Pontszerű optikai füstérzékelő

A pontszerű optikai füstérzékelő működési elve

A pontszerű optikai füstérzékelő a legelterjedtebb típusú füstérzékelő. Működése a fényszóródás elvére épül, bár ez nem szabatos kifejezés: fénynek csak azt a sugárzást nevezzük, amely az emberi szem számára látható. A pontszerű optikai füstérzékelő működése pedig infravörös sugárzáson alapul, amit a szó szoros értelmében nem tekinthetünk fénynek. Mivel a szakma is a fényszóródás kifejezést használja, az egyszerűség kedvéért mi is ezt alkalmazzuk.
A karbantarthatóság miatt moduláris felépítésű füstérzékelő belsejében található egy teljesen fekete falú kamra, ami egy optikai sötétkamra. A kamra határoló falait úgy alakítják ki, hogy a kamrába ne juthasson be infravörös összetevőt is tartalmazó természetes (napsugárzás szórt fénye), vagy mesterséges (pl. világítótest) sugárzás, de elősegítse a helyiségben keletkező füst minél gyorsabb bejutását a kamrába. Az így kialakított, labirintusrendszerre emlékeztető kamrafal neve labirint. Ebben a sötétkamrában helyezkedik el egy infravörös tartományban működő optikai adó (infra LED) és egy optikai vevő egység (infra fotodióda), amelyek a sugarak fókuszálása céljából lencsékkel is ki vannak egészítve. Ezeknek a sugárkibocsátó- és fogadó tengelyei nem esnek egy vonalba, sőt jellemzően 60-90°-os szöget zárnak be egymáshoz képest, ráadásul takarólemezek is akadályozzák az egymásra történő rálátást. Normál körülmények között, vagyis füstmentes térben az infra LED adó sugárzása visszaverődés nélkül elnyelődik a sötétkamra falán, ezért a fotodiódára nem jut infravörös sugárzás. Ha a kamra légterébe füst kerül, a füstrészecskék megtörik és szétszórják az infra adó sugarait, így azok visszaverődve eljutnak a fotodiódára is, ami a füstkoncentráció nagyságával arányos elektromos jelet hoz létre.

A további jelfeldolgozási módtól függően a füstérzékelő lehet hagyományos kétállapotú, vagy címezhető, analóg intelligens típusú és ennek megfelelően kommunikál a tűzjelző központtal. Az optikai vevő számára a füstrészecskék annál inkább észlelhetők, minél nagyobbak és minél világosabbak. A pontszerű optikai füstérzékelő a kis méretű (0,01-0,1 µm) füstszemcséket gyengén, a nagyobb (0,1-10 µm) méretű szemcséket viszont igen jól észleli. A fekete füstöt például gyengén érzékeli, mert az ilyen jellegű füstök jellemző szemcsemérete nagyon kicsi A füstszemcsék méreteiről itt olvashat többet. Az optikai füstérzékelőknél – így esetünkben is – az optikai adó periodikus, impulzus működésű, hogy minél kisebb legyen az érzékelő nyugalmi árama. A nagy intenzitású impulzusos működés egyúttal sokkal megbízhatóbbá teszi a füstérzékelést.

Lézeres pontszerű optikai füstérzékelő

A lézeres pontszerű optikai füstérzékelő a „hagyományos” pontszerű optikai füstérzékelő speciális változatának tekinthető. Az optikai adó itt egy monokromatikus és vékony sugarúvá fókuszált infravörös sugárzást kibocsátó lézerdióda. A lézersugár egy optikai erősítőként működő kúpos tükörcsatorna előtt halad el és ezt a sugarat füstmentes állapotban a lézerdiódával szemben levő fénycsapda nyeli el. Az optikai vevő nyugalmi állapotban itt sem „látja” a lézersugarat mindaddig, amíg a kamrába bejutó füst azt szét nem szórja. Ekkor viszont a tölcsérszerű tükörcsatorna a lézersugár viszonylag hosszú szakaszáról gyűjti a szóródott sugarakat és bevezeti őket az optikai vevőbe. Ennek a kialakításnak köszönhető, hogy egészen alacsony füstkoncentráció is képes riasztási állapotot kiváltani. A lézeres optikai füstérzékelő érzékenysége akár a hagyományos érzékelőének 50-100-szorosát is elérheti, ráadásul az egészen kicsi, 0,01-0,1 µm méretű füstszemcséket is jól érzékeli. Számos előnye ellenére a pontszerű tűzérzékelőkkel megvalósított tűzjelző rendszereknél mégis ritkán alkalmazzák, aminek a hagyományos füstérzékelőkhöz képest egy nagyságrenddel magasabb ár az oka. Korai tűzjelzést igénylő nagy tisztaságú, vagy nagy értékeket tároló helyeken, laboratóriumokban, szervertermekben, páncéltermekben viszont költséghatékony megoldást jelenthet.

Az optikai füstérzékelő előnyei és hátrányai

Az optikai füstérzékelő előfordulása az összes tűzérzékelő közül a legdominánsabb. Magyarországon a beltérben felszerelt tűzérzékelők 90%-a pontszerű optikai füstérzékelő. Ár-érték arányban nincs még egy olyan széles felhasználási körben alkalmazott érzékelő, amely a keletkező tüzek többségét hasonló megbízhatósággal lenne képes érzékelni, mint ez az eszköz. Megbízhatóságban csak a multiszenzorok múlják felül, viszont azok esetében a magasabb ár jelentősen korlátozza felhasználásukat. Ráadásul a multiszenzorok alapérzékelőjét is általában az optikai füstérzékelő jelenti. A pontszerű füstérzékelők ugyanakkor komoly hátránnyal is rendelkeznek. Valójában nem a tüzet kísérő füstöt érzékelik, hanem az érzékelő kamrájába bejutó, a füstszemcsék mérettartományába eső, lebegő anyagszemcséket.
A működési elvük miatt nem képesek megkülönböztetni a füstszemcséket az érzékelőbe bekerülő nagyobb mennyiségű por, vízpermet, gőz, vagy szálas anyagok részecskéitől, amik így téves jelzéseket válthatnak ki. További jelentős problémát okoz, hogy az érzékelő kamrába – a környezet szennyezettségétől függő mértékben – folyamatosan rakódik le a por, vagy egyéb szennyeződés, ami növeli a füstérzékelő érzékenységét. Az így megnövekedett alapérzékenységű füstérzékelő esetén jóval nagyobb a téves riasztás esélye, mint tiszta érzékelő kamránál. A szennyeződés érzékenységnövelő hatásának kiküszöbölésére a gyártók régóta alkalmazzák az ún. driftkompenzációt, ami elektronikusan csökkenti az érzékelő túlérzékenységét. Az intelligens rendszerekben ezt jóval könnyebb megvalósítani, mint a hagyományos tűzjelzők esetén. A füstérzékelő mikroprocesszora folyamatosan elemzi a sötétkamra jeleit, azokból egy hosszú idejű átlagértéket képez és ehhez viszonyítva növeli meg a riasztási határértéket. Persze a driftkompenzáció is csak egy bizonyos szennyezettségi értékig működik, a tűzjelző rendszer karbantartásának elvégzését egy idő után nem lehet elkerülni. A karbantartás és a füstérzékelők kamrájának tisztítása napjainkban is igen fontos a téves riasztások elkerülése érdekében.
Az érzékelők mechanikai konstrukciója, az eszköz felépítése, valamint a mikroprocesszor alapú optikai füstérzékelők működtető algoritmusa meghatározó szerepet játszik abban, hogy egy tűzjelző rendszer mennyire képes a téves tűzjelzések kiküszöbölésére.

Az optikai füstérzékelő felépítése

A pontszerű optikai füstérzékelő jellemző részegységei:

Érzékelő aljzat

Műanyag burkolat (ház) alsó része

Nyomtatott áramkör

Optikai sötétkamra

Sötétkamra fedél

Rovarvédő háló

Műanyag burkolat (ház) felső része

Porvédő sapka (csak üzemen kívüli állapotban)

A műanyag burkolaton elhelyezett egy, vagy több LED (fénydióda)

Az érzékelő aljzat általában a védendő helyiség mennyezetére fixen kerül felszerelésre, amibe az érzékelő könnyen oldható módon egy kézmozdulattal „betekerhető”. Maga az érzékelő moduláris felépítésű és a külső és belső kialakításnál a tervező mérnököknek nagy hangsúlyt kell fektetniük a minél könnyebb és gyorsabb szét- és összeszerelhetőségre. A tűzjelző berendezések karbantartása során nem mindegy, hogy egy több száz érzékelőt tartalmazó rendszer érzékelőinek a tisztítása mennyi idő alatt végezhető el. A pontszerű optikai füstérzékelő megbízható működésében alapvető jelentősége van az optikai sötétkamra konstrukciójának. Ahogy említettük, a kamrát körbevevő labirint lamelláinak megfelelő kialakítása biztosítja, hogy a környezet infravörös sugárzása egyáltalán ne jusson be a kamrába, az esetlegesen keletkező füst részecskéit viszont minél inkább beterelje.
A kamrabelső kialakításánál számít a megfelelő bordázottság is, mivel a kamrafalra idővel lerakódó szennyeződés miatt megnő a fal sugárzás visszaverő képessége. A bordák hatására viszont a sugarak különböző irányokban verődnek vissza, jelentős részük nem éri el az optikai vevőt és így csökken a téves riasztás esélye.
A kamrabelső fejlesztésénél fontos, hogy az optikai adó és vevő minél jobban besüllyedjen a kamrába, vagyis minél közelebb legyenek ezek a részegységek a mennyezethez és minél távolabb legyenek a kamrafedéltől. Ez azért lényeges, mert a kamrafedélen ülepszik le a por jelentős része, ami erősen növelhetné a nem kívánatos sugárvisszaverődést. Minél távolabb van a kamrafedél az optikai részegységektől, annál megbízhatóbb a füstérzékelő működése. Előnyös a vezető anyagból készült, sztatikus feltöltődéstől mentes kamra kialakítás. Az optikai füstérzékelők általában el vannak látva egy szitaszerű rovarvédő hálóval, mert a füstérzékelőbe esetleg bejutó apró rovarok is képesek téves tűzjelzéseket okozni. Előnyös, ha a rovarvédő háló nullpotenciálra kötött fémszitából van, mert a sztatikus feltöltődésre képes porszemcsék, szöszök arra rakódnak le és azt karbantartáskor könnyű tisztítani.

A felsorolt szempontoknak megfelelő optikai kamrát és füstérzékelőt egyáltalán nem könnyű megvalósítani. A világ vezető gyártói nem egy esetben 2-3 millió dollárt (vagyis akár 1 milliárd forintot megközelítő összeget) is ráfordítanak egy-egy új, megbízhatóan működő optikai kamra és füstérzékelő konstrukció kifejlesztésére. Van gyártó, amelynél a tűzérzékelőkkel szembeni minimális elvárás már több évtizeddel ezelőtt is az volt, hogy elektromos ok miatti téves riasztás 1 millió üzemóránként legfeljebb egyszer engedhető meg. Mindezek mellett a nemzetközi és a magyar piacon is találkozhatunk olyan optikai füstérzékelőkkel, amelyeknél az említett konstrukciós szempontokat nem igazán lehet megtalálni. Vannak olyan érzékelő típusok, ahol az optikai kamránál bordázatot, vagy labirintot alig lehet fellelni, ahol a konstrukció szinte olyan, mintha a pontszerű optikai füstérzékelő elvi működési módjának illusztrációjaként szolgálna. Nem lehet csodálkozni azon, hogy az ilyen kivitelű gyártmányok egy jelentős részénél a téves riasztás elleni védelem és a működési megbízhatóság meg sem közelíti a piac vezető gyártóinak a termékeiét.
Az alábbiakban bemutatjuk néhány pontszerű optikai füstérzékelő típus belső felépítését:

1. Egyszerű, hagyományos optikai füstérzékelő

Ahogy az első képen látható, az optikai sötétkamrának az optikai adót és a vevőt is tartalmazó alsó része rendkívül puritán felépítésű. A fényes fröccsöntött műanyag kamrában csak egyszerű terelőlemezeket láthatunk, bordáknak viszont nyoma sincs. A második képen látható félgömb-, illetve kúpszerű kialakítású kamra felső rész feladata az infra adó sugarainak különböző irányokban történő visszaverése. A harmadik kép a kamra felső részt borító külső kamrafedéllel együtt mutatja a komplett sötétkamrát. A külső kamrafedélen már láthatók a környezet fényének bejutását megakadályozó, a labirint szerepét betöltő terelőlemezek, amelyek keskeny rései némi rovarvédelmet is jelentenek, bár rovarvédő hálót itt nem találunk. A konstrukció szabadalommal védett és a hagyományos füstérzékelők közül az egyszerű kialakítás ellenére – nem ipari környezetben – megbízható működésűnek bizonyult.

2. Fejlett, címezhető, analóg intelligens optikai füstérzékelő

Ez a füstérzékelőt mintegy 20 évvel ezelőtt fejlesztette ki a világ egyik vezető tűzérzékelő gyártója és az ezredforduló utáni első évtizedben az egyik gyakran alkalmazott tűzvédelmi eszköz volt Magyarországon is. Az első képen jól látható a gondosan kialakított labirint, a terelőlemezek, az optikai adó burkolata és az elektromágneses zavarvédelem miatt fémpajzzsal ellátott optikai vevő lencséje. A második képen szereplő, lamellákkal ellátott sötétkamra fedél a kamra alsó részének labirintjával együtt akadályozza meg a külső fénynek a kamrába történő bejutását. A harmadik képen már a sűrű rácsozatú rovarvédő háló is rajta van az érzékelőn, amely a legkisebb méretű rovarok bejutását is képes megakadályozni.

3. Analóg intelligens optikai füstérzékelő – továbbfejlesztett változat

Az előzőleg ismertetett típusú füstérzékelőt a sokéves működési tapasztalatok alapján a tervező mérnökök jelentősen továbbfejlesztették és gyökeresen átalakították. Így jött létre az a konstrukció, amely napjainkban is meghatározó szerepet tölt be a világ füstérzékelő piacán. Az első képen látható félkúpok belsejében helyezték el az optikai adót és a vevőt, amelyek így ténylegesen is besüllyesztésre kerültek az optikai kamra aljába. A kamra felső részét is jelentősen átalakították. Ez által a labirint is teljesen más jelleget öltött. A kamra faláról visszaverődő infrasugarak erőteljes szórását viszont az előzőnél is erősebb bordázottság biztosítja. A porvédő háló a kamra oldalfaláról átkerült a kamratetőre, ami egyúttal a porlerakódás mértékét is jobban csökkenti.

Az optikai füstérzékelő intelligenciája

Az optikai füstérzékelők mechanikai felépítése mellett igen fontos szerepe van az érzékelőt működtető szoftvernek is. Az érzékelőkben ma már általánosan jellemző a mikroprocesszorok alkalmazása. Ezek egyik alapvető feladata a beérkezett jelek szűrése és simítása, amelynek révén a környezet rövid idejű elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarjeleit tudják kiszűrni, emellett elvégzik a folyamatosan jelentkező környezeti szennyeződés káros hatását kiküszöbölő, már említett driftkompenzációt is. Azok a régóta a piacon levő gyártók, akik jelentős mérnöki gárdával és komoly anyagi háttérrel rendelkeznek, a több évtizedes üzemelési tapasztalatok, valamint a gyáraikban és a fejlesztő laboratóriumaikban elvégzett több ezer tűzkísérlet eredményeinek feldolgozásával nagy adatbázist hoztak létre. Ennek a felhasználásával képesek lettek matematikai függvényekkel leírni, hogy a különböző jellegű tüzek és a füst hatása hogyan jelenik meg a füstérzékelőben. A letárolt mintákkal történő összehasonlítás révén, a kiforrott, megbízhatóan működő algoritmusok segítségével, a piacvezető gyártók füstérzékelői jóval nagyobb biztonsággal képesek megkülönböztetni a valódi tűztől származó füstöt a technológiai jellegű füstöktől és más zavaró környezeti hatásoktól, mint a viszonylag rövid múlttal rendelkező, tapasztalatlanabb gyártók eszközei. A célnak megfelelő algoritmusoknak legalább akkora szerepük van a megbízható működésben és a téves riasztások elkerülésében, mint az érzékelő mechanikai felépítésének.

Az optikai füstérzékelő felszerelése

Magyarországon a pontszerű füstérzékelők felszerelésére és elhelyezésére vonatkozó elvárásokat az Országos Tűzvédelmi Szabályzat (jelenleg az 54/2014 (XII.5.) BM rendelet), pontosabban az azt kiegészítő Tűzvédelmi Műszaki Irányelv (TvMI) tartalmazza. Nem célunk ennek a szerteágazó szabályozásnak az ismertetése, mindössze néhány alapvető szempontot adunk. Ahogy a Tűz jellemzői című menüpontban olvasható, egy helyiségben kialakuló tűz fejlődő szakaszában a füst függőleges, felfelé kissé szélesedő oszlopformát alkot, majd a helyiség plafonját elérve szétterül. Ezért a füstérzékelőket általában középen a mennyezeten vagy a mennyezet közelében kell elhelyezni. A pontszerű füstérzékelő legfeljebb 12 méteres belmagasságú helyiségek tűz elleni védelmére alkalmazható. A tűzjelzés bekövetkezéséhez a füstérzékelőnek nem kell közvetlenül a tűz forrása felett elhelyezkednie.
Az érzékelő hatókörzete kb. 6 méter átmérőjű kör, az érzékelőket úgy kell elhelyezni, hogy lefedjék a teret és minden védendő térrész belekerüljön az érzékelő hatósugarába. 80 négyzetméternél kisebb helyiség és vízszintes födém esetén legfeljebb 6,6 méter sugarú körben védhető a terület, de 80 négyzetméternél nagyobb helyiség esetén sem lehet 5,7 méternél kisebb a sugár. Az adott helyiség érzékelőinek számát ennek a figyelembe vételével kell a tervezőknek meghatározni. Álmennyezettel burkolt irodaépületekben, ahol az irodák elektromos kábeleit az álmennyezet feletti térben vezetik el, jellemzően az álmennyezet feletti térrészt is pontszerű füstérzékelőkkel kell védeni. Mivel ilyenkor az érzékelők és azok állapotjelző LED-jei takarásban vannak, ezért az álmennyezeten jól látható másodkijelzőket kell felszerelni.

Ajánlott felhasználásai és felhasználási korlátai

Ajánlott felhasználási körülmények

• jól látható füstképződés, de még parázsló tüzek esetén is
• műanyag tüzek
• menekülési utak és nagy értékek (pl. szervertermek) védelme
• nagyobb légáramlású helyek
• légcsatorna füstérzékelőkben történő alkalmazás

Felhasználást korlátozó körülmények

• alkoholtüzek
• fekete vagy kis szemcséjű, nem látható füst képződése (0,01-0,1µm)
• 95% feletti relatív páratartalom, vagy gőzképződés
• poros, korrozív környezet
• 60°C feletti környezeti hőmérséklet
• nagyfrekvenciás tér jelenléte

Minden jog fenntartva. Copyright © Oktel Kft. 1998-2018