Чувствительность пожарных извещателей к различным типам дыма, пыли, пару и аэрозолям. Часть 1

А. Зайцев
независимый эксперт

Статья опубликована: в журнале "Алгоритм безопасности" №3, 2012

Продолжая тему, поднятую в первом номере данного журнала, о реальной, а не технологической чувствительности дымовых пожарных извещателей к различным типам дыма, хотелось бы рассмотреть некоторые особенности самих дымовых извещателей в части обнаружения этих типов дыма.

Принято считать, что дерево и хлопок при горении образуют белый дым, а пенополиуретан и изделия из ПВХ черный, а сами дымовые извещатели, использующие оптические средства обнаружения, реагируют по-разному на дым разных цветов. Это связывают с различными уровнями оптической плотности различных типов дыма от различных горючих материалов. Обычно считается, что огонь, горящий открытым пламенем, образует дым, по большей части состоящий из частиц субмикронного диаметра, в отличие от тлеющего огня, образующего частицы намного более крупного размера. Могут ли современные дымовые извещатели иметь к ним равномерную чувствительность и при этом исключать реагирование на пыль, пары и аэрозоли.

Данная статья состоит из трех частей: введение в теорию оптической регистрации продуктов горения, существующее состояние регистрации дыма в пожарных из- вещателях и перспективные направления развития дымовых пожарных извещателей. Надеюсь, что читатели на основании данных материалов смогут сами научиться отличать действительно профессиональные качественные дымовые извещатели от их дешевых подобий.

Сам факт горения различных материалов характеризуется не изменением оптической плотности среды, как это многие считают, а наличием определенной концентрации продуктов горения в виде частичек углерода. Изменение же оптической плотности среды при горении - это уже следствие наличия какой-то концентрации этих частичек.

Таким образом, основной задачей при выявлении наличия возгорания является оценка концентрации частиц дыма.

Ионизационные точечные пожарные извещатели изначально по своему принципу работы определяли именно достижение предельной концентрации частиц в контролируемых помещениях. Применение пришедших им на смену дымовых точечных оптико-электронных пожарных извещателей основано на попытке увязать изменение концентрации продуктов горения с оптической плотностью среды во время горения каких-либо материалов. Безусловно, взаимосвязь между концентрацией продуктов горения и оптической плотностью среды имеется, но для каждого вида пожарной нагрузки она разная, что и показал многолетний опыт использования извещателей данного типа. Определяется же взаимосвязь именно размерами самих частиц продуктов горения.

Характеристики дыма зависят от состава горючего материала, режима горения (тление или горение открытым пламенем) и степени смешения с окружающим воздухом (разбавления). Эти факторы определяют такие характеристики продуктов горения, как размер образующихся частиц, распределение, состав, концентрация, коэффициенты преломления, поглощения и отражения и др.

Перенос дыма от огня к месту расположения извещателей осуществляется султанами и потолочными струйными потоками. В процессе переноса дыма происходит изменение его характеристик, в частности, размеров его частиц, в основном из-за осаждения и агломерации (спекании). Известно, что при охлаждении дыма более мелкие частицы агломерируются, т.е. с течением времени образуют более крупные частицы («старение» дыма), что в свою очередь ведет к снижению их концентрации.

Вследствие этого оптико-электронные извещатели должны иметь равномерную чувствительность к различным размерам частиц дыма.

Немаловажный вопрос перспективного применения оптико-электронных пожарных извещателеи связан с возможностью реагирования на дым, выделяемый при горении древесины.

Тестовый пожар, характеризуемый горением древесины, изначально был предусмотрен как в EN 54 часть 9:1982 г. «Components of automatic fire detection systems, Part 9. Methods of tests sensitivity to fire», так и в ГОСТ Р 50898 96 «Извещатели пожарные. Огневые испытания» и был обозначен как TF1/ТП1.

В силу ряда трудностей, обуслов¬ленных малыми размерами частиц, обра¬зующихся при данном виде горения, при тестировании оптико-электронных пожар¬ных извещателей он не был включен в EN 54 часть 7:1982 г. «Fire detection and fire alarm systems – Part 7:Smoke detectors – Point detectors using scattered light, transmitted light or ionization», а также в ГОСТ Р 53325-2009 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики». Но разработки последних лет показывают, что в ближайшие годы вполне возможно включение данного теста в сертификационные испытания и для оптико-электронных пожарных извещателей.

Как отечественной, так и зарубежной промышленностью освоен выпуск большого количества измерительных приборов, позволяющих определять размеры частиц в данном диапазоне и их концентрацию, в частности, для замеров запыленности атмосферного воздуха. Считается, что почти 99% количественного состава частиц атмосферной пыли имеет размер порядка 1 мкм, что чуть больше размеров частиц дыма. Но если для промышленных измерителей концентрации малых частиц подчас при проведении замеров не стоит задача провести селекцию одних частиц от других, то для оптико-электронных пожарных извещателей эта задача выходит на первый план наравне с высокой обнаружи- тельной способностью к различным типам дыма. Вызвано это необходимостью их функционирования не в лабораторных условиях при исследовании каких- либо проб, а в реальных помещениях, где помимо всего могут находиться взвешенные частицы пыли, аэрозоли или пара, которые могут попадать в зону измерений оптической системы извещателя и вызывать их срабатывание. Результаты работ последних лет подтвердили реальность такой задачи.

Наличие в пожарных извещателях механизма селекции обнаруженных частиц по их размерам позволяет в значительной мере стабилизировать их работу при самой минимальной концентрации продуктов горения. Это, в свою очередь, предоставляет возможность поднять реальную чувствительность извещателя, тем самым реализовав принцип раннего обнаружения при одновременном снижении вероятности ложных срабатываний.

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ. ТЕОРИЯ РАССЕЯНИЯ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

Чтобы понять, с какими продуктами горения работают пожарные извещатели, в первую очередь нужно упомянуть усредненные размеры частиц дыма (D), образующиеся при горении различных материалов:

• при горении древесины (ТП1) выделяются частицы размеров 0,1 мкм;
• при тлении хлопкового шнура (ТП3) выделяются частицы размером 0,15 мкм;
• при горении пенополиуретана (ТП4) и Н-гептана (ТП5) выделяются частицы размером 0,2 мкм;
• при тлении древесины (ТП2) формируются частицы размером 0,45 мкм.

Сразу же здесь имеет смысл пояснить определения основных величин, которые будут в дальнейшем использоваться.

Под интенсивностью рассеяния I понимается квадрат вещественной амплитуды электрического вектора. От значения уровня интенсивности напрямую зависит уровень сигнала на выходе фотоприемника извещателя.

Основной характеристикой для определения распределения интенсивности рассеяния I является относительный параметр q=Π D/λ , характеризующий соотношение размеров частиц к длине волны светоизлучателя.

Точка наблюдения Ɵ - это угол, измеренный между направлением падающего света и местом размещения фотоприемника. При размещении фотоприемника в зоне прямого луча Ɵ = 0°.

Первоначально попытку объяснить, почему небо синее, а облака белые, предпринял лорд Рэлей (John Williams Strutt) в опубликованной работе в 1871 г., посвященной когерентному рассеянию света, названному рэлеевским рассеянием.

Для частиц, размеры которых превышают порядка десятков длин волн, действуют законы оптики, основанные уже на зонах А. Ж. Френеля, который и получил свою известность в большей степени именно за теорию дифракции. Кстати, именно ему мы обязаны описанием того, как радиоволны могут огибать препятствия.

Для описания дифракции на частицах, отличных от сфер, иногда применяется теория И. Фраунгофера. Но даже при всей ее универсальности и повышенной точности получаемых результатов, все дальнейшие теоретические изыскания в области малых частиц основаны все-таки, как это ни странно, на работах Ми.

МИ-ТЕОРИЯ

Теория рассеяния световой волны частицами малых размеров подробно разработана Густавом Ми (G. Mie) в 1908 г. и получила название МИ-Теория - теория рассеяния (дифракции) плоской электромагнитной волны на однородной сфере произвольного размера [1]. Сама теория МИ создана на базе электромагнитной теории Д. К. Максвелла (1831-1879 гг.), в основе которой лежит его известная система уравнений.

Плоскую электромагнитную волну, облучающую сферу, которой в данном случае выступает частица дыма, можно представить как суперпозицию сферических волн, выходящих из центра сферы. Каждая из этих элементарных волн поляризует сферу и возбуждает в ней вторичную волну, которая излучается сферой. Эти вторичные волны называются парциальными волнами Ми, именно они и образуют рассеянный свет [2].

Из данной теории следует, что за исключением случаев с большой проводимостью или диэлектрической проницаемостью интенсивность рассеянного света I достигает максимума как в направлении, совпадающем с направлением падающего света Ɵ = 0°, так и в обратном направлении Ɵ = 180° и имеет минимум в плоскости симметрии Ɵ = 90°. При увеличении радиуса сферы частиц наблюдаются отклонения от симметрии, причем в направлении падения рассеивается больше света, чем в обратном направлении [3].

Это явление еще часто называют эффектом Ми. При дальнейшем увеличении размера частиц практически весь рассеянный свет будет распространяться в направлении, близком к Ɵ = 0°. Однако если радиус сферы очень велик по сравнению с длиной волны, то, как следует из геометрической оптики, большая часть падающего света отражается.

Хотя решение, предложенное Ми, получено для дифракции на одной сфере, оно применимо также к дифракции на любом числе сфер при условии, что все они имеют одинаковый диаметр и одинаковый состав, распределены хаотически и находятся друг от друга на расстояниях, больших по сравнению с длиной волны.

Надо отметить, что частицы дыма по форме достаточно далеки от сферы, и одни, образовавшиеся в результате горения с высокой температурой, имеют несколько иную форму и удельную электропроводность, чем другие, образовавшиеся в результате тлеющего очага с низкой температурой и которые вообще больше похоже на вытянутые диполи, имеющие низкую удельную электропроводность, что, естественно, влияет на точность конечных результатов.

Необходимо отметить, что природу рассеяния частицами дыма на основании теории МИ действительно приходится исследовать в достаточно приближенной форме без учета коэффициентов поглощения и отражения, которые на практике могут вносить серьезную коррекцию в конечные результаты [4].

Рис. 1. Распределение интенсивности рассеяния в зависимости от параметра q

На рисунке 1 представлено распределение интенсивностей для различных значений д для диэлектрических сфер с показателем преломления порядка 1,25. Именно на эти диаграммы в большинстве своем ссылаются при описании процессов при оценке концентрации тех или иных частиц малых размеров.

Из рисунка становится видно, чем больше отношение диаметра частиц к длине волны светоизлучателя, т.е. с возрастанием параметра q, тем больше энергии рассеивается вперед по ходу движения электромагнитной волны. Процесс смещения интенсивности вперед по ходу движения электромагнитной волны становится ярко выраженным уже для значений q более 0,8.

Характерной особенностью при увеличении радиуса частиц является появление боковых излучений вторичных волн, примерно так же, как у направленных антенн. Появление такого ряда максимумов и минимумов при больших значениях q хорошо объясняется теорией Гюйгенса- Кирхгофа. Их местонахождение на полярных диаграммах в обеих плоскостях и амплитуда зависит от конкретных значений размеров и формы каждой отдельно взятой частицы. При наличии в объеме этих частиц более одной эти максимумы и минимумы излучения усредняются в пределах 20-35° телесного угла. Т.е. в реальных условиях анализа концентрации частиц этих выбросов в значениях интенсивности рассеяния можно и не обнаружить, в том числе и за счет некоторого отличия между собой размеров частиц.

Рис. 2. Характерные точки наблюдения и распределение интенсивности рассеяния в зависимости от параметра q
 

Характерными точками наблюдения при изучении данного процесса являются (рис. 2) : зона прямого рассеяния (Ɵ = 0°), зона бокового рассеяния (Ɵ = 90°) и зона обратного рассеяния (Ɵ = 180°), зона прямого луча во внимание не принимается.

ЗАВИСИМОСТЬ УРОВНЯ ИНТЕНСИВНОСТИ РАССЕЯНИЯ ОТ ВЫБРАННОЙ ТОЧКИ НАБЛЮДЕНИЯ И ЦВЕТА СВЕТОИЗЛУЧАТЕЛЯ

Посмотрим, как будет меняться параметр q, а в соответствии с ним и направленность рассеяния отраженной энергии для различных размеров частиц.

Выполним эту операцию (рис. 3) для двух крайних цветов видимого диапазона волн - красного q_красн.) и синего q_синий)- Длина волны красного цвета составляет 0,75 мкм, а синего 0,45 мкм.

Рис. 3. Зависимость параметра q от размеров частиц для красного и синего цвета

Таким образом, в случае использования красного излучателя, уже начиная с частиц с размерами более 0,2 мкм (q = 0,8), имеем повышенную интенсивность рассеяния I по направлению хода движения электромагнитной волны, в то время как для частиц с размерами менее 0,2 мкм это смещение еще мало выражено (рис. 1) .

В случае использования синего излучателя имеем еще более выраженное смещение рассеяния вперед и уже для всех размеров в установленном диапазоне, но и неравномерность интенсивности рассеяния Δ1 становится более однородной для всех этих размеров частиц.

На основании данных, приведенных в таблице 13.4 [3] для диэлектрических сфер с показателем преломления равным 1,25, путем умножения этих значений на величину 1/q² можно вычислить значения интенсивности рассеяния I от одной такой сферы для различных точек наблюдения и для различных значений размеров частиц (рис. 4) , в том числе пыли, пара и аэрозолей с размерами частиц 1,0-10,0 мкм. Одновременно с этим можно оценить и неравномерность распределения интенсивности рассеяния I_max/I_min.

Рис. 4. Зависимость уровня интенсивности рассеяния от выбранной точки наблюдения и цвета светоизлучателя
 

Из рисунка 4 видно, насколько значение интенсивности рассеяния I по направлению прямого рассеяния с Ɵ =0° для частиц пыли, аэрозоли и пара превышает аналогичные значения для частиц всех типов дыма.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ВЫБОРА ТОЧКИ НАБЛЮДЕНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ РАССЕЯНИЯ ОТ ЧАСТИЦ ПЫЛИ, ПАРА И АЭРОЗОЛЕЙ

Данная взаимосвязь как раз и является причиной повышенной чувствительности пожарных извещателей к частицам пыли с размерами от 1,0 до 8-10 мкм, с максимумом для частиц с размером порядка 5,0 мкм и причиной необходимости учета размеров обнаруженных частиц при принятии решения о наличии предельной концентрации частиц продуктов горения (рис. 5) .

Рис. 5. Зависимость интенсивности рассеяния от выбранных точек наблюдения Ɵ = 30°, Ɵ = 60°, Ɵ = 90° для частиц разных размеров и излучателей с разной длинной

Т.е. при измерении концентрации продуктов горения нужно учитывать размеры самих обнаруженных частиц, чтобы исключить влияние частиц, не имеющих отношения к горению.

Теперь имеет смысл сравнить неравномерность интенсивности рассеяния для различных точек наблюдения, но уже с учетом предельной концентрации частиц дыма на фоне одиночных частиц пыли, пара или аэрозоли. Значение предельной концентрации, характерной для каждого тестового пожара, получаем путем умножения значения интенсивности рассеяния от одной частицы на предельную концентрацию этих частиц в соответствии с приложением Л ГОСТ Р 50898-96 «Извещатели пожарные. Огневые испытания», что и позволяет делать теория МИ (рис. 6) . Это нужно сделать, чтобы понять, какой суммарный уровень интенсивности рассеяния будет предельным для частиц различных значений и как он будет соизмеряться с интенсивностью рассеяния от пыли, пара и аэрозоли.

Рис. 6. Зависимость уровня интенсивности рассеяния от выбранной точки наблюдения и цвета светоизлучателя с учетом предельной концентрации при огневых испытаниях
 

Конечно, здесь надо не забывать, что имеющуюся погрешность, но с некоторым приближением, эти результаты показывают достаточно верно.

Из рисунка 6 видно, что применение синего излучателя значительно (более чем на порядок) повышает уровень интенсивности рассеяния от малых частиц с размерами 0,1-0,15 мкм, особенно в зоне прямого рассеяния с Ɵ = 0°. При этом именно за счет повышения уровня интенсивности рассеяния от частиц с малыми размерами значительно снижается (более чем на порядок в зоне прямого рассеяния) неравномерность интенсивности рассеяния для различных тестовых пожаров.

Рис. 7. Селекция частиц по размерам в зависимости от интенсивности рассеяния света с разной длиной волны

Минимальная неравномерность характерна для красного и синего излучателей в зоне обратного рассеяния с Ɵ = 180°, но при этом одновременно и абсолютные значения интенсивности тоже имеют минимальные значения. В промышленных измерителях концентрации именно эта точка наблюдения используется при оценке концентрации очень малых частиц с размерами менее 0,1 мкм.

Отсюда следует, что с минимальными потерями в абсолютных величинах интенсивности наименьшая неравномерность интенсивности при использовании красного излучателя характерна в точке бокового рассеяния с Ɵ = 90°, а при использовании синего излучателя в зоне прямого рассеяния с Ɵ = 0°.

Но здесь необходимо учесть, что и максимальная интенсивность рассеяния от частиц с размерами более 1 мкм также находится в зоне прямого рассеяния с Ɵ = 0° и имеет значительно больший уровень, чем от продуктов горения, и, как следствие, нецелесообразность для оценки интенсивности рассеяния от частиц дыма в данной точке. Т.е. и для синего светоизлучателя наилучшая точка наблюдения находится также в зоне бокового рассеяния.

ВЫВОДЫ

Таким образом, для получения максимальной равномерности интенсивности рассеяния, как для красного, так и для синего каналов излучения, для частиц дыма с размерами 0,1-0,45 мкм в оптико-электронных дымовых пожарных извещателях наиболее оптимальными являются точки наблюдения в зоне бокового рассеяния с Ɵ = 90°.

Следует также обратить внимание на то, что при оценке концентрации обнаруженных частиц в оптико-электронных извещателях необходимо иметь механизм селекции частиц дыма от попавших в зону измерений оптической системы извещателя частиц пыли, пара и аэрозолей с размерами в диапазоне 1,0-10 мкм. Это позволит значительно снизить вероятность ложных срабатываний установок пожарной сигнализации. Особенно остро этот вопрос может встать при необходимости прохождения ТП1, если со временем этот тест также войдет в перечень сертификационных испытаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Г. Ми. К вопросу оптики мутных сред, особенно коллоидных растворов металлов. 1908 г.
2. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. М.-Л., 1951 - 51 с.
3. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1973 - 598 с.
4. Хвостиков И. А. Теория рассеяния света и ее применение. К вопросам прозрачности атмосферы и туманов. М.: Успехи физических наук, т. XXIV, вып. 2, 1940 - 212 с.

---

Покупка мини рулонных штор в офис