Nguyên lý hoạt động của hệ thống thiết bị báo cháy
Đầu báo lửa (Flame Detector):
Ngọn lửa là một phần biểu hiện thấy được (phát ra ánh sáng) của sự cháy. Nó tạo ra từ các phản ứng hóa học có sự tỏa nhiệt cao (cháy, phản ứng oxy hóa tự duy trì) diễn ra trong môi trường hẹp.
Ngọn lửa là một trạng thái tồn tại của vật chất và được xếp như một loại khí plasma – bị ion hóa một phần.
Trong nhiều năm đầu báo lửa quang học đã trở thành một bộ phận không thể thiếu của hệ thống báo cháy tự động.
Đầu báo lửa quang học có thể “nhìn” thấy ngọn lửa từ khoảng cách xa mà không cần nhiệt hoặc khói đi đến đầu báo. Chức năng này giúp cho đầu báo lửa rất thích hợp với khu vực lớn hoặc những khu vực mà phương pháp phát hiện cháy khác không làm việc được.
Đầu báo lửa là một dạng thiết bị dùng cảm biến quang học để phát hiện lửa. Đầu báo lửa thường được dùng chủ yếu ở những trạm hydrogen để ngăn ngừa đám cháy xảy ra. Về bản chất, hiện nay có rất nhiều loại đầu báo lửa khác nhau. Những loại này bao gồm đầu báo lửa tử ngoại (UV – ultraviolet), hồng ngoại (IR- infrared), kết hợp UV/IR, IR/IR, IR/IR/IR, cảm biến quan sát, video camera.
Đầu báo lửa tử ngoại (UV)
Do đặc tính bước sóng ngắn nên dải quang phổ tử ngoại được hấp thụ vào bầu khí quyển bởi không khí, khói, bụi, gas và các chất hữu cơ khác.
Bức xạ tử ngoại của mặt trời khuyếch tán trong khí quyển (đặc biệt là tại bước sóng ngắn hơn 300 nm (nanometre) – dải quang phổ không nhìn thấy của mặt trời) bị hấp thu bởi khí quyển sẽ không gây nên báo động giả cho đầu báo UV.
Đầu báo UV hoạt động với ánh sáng có bước sóng ngắn hơn 300nm, có khả năng dò tìm cháy và nổ với tốc độ cao (từ 3-4 mili giây) nhờ bức xạ tử ngoại có năng lượng lớn phát từ ngọn lửa hoặc sự nổ ngay khi bốc cháy.
Tuy nhiên khi lắp ở ngoài trời, bức xạ tử ngoại phát ra từ ngọn lửa từ một khoảng cách xa nhiều mét có thể bị yếu đi bởi những chất ô nhiễm trong không khí như khói, sương mù, hơi hydrocarbon và những chất hữu cơ tích tụ trên thấu kính hoặc cửa sổ của đầu báo. Thêm vào nữa đầu báo UV có thể bị báo giả bởi nguồn tử ngoại khác như ánh sáng mặt trời, bức xạ, hồ quang hàn điện và tia chớp.
Bởi những nguyên nhân nêu trên đầu UV chủ yếu được lắp đặt trong nhà, nơi không có bức xạ trực tiếp hoặc phản xạ của ánh sáng mặt trời hoặc tia chớp thâm nhập vào khu vực bảo vệ. Đầu báo phải được che chắn tránh hướng về hơi chất hữu cơ có thể hấp thu bức xạ, và lắp đặt ở những vị trí không xoay về hướng tia lửa hàn hoặc thiết bị điện áp cao.
Để giảm bớt khả năng báo giả, đầu báo tử ngoại thường thiết kế kèm chức năng trễ 2-3 giây.
Đầu báo lửa hồng ngoại (IR)
Bức xạ hồng ngoại (IR) tồn tại ở hầu hết các ngọn lửa. Nhiệt độ của ngọn lửa và sự hội tụ khí nóng của lửa (các sản phẩm cháy) phát ra một loại quang phổ đặc trưng có thể dễ dàng phát hiện bởi công nghệ cảm biến hồng ngoại.
Tuy nhiên lửa không phải là nguồn duy nhất phát ra bức xạ hồng ngoại, trong thực tế bất kỳ bề mặt nóng nào (như bếp lò, đèn sợi đốt, đèn halogen, lò sưởi và bức xạ mặt trời) cũng có thể phát ra bức xạ hồng ngoại có những bước sóng trùng với bức xạ hồng ngoại của ngọn lửa.
Vậy làm sao có thể phân biệt phân biệt quang phổ hồng ngoại của lửa với quang phổ hồng ngoại của những nguồn khác? Các nghiên cứu cho thấy ngọn lửa nhấp nháy (bập bùng) có bức xạ hồng ngoại bước sóng 4.4 μm (micrometre) và một giải sóng điện tần số thấp (1-10 Hz) (ứng với tần số bập bùng của lửa). Do vậy hầu hết các đầu báo lửa hồng ngoại đơn sử dụng cảm biến pyroelectric với một bộ lọc quang học chỉ cho bước sóng 4.4 μm và dải tần số 1-10 Hz đi qua.
Loại đầu báo này được thiết kế để nhận ra đám cháy khi bức xạ hồng ngoại 4.4 μm, phát ra từ một đám cháy của chảo xăng diện tích 0.1m2 (1ft2) ở khoảng cách 15 m, vượt qua một giá trị định trước.
Đầu báo IR đơn tần chỉ phản hồi với một cường độ bức xạ nhấp nháy nhất định tại bước sóng 4.4 μm. Vì vậy chúng rất nhạy với bức xạ nhiệt điện từ biến điệu hoặc nhấp nháy. Trong một số điều kiện nhất định, hiện tượng nhấp nháy gây ra bởi những thứ như ánh sáng lung linh của nước, đèn xoay, bức xạ nhiệt ngắt quãng… có thể được hiểu là cháy bởi loại đầu báo IR đơn tần. Những nguồn bức xạ không phải của lửa sẽ làm cho loại đầu báo này báo giả theo những điều kiện nêu trên đây.
Đầu báo lửa IR đơn được sử dụng chủ yếu trong nhà. Tuy nhiên chúng cũng có thể sử dụng ngoài trời với một khoảng cách bảo vệ ngắn (tới 20m) và ở những khu vực mà các khả năng gây ra báo gỉa (như nêu trên) không xuất hiện. Để cải thiện độ tin cậy của chúng, một mạch kiểm tra (Built-in-test (BIT)) được tích hợp bên trong đầu báo.
Thời gian đáp ứng thông thường của đầu báo lửa hồng ngoại là 3-5 giây.
Để giảm thiểu hoặc loại trừ khả năng báo giả, công nghệ bước sóng kép (dual wavelength) được áp dụng cho đầu báo lửa quang học. Công nghệ bước sóng kép có 2 nhánh chính là UV/IR và IR/IR.
Đầu báo lửa UV/IR
Đầu báo lửa UV/IR sử dụng kết hợp cả công nghệ tử ngoại và hồng ngoại để dò tìm cháy.
Cảm biến tử ngoại (UV) chính nó là một đầu dò lửa rất nhạy, nhưng nó lại dễ dàng bị kích hoạt báo động bởi tia lửa hàn, chớp, tia X, bức xạ mặt trời,…
Để ngăn chặn việc báo động bởi những nguồn này một cảm biến kênh hồng ngoại (IR) được thêm vào làm việc ở dải quang phổ 2.7 μm hoặc 4.1 – 4.6 μm.
Đầu báo UV/IR thu thập thông tin dữ liệu tử ngoại và dữ liệu hồng ngoại. Khi cả hai công nghệ làm việc cùng nhau thì báo giả sẽ được giảm đến mức tối thiểu và được coi là khá tin cậy đối với hầu hết các ứng dụng tầm trung
Tuy nhiên ngay cả công nghệ tiên tiến này cũng có những hạn chế của nó, vì mỗi loại lửa có một tỷ lệ cụ thế của bức xạ tử ngoại và hồng ngoại. Ví dụ, ngoạn lửa Hydrogen tạo ra nhiều bức xạ tử ngoại với rất ít hồng ngoại, trong khi lửa than tạo ra rất ít bức xạ tử ngoại nhưng rất nhiều hồng ngoại. Do vậy đầu báo UV/IR phải kết hợp cả hai tín hiệu và so sánh chúng để nhận ra dấu hiệu cháy từ những kích thích báo động giả.
Để đảm bảo độ tin cậy của đầu báo, một mạch phân tích so sánh ngưỡng tín hiệu bức xạ tử ngoại, ngưỡng tín hiệu hồng ngoại, tỷ lệ của chúng cũng như kiểu nhấp nháy. Chỉ khi tất cả các thông số đáp ứng các thuật toán phù hợp một tín hiệu báo cháy mới được xác nhận.
Tuy nhiên, như đã trình bày ở các phần trên, đầu dò UV và IR đều có thể bị báo giả bởi những nguồn bức xạ không phải lửa. Nếu những nguồn báo giả này tác động cả hai kênh UV và IR đồng thời, có thể tạo ra tình huống như khi có cháy. Ví dụ, bức xạ tử ngoại không mong muốn của mặt trời kết hợp với nguồn hồng ngoại không ổn định (như sự di chuyển của các đối tượng phía trước nguồn nóng) là nguy cơ gây ra các đầu báo UV/IR báo động giả.
Đầu báo lửa IR/IR (IR2)
Để loại bỏ các báo động sai, công nghệ bước sóng kép kết hợp hai dãy quang phổ hẹp trong vùng quang phổ hồng ngoại gần đã được lựa chọn cho đầu báo lửa kép IR/IR.
Các nghiên cứu chỉ ra rằng ngọn lửa hydrocarbon phát ra năng lượng có tính chất liên tục trong vùng hồng ngoại gần và một đỉnh duy nhất tại khoảng sóng 4.3 – 4.5 μm (gây ra bởi CO2 nóng – sản phẩm của cháy), vì vậy các đặc tính này là "trái tim" của hầu hết các dò IR kép.
Đầu báo IR/IR dò tìm và phân tích sự khác biệt cường độ của hai dải quang phổ hồng ngoại. Hai dải quang phổ được lựa chọn phổ biến nhất gồm một dải 4,2 – 4.7 μm và một dải tham chiếu khác trong phạm vi 3,8 – 4.1 μm dùng để giám sát năng lượng nền.
Đầu dò loại này cảm nhận bức xạ hồng ngoại tại hai kênh và quá trình phân tích tín hiệu đầu vào dựa trên các thông số sau đây:
• Phân tích sự nhấp nháy.
• Cường độ bức xạ trên một ngưỡng nhất định.
• Tỷ lệ giữa hai tín hiệu nhận được ở hai cảm biến.
Tuy nhiên, do hầu hết các đầu báo IR kép sử dụng cảm biến 4.3-4.4 μm cho kênh chính để phát hiện cháy, bức xạ này bị suy giảm trong khí quyển, đặc biệt là khi áp dụng dò tìm ở khoảng cách xa.
Đầu báo lửa IR/IR/IR (IR3).
Đầu báo lửa IR3 là đầu báo hồng ngoại “3 trong 1”, sử dụng kết hợp 3 cảm biến hồng ngoại (IR) theo dõi 3 dải bước sóng riêng biệt trong vùng hồng ngoại và so sánh tỷ lệ giữa chúng với nhau
Một đầu cảm biến theo dõi ở phạm vi bước sóng 4.4 μm (bức xạ của khí CO2 nóng được tạo ra trong quá trình cháy), các cảm biến khác tham chiếu ở dãy bước sóng liền kề phía trên và phía dưới, khu vực bức xạ của blackbody (gây ra bởi bếp lò, lò sưởi, đèn sợi đốt, đèn halogen…) và của bức xạ nền (background).
Trong khi đầu cảm biến ở dải bức xạ của CO2 có nhiệm vụ phát hiện bức xạ của lửa, thì các đầu cảm biến khác cảm nhận tất cả bức xạ không phải của lửa. Đầu báo IR3 sẽ phân tích cường độ, tỷ lệ, sự tương quan, giá trị ngưỡng và tín hiệu nhấp nháy của bức xạ thu được từ ba cảm biến này.
Kết quả là đầu báo IR3 có phạm vi bảo vệ lớn và khả năng chống báo giả cao. Đầu báo IR3 có thể phát hiện lửa của một chảo dầu kích thước 0.1m2 tại khoảng cách xa đến 65m trong thời gian dưới 6 giây.
Đầu báo lửa IR3 có độ nhạy cao, phạm vi phát hiện lớn, trong khi khả năng giảm thiểu báo động giả được duy trì. So sánh về phạm vi bảo vệ, đầu báo lửa hồng ngoại tiêu chuẩn có phạm vi bảo vệ 15-20m, trong khi đầu báo lửa IR3 cho phép mở rộng phạm vi phát hiện lên tới 65m.
Đầu báo lửa IR3 sẽ không báo động giả với bất kỳ bức xạ liên tục, biến điệu hay dao động của những nguồn khác với lửa (bao gồm bất kỳ nguồn khác như bức xạ của blackbody hay graybody)
Nếu so sánh với đầu báo lửa UV/IR hoặc IR/IR thì đầu báo lửa IR3 mặc dù có chi phí cao hơn một chút, nhưng rất hiệu quả vì IR3 cung cấp một phạm vi bảo vệ mở rộng do vậy cho phép sử dụng ít đầu báo hơn.
Kỹ thuật này đã được mở rộng để phát hiện ngọn lửa không nhìn thấy từ đám cháy của Hydrogen. Ở đây đầu dò phát hiện ra sự giải phóng H2O điển hình của đám cháy H2, trong khi 2 đầu dò nền đảm bảo không cò sự báo giả.
Một số đầu báo lửa Quad-IR sử dụng 2 đầu dò phát hiện và 2 đầu dò bức xạ nền để phát hiện hydrocarbons và hydrogen.
Đầu báo khí Gas (Gas Detector)
Đầu báo gas là thiết bị dùng để phát hiện ra sự hiện diện của các loại khí khác nhau trong khu vực bảo vệ, nó là một phần của hệ thống an toàn. Đầu báo gas được dùng để phát hiện ra sự rò rỉ của khí và kết nối với hệ thống điều khiển để thực hiện quá trình tự động ngắt nguồn cung cấp khí hoặc phát tín hiệu báo động.
Đầu báo gas cũng có thể tích hợp còi báo động tại chỗ để thực hiện sơ tán an toàn, điều này rất quan trọng vì với một lượng khí lớn có thể gây ra cháy nổ hoặc làm tổn hại đến sức khoẻ của người và động vật.
Đầu báo gas có thể phát hiện ra các loại khí nhiên liệu cháy, khí dễ cháy và khí độc.
Đầu báo gas đo sự tập trung của khí, nếu như nồng độ khí vượt quá ngưỡng định trước thì báo động hoặc tín hiệu báo động sẽ được kích hoạt. Đầu báo gas có thể là loại cầm tay hoặc gắn cố định.
Trước đây, đầu báo được sản xuất để chỉ có thể phát hiện một loại khí, nhưng những đầu báo gas hiện đại cho phép phát hiện nhiều loại khí độc, khí đốt, hoặc thậm chí kết hợp cả hai.
Hộp báo cháy bằng tay (Manual Call Point):
Hộp báo cháy bằng tay dùng để báo động trong những trường hợp khẩn cấp, được lắp tại những vị trí dễ quan sát, nơi có nhiều qua lại như hành lang, cầu thang, lối thóat nạn…
Hộp báo cháy bằng tay thực chất là một công tắc điện dạng thường hở (NO), khi bị tác động công tắc này sẽ đóng mạch kích hoạt tín hiệu gửi về trung tâm báo cháy.
Hộp báo cháy bằng tay thường được thiết kế để hạn chế những tác động không mong muốn.
Hộp báo cháy bằng tay có nhiều dạng như nhấn, đập vỡ tấm kính, hoặc kéo chốt…
