Bezpečnostní inženýrství
- Detektory požárů a senzory plynů -
Úvod Včasná detekce požáru nebo úniku nebezpečných látek = důležitá součást bezpečnostního systému Základní požadavky • včasná detekce • omezení falešných poplachů • varovný signál • (informace záchranných složek) Rozšiřující schopnosti • zahájení automatických systémů potlačení • vyplutí elektrických a vzduchotechnických zařízení • ...
2
Požární hlásiče - rozdělení
3
Detektory požáru – ruční požární hlásič = nejstarší metoda detekce (nejjednodušší) • poplach spouští pozorovatel Pro bezprostřední vyhlášení požárního poplachu nebo spuštění hašení. Povrchová montáž na snadno dostupných místech.
Výhody - rychlé hlášení nebezpečí po přímém pozorování
Nevýhoda - nepracuje automaticky
4
Automatické požární detektory • Automatický hlásič požáru je zařízení, které umí zjistit vznik požáru na základě vyhodnocení vnějších projevů požáru (kouře) a vyhlásit požární poplach. • Existuje mnoho typů hlásičů v závislosti na způsobu detekce požáru a použití. • Nejrozšířenějším typem je optickokouřový hlásič kouře. Má nejlepší provozní vlastnosti. • Dalšími typy jsou např. tepelný hlásič a plamenný hlásič
5
Automatické požární detektory - principy
6
Měření teploty = nejstarší automatické detektory požárů, rozvoj automatických hasicích systémů (sprinklerů – stabilní hasicí zařízení) od 1860. Termoelektrické články měří teplotu na základě termoelektrického jevu. Ten funguje na principu, že v uzavřeném elektrickém obvodu dvou vodičů z různých kovů, kdy má každý různou teplotu, teče elektrický proud. Pokud tento obvod rozpojíme, jsme schopni měřit hodnoty termonapětí, které jsou dány rozdílem teploty mezi spoji.
Termomaximální detektory spustí alarm při dosažení nastavené teploty, domácnost cca 60 °C. Termodiferenciální detektory spoustí alarm při nárůstu teploty větším než 8 °C/minutu.
Automatické požární detektory - principy Opticko-kouřový hlásič
7
Automatické požární detektory - principy Kombinovaný opticko-kouřový hlásič
8
Automatické požární detektory - principy
9
Kombinovaný opticko-kouřový hlásič Ionizační hlásič •
•
•
Princip funkce ionizačního hlásiče je naprosto shodný s opticko-kouřovým hlásičem. Rozdíl spočívá v druhu zdroje záření a vyhodnocovacího modulu. Zdrojem záření je mizivé množství radioaktivního prvku Americia (Am).
• Oba hlásiče potřebují zdroj napájení (pro funkci LED diody a vyhodnocovací jednotky, kontrolního okruhu přijímače, světelné kontrolky, akustické sirény) • Při likvidaci ionizačního hlásiče - jde o nebezpečný odpad, vyžaduje zvláštní režim zacházení (uložení do speciálního kontejneru, evidence původu a speciální likvidace v určené laboratoři apod.) ! • Při likvidaci opticko-kouřového hlásiče jde o „obyčejný“ elektronický odpad.
Automatické požární detektory - principy
10
Plamenné hlásiče Každý typ paliva vytváří plamen se specifickým emisním spektrem.
Automatické požární detektory - principy
11
Automatické požární detektory - principy Plamenné hlásiče Většina energie je „neviditelná“. Část spektra, kterou můžeme pozorovat, je ve viditelné oblasti díky uhlíku přítomném v plamenu.
12
2% z celkové energie plamene
Energie kW
Neviditelnou infračervenou oblast spektra vnímáme jako teplo. Palivo bez uhlíku (např. vodík) hoří světle-modrým transparentním plamenem. Ve spektru také chybí typický CO2 pík při vlnové délce 4.4µm a tak může být detekován pouze UV nebo UV/IR detektory.
Near IR Visible UV
Vlnová délka
4.4
Automatické požární detektory - principy Plamenné hlásiče Každý plamenný hlásič obsahuje jeden nebo více optických senzorů citlivých na elektromagnetické energie vyzařované na různých vlnových délkách v různých spektrálních pásmech.
Výhody: • rozsah • citlivost • rychlost • přesnost Nevýhody: – náklady – detektor musí „vidět“ plamen
13
Automatické požární detektory - principy Plamenné hlásiče – UV/IR kombinace
1. 2.
2.7 micron IR senzor (detekce H2O radiace) 4.3 micron IR senzor (detekce CO2 radiace) IR3 detektor
N-heptan: 65 m Methan: 30 m
14
Plynové senzory
15
Principy Vstupní veličina: • chemická veličina (výskyt určité látky v analyzovaném prostředí) • dělení senzorů podle skupenství anal. fáze (plynové x kapalinové) • požadavek na důkaz (určení kvality) nebo na stanovení (kvantita) Princip detekce • jedná se vždy o kontaktní senzory (interakce pevná látka -plyn) • elektrické vlastnosti aktivní vrstvy se popisují modelem polovodiče • aktivní vrstva senzoru se během detekce chemicky nemění, pouze si vyměňuje přímo nebo zprostředkovaně elektrony s molekulami detekovaných plynů • v důsledku toho se mění její elektrofyzikální vlastnosti Výstupní veličina • elektrická (impedance resp. rezistance) • pasivní senzory
Plynové senzory
16
Chemický senzor vs. klasický analyzátor výhody
nevýhody
chemické senzory
nízká cena, jednoduchost obsluhy, malé rozměry, nízká spotřeba, přenosnost, rychlost
nestabilita, nepřesnost, rozptyl parametrů při výrobě, problémy se selektivitou, katalytickými jedy, citlivostí, dynamickými vlastnostmi
klasické analyzátory *
přesnost, stabilita, selektivita, odolnost, trvanlivost
vysoká cena, náročná obsluha, velké rozměry, vyšší spotřeba, nepřenosnost
* chromatografie, hmotnostní, UV a VIS spektroskopie, elektrochemické metody, ...
Plynové senzory
17
Polovodičový senzoru – ÚFMT VŠCHT Schéma řezu planárním senzorem:
• interdigitální Pt elektrody aktivní vrstva Pt - elektrody
Pt -drátky
Al2O3 substrát topení
Skutečná podoba senzoru: a) měrné elektrody b) topení
• vzdálenost mezi elektrodami desítky μm
• substrát z nevodivé keramiky • aktivní vrstva nejčastěji na bázi oxidu kovu (SnO2,In2O3 apod.) • tloušťka aktivní vrstvy cca 100 – 500 nm
Plynové senzory Princip funkce - jedná se o tzv. spalovací režim detekce. • vyžaduje porézní aktivní vrstvu s velkým relativním povrchem (tvořenou jednotlivými zrny polovodivého materiálu) • probíhá v prostředí se značným nadbytkem kyslíku (21 vol.% O2 vs. řádově jednotky až stovky ppm detekovaných plynů) • molekuly detekovaných plynů si zprostředkovaně vyměňují elektrony s aktivní vrstvou • aktivní vrstva během detekce nemění chemické složení ani krystalovou strukturu • registrují se změny rezistance (impedance) senzoru v závislosti na složení okolní atmosféry • rezistance senzoru jako celku je řízena procesy na hranicích zrn
18
Plynové senzory Komerční senzory
• hlavním dodavatelem je japonská firma FIGARO (řada senzorů TGS) • cena v řádu stovek Kč za jednotlivý senzor
19
