذب شوند. این امر باعث می‌شود که حسگرهای مادون قرمز در فضای باز نسبت به آتش‌سوزی واکنش نشان ندهند.
از آنجایی که اشعه مادون قرمز نه تنها از شعله‌های آتش ساطع می‌شود، بلکه ممکن است از سایر سطوح گرم مثل کوره‌ها، لامپ‌ها و غیره نیز به وجود آید، بنابراین خطر هشدار و اعلام حریق کاذب در این نوع دتکتورها هم وجود دارد. در ضمن زمانی که آب روی لنز ردیاب این دتکتورها وجود داشته باشد یا زمانی که مستقیم در معرض نور خورشید قرار بگیرند، دقت دتکتور شعله ای IR تا حد زیادی کاهش می‌یابد.
کاربرد دتکتور شعله ای مادون قرمز
- مناطق خطرناک
- تجهیزات فرایند نیمه هادی
- انبار ها
- دفاتر
دتکتور شعله ای مادون قرمز دوگانه (IR/IR flame detector)
فلیم دتکتور مادون قرمز دوگانه (IR/IR) با مقایسه سیگنال آستانه در دو محدوده اشعه مادون قرمز قادر به تشخیص و اعلام حریق هستند. یک سنسور این نوع دتکتورها 4.4 میکرومتری است و دی اکسید کربن و سنسور دیگر آن، فرکانس مرجع را چک می‌کند.
این دتکتورها برای تشخیص انتشار CO2 سوخت های هیدروکربنی مناسب هستند. تشخیص حریق سوخت‌های غیر کربنی مثل هیدروژن، با حس کردن نوار پهنای آب انجام می‌شود.
دتکتور شعله ای مادون قرمز سه گانه (3IR flame detection)
آشکارسازهای مادون قرمز سه گانه یا چند مادون قرمزی از الگوریتم‌هایی برای سرکوب اثرات تشعشعات پس زمینه استفاده می‌کنند. چگونه؟ با مقایسه سه باند طول موج خاص و نسبت آنها در ناحیه طیفی مادون قرمز.
یک سنسور در این نوع دتکتورها، محدوده 4.4 میکرومتری و سنسور‌های دیگر آن طول موج‌های مرجع بالاتر و پایین تر از 4.4 میکرومتری را چک می‌کنند. این امر به دتکتور اجازه می‌دهد تا بین منابع IR غیر شعله‌ای و شعله‌های واقعی که CO2 داغ در فرآیند احتراق منتشر می‌کنند، تمایز قائل شود. در نتیجه، هم محدوده تشخیص و هم ایمنی محیط در برابر آلارم‌های کاذب به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد.
فلیم دتکتورهای IR3 می‌توانند در کمتر از 5 ثانیه آتش سوزی‌های 0.1 متر مربع مخزن بنزین را تا فاصله‌ی حدودی 65 متری تشخیص دهند. اگر لایه‌ای از آب روی لنز آشکارسازهای سه گانه قرار بگیرد، همانند دیگر انواع فلیم دتکتورهای IR، مستعد کور شدن هستند.
دتکتور شعله IR4 یا Quad IR
فلیم دتکتور IR4 دارای سنسور چند طیف IR4: Quad-IR است. برای تشخیص شعله های هیدروژنی نامرئی و آتش سوزی‌های معمولی مبتنی بر هیدروکربن در فواصل طولانی تا 80 متر یا حداکثر 120 درجه بسیار مناسب است.این قابلیت زمان از کار افتادگی و تعمیر و نگهداری را در جایی که رطوبت زیاد، باران شدید، شن یا برف وجود دارد، بسیار کاهش می دهد.
دتکتور شعله MSIR یا Multi Spectrum IR
آشکارسازهای شعله مادون قرمز چند طیفی (MSIR) MSIR Detector is an advanced multi-spectrum flame detector از طول موج های مادون قرمز زیادی برای تشخیص بیشتر تشعشعات تولید کننده شعله از منابع تشعشعی غیر تولید شعله استفاده می‌کنند. آنها می‌توانند به سرعت نسبت به آتش‌سوزی در فاصله حدود 60 متری، هم در داخل و هم در فضای باز واکنش نشان دهند.
آشکارسازهای شعله MSIR همچنین قادر به تشخیص شعله حتی در میان دودآلودترین آتش‌ها هستند و به احتمال زیاد به دلیل وجود هر گونه نور، نور خورشید یا سایر اجسام داغ در محیط اطراف، آلارم کاذب ایجاد نمی کنند. به طور معمول، آشکارسازهای MSIR بهترین ایمنی را در برابر این هشدارهای کاذب ایجاد می کنند.
دتکتورهای شعله ای نزدیک مادون قرمز (Near IR array Flame Detector)
آشکارساز شعله نزدیک مادون قرمز یا دتکتورهای شعله بصری، برای تشخیص شعله به دستگاه ها و تجهیزاتی مثل دستگاه اتصال شارژ (CCD) نیاز دارند. زمانی که نور از آتش ساطع می شود، تصویری از شعله در این دتکتورها تشکیل می‌شود. سپس دستگاه، تصویر دیجیتال را از طریق تجزیه و تحلیل فیلمی که از تصاویر دیجیتال تشکیل شده، پردازش می کند و پی به وجود آتش می برد.
لازم به ذکر است که دامنه فرکانس این دتکتورها در حدود 0.7 تا 1.1 میکرومتر است. این دتکتورها مطمئن ترین فناوری را برای تشخیص آتش سوزی و اعلام حریق دارا می باشند.