استفاده از روش‌های شناسایی نوری جهت تشخیص گازهای حاصل از حریق و شعله آتش
- شناسه خبر: 33038
- تاریخ و زمان ارسال: 3 خرداد 1400 ساعت 9:37
- مقدمه
اصولا تکنولوژی تشخیص آتش بر پایه تشخیص حرارت، دود یا اشیا معلق و شعله یا نور استوار است که این سه مورد از جمله ویژگی‌های اصلی آتش محسوب می‌شوند. بر همین اساس حس گرهایی به منظور تشخیص این فاکتورهای آتش، جهت شناسایی آن به کاربرده شده است. نکته حائز اهمیت پیرامون این سه مشخصه این است که حرارت و دود یا مدت زمان نسبتاً زیادی طول می‌کشد تا مقدارشان به یک حد مطلوب جهت شناسایی برسد و یا بعد از تشکیل خیلی زود پراکنده می‌شوند. مشخصه شعله علاوه بر نداشتن محدودیت این دو، با توجه به استفاده از حس گر‌های نوری، زمان پاسخ و تشخیصی در حد چند ثانیه دارد. البته محدودیت این مشخصه هم در عدم وجود شعله و نور، در مورد برخی از انواع خاص آتش‌هاست. از طرفی شناسایی گازهای حاصل از اشتعال یکی از اصلی ترین فاکتور‌ها برای حفظ سلامتی انسان‌های حاضر در محل می‌باشد. به دلیل آنکه در لحظه ی وقوع آتش سوزی زمان بسیار محدود است، لذا نیازمند حسگری کوچک، دقیق و قابل حمل و با پاسخ بسیار سریع به شدت احساس میشود. در این مقاله سعی شده است ابتدا با تاکید بر اهمیت آشکارسازهای نوری جهت کنترل آتش، به انواع روش‌های مرسوم مورد استفاده آن پرداخته شود، سپس جزییاتی در رابطه با نحوه شناسایی گازهای حاصل از آتش با تاکید بر گاز CO به عنوان یکی از مهم ترین گازهای حاصل، صورت پذیرد.
- معرفی
روش‌های نوری یکی از قدیمی ترین و پرکاربرد ترین روش‌های شناسایی گازهاست که به دلیل داشتن مزایایی چون ساده بودن روش، کاربردی بودن از جهت شناسایی و تعیین غلظت گازها، دقت و حساسیت قابل قبول، قیمت مناسب، پاسخ سریع، قابلیت تجمیع با سایر ادوات اندازه گیری، همواره مورد توجه بوده است. روش‌های شناسایی نوری دارای تنوع بالایی بوده و از جهات مختلفی چون تکنیک شناسایی، ساختار سیستم، مکانیزم اندازه گیری، حوزه کاری در طیف الکترومغناطیس و… تقسیم بندی می‌شوند.
به طور کلی موارد استفاده از آشکارسازهای نوری آتش شامل موارد زیر میشود:
- مکان‌هایی که تجمع مواد قابل احتراق زیاد باشد
- مکان‌هایی که نیاز به تشخیص آنی شعله باشد
- مکان‌هایی که نیاز به کنترل به صورت خودکار و بدون نیاز به دخالت انسان باشد
مثال عملی این موارد شامل مکان‌های حمل و نقل مواد پتروشیمی مثل بنزین، ایستگاه‌های متصل به خط لوله گاز و نفت، پالایشگاه‌ها، محفظه‌های تست موتور جت، محل نگهداری هواپیما، مکان‌های مستعد آتش سوزی در خانه‌ها و بسیاری موارد دیگر می‌باشد[۱].
در حال حاضر آشکار سازی نوری شعله معمولا به سه طریق صورت می‌گیرد که شامل اندازه گیری در طیف‌های مادون قرمز[۱]، فرابنفش[۲] و یا ترکیب این دو می‌باشد. آشکارسازهای بر پایه مادون قرمز خود شامل نوع تک فرکانس[۳] و چند طیفی[۴] میشود. در نوع تک فرکانس، آشکارساز به محدوده باریکی اطراف mµ ۴/۴ که باند تابشی غالب برای شعله سوخت‌های هیدرو کربن‌هاست، حساسیت نشان می‌دهد. این نوع از آشکارساز‌ها حاوی حس گر پایروالکتریک[۵] بوده که قابلیت پاسخ دهی مناسبی به تغییرات شدت تابش مادون قرمز را دارد. این نوع حسگرها دارای محدودیت‌هایی نیز می‌باشند که مهم ترین آن عدم پاسخ دهی مناسب به شعله‌های لرزان[۶] به دلیل تک فرکانس بودن آن است[۱].
در نوع چند طیفی، آَشکارساز شامل سه حس گر بوده که هرکدام به ناحیه فرکانسی خاصی حساس هستند. باتوجه به این امر، در یک طول موج خاص شدت سیگنال دریافت شده توسط یکی از حس گرها، بیشتر از دوتای دیگر است. لذا مدار الکترونیکی موجود در آشکارساز این تفاوت را تشخیص داده و تا حد زیادی امکان وقوع خطا، توسط آشکارساز را کم می‌کند[۱]. در مورد آشکارسازهای مادون قرمز ذکر این نکته ضروری است که با شروع آتش سوزی، آشکارساز قابلیت شناسایی شعله را حتی در صورت قرار نگرفتن در دید مستقیم با شعله با دقت بالایی دارد [۲].
در مورد استفاده از آشکارسازهای حوزه فرابنفش باید توجه داشت که با توجه به اینکه تابش نور خورشید هم در این ناحیه قرار می‌گیرد، اگر طیف قابل تشخیص حس گر وسیع طراحی شود، می‌تواند موجب اخلال در کار حس گر شود و لذا صرفا برای موارد سر پوشیده قابل استفاده است. یدین منظور معمولاً ناحیه پوشش دهنده این نوع از سنسورها بینnm ۱۸۰ تاnm 250 است که تابش خورشید در این بازه طول موجی وارد اتمسفر زمین نمی شود. مزیت اصلی این گروه از حس گرها، پاسخ مناسب به هیدروکربن‌ها، هیدروژن و شعله فلزات است و محدودیت آن احتمال پاسخ به شعله جوش کاری، جرقه، رعد و برق و اشعه ایکس است. در مجموع حساسیت حوزه فرابنفش نسبت به مادون قرمز شامل موارد بیشتری میشود[۱].
- اساس کار حس گر‌های نوری
اساس اندازه گیری‌های نوری می‌تواند به صورت‌های مختلفی انجام شود که مهم ترین آن‌ها شناسایی گازها بر پایه وقوع بازتاب، نشر و جذب می‌باشد. در طیف سنجی بر پایه بازتاب، ساختار سیستم شناسایی به گونه ای است که کار تحلیل بر روی پرتوی بازتابیده شده ناشی از تداخل با گاز صورت می‌گیرد. در حالت وقوع نشر، گاز در اثر اعمال تابش الکترومغناطیس، برانگیخته شده که این برانگیختگی می‌تواند منجر به تابش نور در همان طول موج یا طول موج‌های دیگر میشود. در حالت جذب هم پس از تداخل نور با گاز و بر اساس میزان نور جذب شده توسط گاز، کار شناسایی انجام میشود. در بین این روش‌ها، طیف سنجی بر پایه جذب به دلیل سادگی و قدرت تفکیک بالا، از جایگاه ویژه ای برخوردار است که در ادامه به بررسی این روش پرداخته میشود[۳].
با توجه به این امر که هر گازی طیف جذب مخصوص به خودش را داراست و منحصر به خودش میشود، می‌توان نوع گاز مورد نظر را با دقت نسبتاً بالا شناسایی کرد. به عنوان مثال گاز CO به عنوان یکی از ترکیبات هیدروکربنی و از مهم ترین گازهای حاصل از آتش است که طیف جذب آن در گستره الکترومغناطیس در شکل (۱) نشان داده شده است[۴].
شکل (۱) محدوده جذب مربوط به گاز CO در طیف الکترو مغناطیس[۴]
همانطور که در شکل (۱) نشان داده شده است محدوده جذب گاز CO (بیشترین پیک) در رنجm µ ۵-۴٫۵ است، لذا با دانستن این موضوع و استفاده از یک چیدمان نوری شامل منبع نور و آشکارساز مناسب با گستره جذب گاز مورد نظر می‌توان کار شناسایی گازهای حاصل از آتش سوزی را انجام داد[۴].
برای محاسبه غلظت گاز موجود بر اساس شناسایی نوری بر پایه جذب از قانون Beer-Lambert یا تعمیم یافته آن استفاده میشود[۵].
- I(λ)=
در رابطه (۱)، I(λ) شدت امواج رسیده به آشکارساز، شدت موج اولیه، ثابت طیف جذبی[۷] که برای هرماده ای منحصر به فرد است، C غلظت گاز و L طول مسیر نوری می‌باشند. با دانستن متغیر‌های مختلف، مقدار غلظت گاز مورد نظر، قابل شناسایی است[۵].
اساس کار حس گر‌های نوری بر چایه جذب در شکل (۲) آورده شده است.
شکل (۲)- طرح واره نحوه شناسایی گاز توسط سیستم‌های نوری[۶]
همان طور که در شکل (۲) مشخص است، در ساختار مورد نظر یک منبع نور وجود دارد که در ناحیه جذب گاز مورد نظر پرتو‌هایی را منتشر می‌کند. پرتوی نور تولید شده با گاز مورد نظر برخورد کرده و طول موج منحصر به آن گاز جذب شده و باقی پرتو‌ها به آشکارساز برخورد کرده و با توجه به شدت پرتو، یک سیگنال الکتریکی تولید شده که می‌توان از روی آن غلظت گاز را محاسبه نمود[۶].
- نتیجه گیری
وجود مکان‌های مساعد آتش سوزی و شرایط به وجود آورنده آن امری اجتناب ناپذیر در جهان پیرامون ما است. لذا شناخت و انتخاب روش‌های مناسب جهت مقابله، تشخیص و کنترل به موقع آتش، از ضروریات مهم زندگی امروز به شمار می‌رود. با توجه به قابلیت‌های ذکر شده برای آشکارسازهای نوری، از جمله کاربردهای آن برای موقعیت‌های مختلف، به خصوص در کاربردهای ساده و ارزان، قابلیت تشخیص طیف گسترده گازهای مربوط به شعله و شناسایی و پاسخ سریع، آن می‌باشد. در مجموع با توجه به شرایط متفاوت کاربری باید نوع آشکارسازهای نوری متناسب آن را نیز انتخاب کرد.
[۱] Infra Red
[۲] Ultra Violet
[۳] single frequency
[۴] multi spectrum
[۵] pyroelectric
[۶] flickering fire
[۷] Absorbtion coefficient
