Alev dedektörleri nasıl çalışır: UV, IR, UV/IR ve çok spektrumlu IR

Alev dedektörü, bir yangını yaydığı ışınımdan tanıyan optik bir sensördür. UV dedektörler, güneş ışığının yer seviyesine hiç ulaşmadığı yaklaşık 185 ile 260 nm arasındaki ultraviyole ışığı arar. IR dedektörler, sıcak karbondioksitin 4,4 µm civarındaki güçlü yayımını arar ve bunun bir alev gibi titreşip titreşmediğini kontrol eder. UV/IR dedektörler yalnızca her iki kanal da yangın gördüğünde alarm verir; çok spektrumlu IR dedektörler ise gerçek bir alevi güneşten veya sıcak bir yüzeyden ayırt etmek için CO2 bandını her iki yanındaki referans bantlarla karşılaştırır.

Bu yazı bir alevin ne yaydığını, her dedektör tipinin bunu nasıl bir alarm kararına dönüştürdüğünü ve her tipin güçlü yanlarını ve kör noktalarını, bir karşılaştırma tablosu ve bir seçim örneğiyle birlikte açıklar.

Temel noktalar

• Alev dedektörleri cihaza ulaşan ısıya veya dumana değil, ışınıma tepki verir; bu nedenle görüş hattı açık olduğu sürece onlarca metre mesafedeki bir yangını saniyeler içinde algılayabilir.
• Yaklaşık 280 ile 290 nm'nin altındaki güneş ışığı üst atmosferdeki ozon tarafından soğurulur. UV alev dedektörleri, güneşin yer seviyesinde fiilen karanlık olduğu 185 ile 260 nm aralığında çalışır ("güneş körü").
• Karbon içeren her yakıttan çıkan sıcak CO2, yaklaşık 4,2 ile 4,8 µm aralığında güçlü yayım yapar. Havadaki soğuk CO2 bu bandın merkezini soğurur; bu yüzden uzaktan görülen alev tepesi 4,4 µm civarındadır ve güneş ışığı burada neredeyse hiç yoktur.
• Alevler titreşir. Havuz yangınları yaklaşık 1,5/√D Hz (D metre cinsinden) frekansında, küçük yangınlarda yaklaşık 2 ile 5 Hz'de nabız gibi atar; dedektörlerin çoğu titreşimi yaklaşık 1 ile 20 Hz'lik bir bantta arar.
• UV dedektörler hidrojen dahil her alevi görür; ancak duman ve yağ filmleri onları kör eder, kaynak arkları, yıldırım ve iyonlaştırıcı radyasyon ise tetikleyebilir.
• CO2 bandına dayanan IR dedektörler hidrojen, amonyak veya silan gibi karbon içermeyen yakıtların yangınlarını göremez.
• Her yerde en iyi olan bir teknoloji yoktur. Seçim yakıta, beklenen yangına, arka plandaki ışınım kaynaklarına ve ortam koşullarına bağlıdır.

Bir alev ne yayar

Bir yangın geniş bir spektrumda ışınım yayar ve her bölümü farklı bir süreçten gelir. Dedektör tasarımcıları, alevlerin güçlü yayım yaptığı ancak arka planın, yani esas olarak güneşin, yayım yapmadığı dar bantları seçer.

Ultraviyole: uyarılmış radikaller ve karanlık bir gökyüzü

Havada yanan alevler, reaksiyon bölgesinde oluşan uyarılmış radikallerden, başta en güçlü bantları yaklaşık 306 ile 312 nm arasında bulunan hidroksil radikali OH olmak üzere, ve daha kısa dalga boylarında yayım yapan diğer türlerden ultraviyole ışık yayar. UV sensörleri üzerine yapılan araştırmalar, havadaki alevlerin neredeyse tamamının yakıttan bağımsız olarak 185 ile 300 nm bölgesinde yayım yaptığını belirtir.

Bu bandın işe yarayan özelliği gökyüzüdür. Stratosferdeki ozon yaklaşık 280 nm'nin altındaki güneş ışınımının pratik olarak tamamını soğurur ve yaklaşık 290 ile 300 nm'nin altında yere çok az ışınım ulaşır; bu nedenle yer seviyesinde UV alev dedektörlerinin kullandığı 185 ile 260 nm bandında kullanılabilir güneş ışığı yoktur. Yere yakın hava, bu dalga boylarında kısa mesafeler için yeterince geçirgendir: oksijen 185 nm'ye yakın en kısa dalga boylarını birkaç on metre içinde soğurur, yaklaşık 240 nm'nin üzerindeki dalga boyları ise çok daha uzağa ulaşır.

Kızılötesi: sıcak su buharı ve sıcak CO2

Yanma, sıcak su buharı (yakıttaki hidrojenden) ve sıcak karbondioksit (yakıttaki karbondan) üretir. Her ikisi de moleküler bantlarda ışınım yayar:

• Su buharının 1,4, 1,9 ve 2,7 µm civarında yayım bantları vardır; açık ara en güçlüsü 2,7 µm bandıdır. Bu bantlar hidrojen yangınları için önemlidir (bkz. hidrojen yangınlarının algılanması).
• Karbondioksit, kabaca 4,2 ile 4,8 µm arasındaki bir bantta güçlü yayım yapar. Alev spektrumlarına ilişkin klasik ölçümler, 4,4 µm civarındaki CO2 bandını bir hidrokarbon alevinin orta kızılötesindeki baskın özelliği olarak gösterir.

Neden 4,3 µm değil de 4,4 µm? CO2 molekülü en güçlü soğurmayı yaklaşık 4,26 µm'de yapar. Yangın ile dedektör arasındaki havada bulunan soğuk CO2 (bugün yaklaşık 420 ppm) bandın merkezini soğururken, alevdeki sıcak CO2 daha geniş bir aralıkta yayım yapar. Dedektöre ulaşan, uzun dalga boyu tarafında, 4,4 µm civarında bir tepedir. Aynı atmosferik CO2 bu bant boyunca güneş ışığını da engeller; CO2 bandının da neredeyse "güneş körü" olmasının nedeni budur.

Parlak, isli alevler ayrıca kor halindeki is parçacıklarından sürekli bir spektrum yayar ve bu onları görünür kılar. Hidrojen veya metanol gibi temiz alevler çok az is üretir veya hiç üretmez; gün ışığında zor görülmelerinin nedeni budur.

Titreşim: alevin zaman imzası

Bir difüzyon alevi kararsızdır. Kaldırma kuvvetiyle oluşan girdaplar alevin nabız gibi atmasına yol açar; havuz yangınlarında bu titreşim frekansı, havuz çapının metre cinsinden karekökünün 1,5'e bölünmesiyle elde edilen iyi bilinen bir korelasyonu izler. 0,3 m'lik bir tava yaklaşık 2,7 Hz'de, 1 m'lik bir havuz yangını yaklaşık 1,5 Hz'de titreşir. Türbülans buna daha hızlı dalgalanmalar ekler.

Bu nedenle alev dedektörlerinin çoğu sinyali yaklaşık 1 ile 20 Hz'lik bir bantta analiz eder. Sıcak bir boru veya güneş alan bir duvar sabit bir sinyal verir; elektrik lambaları şebeke frekansının iki katında (100 veya 120 Hz), alev bandının çok üzerinde titreşir. Titreşim kontrolü yanlış alarmlara karşı başlıca savunmalardan biridir, ancak tek başına yeterli değildir (bkz. alev dedektörlerinde yanlış alarmlar).

UV alev dedektörleri

Klasik UV sensörü, metal katotlu ve gaz dolgulu, Geiger-Müller sayacı gibi çalışan bir tüptür. Katoda çarpan bir UV fotonu bir elektron serbest bırakır, gaz üzerindeki yüksek gerilim bunu bir çığa dönüştürür ve tüp bir darbe üretir. Dedektör darbeleri sayar: bir yangın yüksek bir sayım hızı üretir, güneş körü arka plan ise neredeyse hiç üretmez. Bandı katot malzemesi ve tüp penceresi belirler; tipik olarak yaklaşık 185 ile 260 nm'dir. Katı hal UV sensörleri de vardır, ancak tepkisi güneş UV aralığına uzananlar açık alanda kullanıma uygun değildir.

Güçlü yanları:

• Çok hızlıdır: sensörün kendisi milisaniyeler içinde tepki verir. Kısa süreli olayları elemek için çoğunlukla birkaç saniyelik bir zaman gecikmesi eklenir.
• Yakıt ne olursa olsun, hidrojen dahil, havadaki pratik olarak her aleve tepki verir.
• Ark sıcaklıklarında olmadıkça UV yaymayan sıcak yüzeylerden etkilenmez.

Zayıf yanları:

• Duman UV'yi güçlü şekilde saçar ve soğurur. Dumanlı bir sıvı yangınında duman biriktikçe UV sinyali keskin şekilde düşebilir.
• Yağ filmleri, yoğuşmuş buharlar ve penceredeki kir UV'yi soğurur ve belirgin bir işaret vermeden dedektörü kör edebilir.
• Elektrik arkları (kaynak, anahtarlama, yıldırım), yüksek gerilim ekipmanındaki korona deşarjı, germisit lambalar (ana çizgileri 253,7 nm'dedir) ve iyonlaştırıcı radyasyon (X ışını ve gama radyografisi) sayım üretebilir.

IR alev dedektörleri

Bir IR alev dedektörü, sıcak CO2 bandına merkezlenmiş dar bir optik filtrenin arkasında piroelektrik veya kurşun selenür eleman gibi bir sensör kullanır. En basit tek bantlı IR dedektör, bu banttaki sinyal yeterince yüksek olduğunda ve alev frekans aralığında titreştiğinde alarm verir.

Çift bantlı IR dedektör, alevlerin az yayım yaptığı yakın bir dalga boyunda ikinci bir kanal, yani referans bandı ekler. Bir alev CO2 kanalını referanstan çok daha fazla yükseltir; yayımı dalga boyuna göre düzgün olan sıcak bir cisim ise ikisini birden yükseltir. İkisinin karşılaştırılması, sıcak cisimlerden kaynaklanan alarmların çoğunu ortadan kaldırır.

Güçlü yanları:

• Kızılötesi dumandan UV'ye göre çok daha iyi geçer; bu nedenle IR dedektörler dumanlı yangınları görmeye devam eder.
• Kaynak UV'si, yıldırım UV'si veya radyasyon kaynakları tarafından tetiklenmez (ancak kaynak arkı ve sıcak metal de IR yayar).

Zayıf yanları:

• Yalnızca karbon içeren yakıtlar CO2 üretir. Hidrojen, amonyak, silan veya hidrazin yangınları CO2 tepesi vermez ve CO2 bandında çalışan bir dedektör bunları görmez.
• Su kızılötesinde güçlü soğurma yapar. Penceredeki su filmleri, buz veya kar, şiddetli yağmur ve yoğun sis, dedektörün optik öz testi yoksa dedektör fark etmeden sinyali azaltabilir.
• Sıcak CO2 yangınlara özgü değildir: motor ve türbin egzozları ile flare bacaları aynı bantta yayım yapar. Modüle edilmiş sıcak kaynaklar da titreşimi taklit edebilir.

UV/IR dedektörler

Bir UV/IR dedektör bir UV tüpü ile bir IR kanalını birleştirir ve yalnızca ikisi de yangın gördüğünde alarm verir. Birçok tasarım UV ve IR sinyalleri arasındaki oranı da kontrol eder, çünkü bu karışım alevlere özgüdür. Bu mantık, tek kanallı dedektörlerin klasik rahatsız edici kaynaklarını ortadan kaldırır: kaynak UV üretir ancak IR imzası bir alevden farklıdır; sıcak bir cisim IR üretir ancak UV üretmez.

Bu kombinasyon, UV kanalının dumana ve pencere kirlenmesine karşı hassasiyetini de devralır: duman UV kanalını kör ederse, dedektör dumanlı bir yangına geç tepki verebilir veya hiç tepki vermeyebilir. Hidrojen için IR kanalı CO2 bandı yerine bir su bandına ayarlanmalıdır; standart bir hidrokarbon UV/IR dedektörü, IR kanalı sessiz kaldığı için bir hidrojen yangınını görmeyebilir.

Çok spektrumlu IR dedektörler

Çoğunlukla IR3 veya üçlü IR olarak adlandırılan çok spektrumlu IR dedektör, CO2 bandını ve her iki yanda birer tane olmak üzere en az iki referans bandını ölçer. Bazı tasarımlar daha fazla bant kullanır, bazıları ise bir UV kanalı veya görünür ışık kamerası ekler.

Karar birkaç testi birleştirir: CO2 kanalı güçlü şekilde yükselmeli, referans bantlarına oranlar sıcak bir cisme veya güneşe değil bir aleve uymalı, sinyaller alev aralığında titreşmeli ve kanallar zaman içinde ilişkili olmalıdır. Ayırt etme mutlak seviyeden değil spektrumun şeklinden geldiği için bu dedektörler daha yüksek hassasiyetle çalışabilir; bu da yaygın noktasal dedektörler arasında en uzun algılama mesafelerini sağlar. Diğer IR dedektörler gibi dumanın içini görürler.

Sınırları CO2 bandının sınırlarıdır: hidrojene özel bir versiyon CO2 bandı yerine su bantlarını kullanmıyorsa karbonsuz yakıtlara tepki vermezler, su ve buz sinyali zayıflatır ve bazı tesislerde gerçekten sıcak CO2 içeren flare bacaları veya egzoz dumanlarından kaynaklanan girişim görülebilir.

Alarm algoritması

Sensörler ne olursa olsun, dedektörün işlemcisi aşağıdakine benzer bir karar zinciri çalıştırır. Ayrıntılar üreticiye özeldir ve tasarımdan tasarıma farklılık gösterir, ancak adımlar benzerdir.

1. Eşik. Her kanalın sinyali, seçilen hassasiyete göre belirlenen bir seviyeyi aşmalıdır.
2. Titreşim. Sinyal, alev frekans bandında enerji içermelidir. Sabit kaynaklar ve şebeke frekansındaki lambalar bu testten geçemez.
3. Spektral oran. CO2 bandının referans bantlarına oranı (veya UV'nin IR'ye oranı) alevlere özgü aralıkta olmalıdır.
4. Korelasyon. Kanallar birlikte dalgalanmalıdır; bağımsız dalgalanmalar ayrı kaynaklara işaret eder.
5. Süreklilik. Tüm koşullar, ayarlanan zaman gecikmesi boyunca sürmelidir; bu süre tipik olarak birkaç saniyedir ve birçok dedektörde ayarlanabilir. Daha uzun gecikmeler asılsız alarmları azaltır ancak tepkiyi yavaşlatır.
6. Öz test. Birçok dedektör belirli aralıklarla pencereden dahili bir kaynak ışığı geçirir ve optik kirli, ıslak veya engellenmiş ise arıza bildirir.

Hassasiyet ayarı ve zaman gecikmesi hem algılama mesafesini hem de yanlış alarm davranışını değiştirir. Bunlar dedektör yerleşimindeki varsayımlarla uyumlu olmalıdır; asılsız bir alarmdan sonra hassasiyetin düşürülmesi dedektörün koruduğu alanı küçültür (bkz. alev dedektörü yerleşimi).

Dedektör tiplerinin karşılaştırılması

Video tabanlı alev algılama ve termal görüntüleme kamera ve görüntü analizi kullanarak farklı şekilde çalışır; bu konular alev ve duman algılamada video ve termal görüntüleme yazısında ele alınmıştır.

Uygulama örneği: üç alan için dedektör seçimi

Bir tesiste alev algılama gerektiren üç alan vardır. Seçim yakıta, yangına ve arka plana göre yapılır.

1. Açık alanda doğal gaz kompresör skidi, 150 m uzakta bir flare bacası. Yakıt esas olarak metandır ve bir salım büyük olasılıkla jet yangını şeklinde yanar. Çok spektrumlu IR dedektör açık alandaki uzun mesafelere uygundur ve güneş ışığını ve sıcak gövdeleri eler. Flare gerçek bir CO2 alevi olduğundan, dedektörler flare ve yansımaları görüş alanına girmeyecek şekilde yönlendirilir.

2. Hidrojen elektrolizör salonu. Bir hidrojen yangını CO2 üretmez ve neredeyse hiç görünür ışık vermez. Uygun seçenekler UV, su bandı IR kanallı UV/IR veya hidrojen için tasarlanmış çok spektrumlu IR dedektördür. CO2 bandında çalışan IR dedektörler dışarıda bırakılır.

3. Bir bakım atölyesinin yanında, solventler için kapalı varil deposu. n-Heptan gibi bir solventin havuz yangını kısa sürede dumanlı hale gelir. Açık kapının yakınında düzenli olarak ark kaynağı yapılmaktadır. IR veya çok spektrumlu IR dedektör tercih edilir: dumanın içini görür ve kaynak UV'sine tepki vermez. Burada bir UV dedektör, her kaynak işinde telafi edici önlem olarak yangın gözcüsü bulundurularak inhibe edilmek zorunda kalırdı.

Sık yapılan hatalar

• Hidrojen için CO2 bandında çalışan IR dedektör kullanmak. Bu dedektörler saf bir hidrojen alevini göremez. UV, hidrojene özel IR veya su bandı kanallı UV/IR kullanılmalıdır.
• Dumanlı yangınlar için UV seçmek. Sıvı hidrokarbon yangınları bir UV dedektörü kör edecek kadar duman üretebilir. Ağır yakıtların havuz yangınları için IR tabanlı dedektörler genellikle daha iyidir.
• "Güneş körü" ifadesinin tüm ışıklara karşı bağışıklık anlamına geldiğini varsaymak. CO2 bandında çalışan bir dedektör, sıcak kaynakların modüle edilmiş yansımalarına yine de tepki verebilir ve güneş ışığı bazı IR kanallarının hassasiyetini düşürür. UV dedektörler güneş körüdür, ancak arklara ve radyasyona kör değildir.
• Ex işaretlemesini algılama performansının kanıtı saymak. Ex sertifikası yalnızca tutuşturma riskini ele alır. Performans onayı ve üreticinin sahadaki yakıtlar ve yangın büyüklükleri için verdiği veriler kontrol edilmelidir.
• Asılsız alarmları gidermek için kapsamayı gözden geçirmeden hassasiyeti veya zaman gecikmesini değiştirmek. Düşük hassasiyet algılama mesafesini kısaltır ve yangın algılama yerleşiminde boşluklar bırakabilir.

Sık sorulan sorular

UV ve IR alev dedektörleri arasındaki fark nedir?

UV dedektör, alevin reaksiyon bölgesinden gelen ultraviyole ışınımı güneş ışığının bulunmadığı bir bantta algılar, milisaniyeler içinde tepki verir ve her tür alevi görür; ancak duman ve kir onu kör eder, arklar ise tetikleyebilir. IR dedektör, 4,4 µm civarındaki sıcak CO2 yayımını ve titreşimini algılar, dumanın içini görür, ancak yalnızca karbon içeren yakıtları algılar.

Alev dedektörleri neden 4,3 µm değil de 4,4 µm kullanır?

Alevdeki sıcak CO2 kabaca 4,2 ile 4,8 µm arasında yayım yapar, ancak havadaki soğuk CO2 bandın 4,26 µm civarındaki merkezini soğurur. Birkaç metrelik havadan sonra kalan en güçlü alev sinyali 4,4 µm civarındadır. Aynı atmosferik soğurma güneş ışığını da bu banttan uzaklaştırır.

"Çok spektrumlu IR" veya IR3 ne anlama gelir?

CO2 yayım bandını ve en az iki referans bandını ölçen bir kızılötesi alev dedektörüdür. Bantları karşılaştırarak bir alevin spektral şeklini tanır ve güneş, lambalar ve sıcak yüzeyler gibi düzgün spektrumlu kaynakları eler; bu da yanlış alarmlara karşı iyi bağışıklıkla birlikte uzun algılama mesafeleri sağlar.

Bir alev dedektörü hidrojen yangınını görebilir mi?

UV dedektörler ve kızılötesi kanalları sıcak su buharı bantlarına ayarlanmış dedektörler görebilir. Yalnızca CO2 bandına dayanan dedektörler göremez, çünkü hidrojen karbondioksit üretmez. Hidrojen performansı için her zaman üreticinin verileri kontrol edilmelidir.

Bir alev dedektörü ne kadar hızlı tepki verir?

Sensörler milisaniyeler (UV) veya saniyenin bir kesri (IR) içinde tepki verir, ancak işleme genellikle birkaç saniyelik bir teyit süresi ekler. Performans standartları kendi test yangınları için azami tepki süreleri belirler; örneğin FM 3260, nominal mesafede aleve maruz kalmadan itibaren 30 saniye içinde alarm verilmesini şart koşar.

Alev dedektörleri duman veya ısı algılar mı?

Hayır. Yalnızca ışınımı algılarlar. Alevsiz için için yanan bir yangın veya bir engelin arkasında kalan bir yangın onları tetiklemez. Duman ve ısı algılama veya gaz algılama, bir yangın ve gaz sistemindeki ayrı önlemlerdir.

excodex'te ilgili yazılar

• Alev dedektörü yerleşimi ve görüş konisi
• Alev dedektörlerinde yanlış alarmlar: yaygın kaynaklar ve önleme yolları
• Hidrojen yangınlarının ve diğer görünmez alevlerin algılanması
• Alev dedektörü performans standartları: EN 54-10, FM 3260 ve tepki süresi
• Alev ve duman algılamada video ve termal görüntüleme
• Gaz kütüphanesi: /gas; Ex işaretleme kontrolü: /tools/ex; sorular için forum

Standartlar ve ek kaynaklar

• FM 3260, otomatik yangın alarmı sinyalizasyonu için ışınım enerjisi algılayan yangın dedektörlerine ilişkin inceleme (onay) standardı (Ekim 2021 baskısı): https://www.fmapprovals.com/-/media/Feature/Approval-Standards/3260-pdf.pdf
• ANSI/FM 3260-2023, 24 Ağustos 2023'te onaylanan Amerikan Ulusal Standardı versiyonu: https://www.fmapprovals.com/-/media/Feature/Approval-Standards/3260ansi-pdf.pdf
• EN 54-10:2002 ve A1:2005 tadili, yangın algılama ve yangın alarm sistemleri, binalardaki yangın algılama sistemleri için alev dedektörleri (noktasal dedektörler); 2012'de anket taslağı olarak dağıtılan revizyon daha sonra terk edildiği için hâlâ geçerli baskıdır.
• NFPA 72, Ulusal Yangın Alarmı ve Sinyalizasyon Kodu, ışınım enerjisi algılayan yangın dedektörlerine ilişkin bölümler.
• IEC 60079-0 ve IEC 60079-1, dedektör muhafazasının Ex tasarımı için genel gereksinimler ve alev sızdırmaz muhafazalar.
• NASA SP-5092, Hidrojen kaçağı ve yangın algılama: bir inceleme (1970), alev yayım bantları ve dedektör prensipleriyle birlikte: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19700031601/downloads/19700031601.pdf
• E. K. Plyler ve C. J. Humphreys, Alevlerin kızılötesi yayım spektrumları, Journal of Research of the National Bureau of Standards, 1948: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/40/jresv40n6p449_A1b.pdf
• L. Periale ve diğerleri, Sızdırmaz UV duyarlı gazlı dedektörlerin geliştirilmesi ve uygulamaları (güneş körü alev algılama): https://arxiv.org/pdf/physics/0605207
• X. Xia ve P. Zhang, Kaldırma kuvvetli difüzyon alevlerinin titreşimi: girdap dinamiği açısından yeniden bir bakış (2018), havuz yangını verilerini 1,5/√D korelasyonuyla karşılaştırır: https://arxiv.org/pdf/1803.10400

Bu yazı excodex editör ekibinin hazırladığı genel teknik bilgidir. Geçerli standartların, ekipman sertifikalarının ve talimatlarının, ulusal mevzuatın veya yetkin bir kişinin değerlendirmesinin yerini tutmaz.