불꽃감지기의 종류 및 특징

불꽃감지기의 종류 및 특징

 

1. 불꽃감지기의 개요

불꽃은 초기 발생부터 특유의 연소특성을 나타내는데 이 특성 중 육안으로 구분하지 못하는 자외선과 적외선의 서로 다른 파장대가 존재한다. 불꽃에서 방사되는 자외선 파장특성(185㎚~260㎚)을 감지하는 자외선센서와 적외선 파장특성(4.3㎛±0.2㎛)을 감지하는 적외선센서를 복합하여 자외선/적외선 불꽃감지기를 구성한다.

자외선/적외선 불꽃감지기는 위와 같이 협소한 파장대역만을 감지하기 때문에 주위의 여러 가지 광원으로부터의 비화재보가 작아진다.

 

2. 불꽃감지기의 작동원리 및 종류

1) 불꽃감지기의 작동원리

불꽃이 방사하는 파장대를 감지하는 센서를 사용하면 센서는 불꽃의 방사에너지뿐만 아니라 해당 파장대에 분포하는 외부 광 에너지를 감지하여 오동작을 일으키기도 한다. 따라서 이러한 오동작을 방지하기 위하여 자외선/적외선 두 센서를 모드 사용하여 감지하는 것이 자외선/적외선 불꽃 감지지 이다.

1-1) 불꽃감지기의 종류

· 자외선/적외선 겸용형

자외선 센서와 적외선 센서를 동시에 사용하여 두가지 파장대를 모두 감지하는 방식으로 자외선센서와 적외선센서가 모두 동작시 화재신호를 내는 방식이다. 제어방법은 감지기의 출력(0~20㎃)을 마이크로프로세서로 제어하는 방법과 감지기신호를 게이트로 연결하여 릴레이 접점을 이용한다.

· 자외선/적외선 복합형

자외선/적외선 세서를 동시에 사용하여 두가지 파장대를 모두 감시하는 방법면에서 겸용형과 유사하나 화재신호를 출력하는 방법이 서로 다르다.

복합형은 하나의 센서만 동작해도 화재신호를 출력하고 두 개의 센서가 모두 작동시에도 화재신호를 출력한다. 이 구분은 1)자외선 동작시, 2)적외선동작시 3)모두 동작했을 때의 출력전류 값을 감지기와 연결된 컨트롤러가 판별하여 각각의 화재신호를 출력한다.

 

2) 자외선 불꽃 감지기

2-1) 원리 및 구성

· 원리

자외선 센서에 의해 일정대의 파장이 들어오면 광전자 발생에 의해 센서는 전류가 통하게 되고 전류의 양에 따라 검출된 파장의 상대강도를 측정하게 되어 이 상대강도를 이용하여 불꽃에 반응 신호를 발한다.

 

· 구성

자외선 센서는 그림3 Vdc350 정도의 전압을 전극에 인가받고 자외선의 입사에 의해 음극에서 방출된 광전자를 방전현상에 의해 기체상태로 배증하는 냉 음극관으로 구성된다

센서의 Tube는 자외선의 투과가 좋은 석영유리나 자외선 투과유리로서 광전면은 Ni, Mo, Ag 등의 단금속이 사용되고 있다.

 

· 불꽃에서 자외선 검출원리는 자외선이 광전음극에 조사되면 광전자효과에 의해 방출된 광전자가 전계에 의해 양극으로 흡입되고 광전자는 봉입된 가스분자와 충돌하여 전리를 일으켜 전자를 방출한다. 이 과정이 반복되어 2차전자가 발생하게 되고 양극과 음극에서는 전류가 흐를 수 있는 폐회로를 구성하여 방전상태를 이루어 자외선을 검출하는 Mechanism을 구성한다.

· 전자적인 회로는 빛이 조사되면 광전류에 의한 전압강하가 생성되고 입사광의 변화에 따른 전압과 전류의 변화에 의해 검출한다.자외선(Ultraviolet) 감지기는 불꽃에서 방사되는 자외선의 변화가 일정량 이상이 될 때 작동하는 것으로 일 국소의 자외선에 의해 수광량 변화에 따라 작동하는 것이다.

· 빛 ☞ 자외선센서(전기에너지인 펄스신호로 변환) ☞ 신호증폭기 ☞ 비교분석회로 및 카운터회로 ☞ 화재신호 출력.

· 자외선 불꽃감지기는 점화되는 순간의 폭발과 화재에 의해 나오는 높은 자외선 방사에너지를 검출하기 때문에 고속으로 불꽃을 감지한다.

· 자외선 감지기는 185㎚~260㎚의 자외선 파장에서만 반응하도록 제작되며 고감도, 고출력, 고속반응,정확성(신뢰성)이 있다.

2-2) 불꽃의 자외선 특성

 

그림은 물질이 불꽃을 연소시 발생하는 스펙트럼 분포도로 연소물질에 따라 다르지만 통상 가시광선 파장보다 짧은 파장대의 180㎚~260㎚의 자외선 영역에서 많은 양의 방사에너지를 방출한다.

· 그림은 불꽃감지기에서 자외선 파장대의 감지영역(185㎚~260㎚)을 보여주는 것으로 불꽃이 내는 에너지(자외선 방사에너지)의 양을 측정하여 불꽃의 광량을 판별한 것이다

· 불은 모든 방향으로 에너지를 방사하기 때문에 강도는 화재원에서 감지기까지의 거리의 제곱에 비례하여 감소가 되고 방사선의 진행경로 중 연기입자에 의해 감쇄가 발생한다.

2-3) 특징

자외선 불꽃감지기는 260㎚이하의 파장을 갖는 에너지 방사에 반응하는 감지기로서 이 파장대에서 Gammma선, X선, 특수 용접불꽃 등에 의해 비 화재신호를 발할 수 있으나, 바람,비,눈,습도,온도나 압력의 극한 기후에 영향을 받지 않는다. 특히 수소,석유화학제조시설,가스제조 및 저장소,화약제조 및 저장고,화약류 취급장소와 같이 급속한 화염을 방출하는 장소로서 신속한 진화가 필요한 곳에 설치가 적합하다.

 

3) 적외선 불꽃감지기

3-1) 적외선 불꽃감지기의 작동원리 및 구조

· 적외선 감지(IR 감지)는 불꽃에서 방사되는 적외선의 변화가 일정량 이상이 될 때 작동하는 것으로 일국소의 적외선에 의해 수광소자의 수광량 변화에 의하여 작동하는 것을 말한다.

· 연소시 탄산가스 분자는 약 4.3㎛의 적외선 파장영역에서 공명반사가 존재한다. 이 분광특성을 이용하여 이 공명선 만을 검출하는 광학필터를 사용하여 적외선 감지기는 화재시 분출되는 탄산가스의 파장에 의하여 화재를 인식하게 된다. 따라서 연기 등의 영향을 거의 받지 않는다.

· 작동순서

불꽃 파장☞필터(일정대의 파장만 들어온다)☞센서(전류의 변화양에 따라 작동여부 판별)

· 적외선 불꽃감지기는 공명방사방식(CO2 Resonance Radiation Method)을 사용한다. 이 감지방식은 연소시 탄산가스 분자가 약 4.35㎛의 적외선 영역에서 공명방사가 존재하는 특성을 이용한다. 이것은 물체의 연소열에 의한 탄산가스가 열을 받아서 발생하는 탄산가스 특유의 분광특성으로 이 공명선 만을 취하기 위해 검출소자는 긴 파장 영역에도 검출감도를 갖는 PbSe를 사용하고 필터는 4.35㎛ 대역의 적외선 대역통과 필터(Band Pass Filter)가 사용된다.

· 광학 필터를 사용하는 이유는 센서 자체가 파장을 선택 취합하는 능력이 없기 때문에 검출하고자 하는 파장을 통과시키는 광학필터를 전면에 부착하고 Package에 끼워 넣는다.

3-2) 불꽃의 적외선 특성

· 그림4는 물질이 불꽃을 내며 발생하는 스펙트럼으로 연소물질에 따라 다르지만 통상 가시광선 영역 이후의 긴 파장대의 4.3㎛대의 적외선 영역에서 최대에너지를 방출한다.

· 그림5는 연소물질이나 온도에 따른 분광분포 특성을 나타낸 것으로 (a),(b)는 오렌지색의 불꽃을 내는 촛불과 가솔린의 연소시 분광분포 특성이며 2.0㎛, 4.4㎛ 부근의 2개소에서 최대값을 나타내고 있으며 (c)는 청백색 불꽃의 완전연소에 가까운 도시가스의 분광분포로 2.0, 3.0, 4.4㎛ 부근에서 최대값을 나타내고 있다. 이들 불꽃 모두는 4.3㎛ 부근에서 최대분광에너지를 방사하고 있으나 이것은 연소에 의해 발생되는 이산화탄소에 의한 공명방사에너지로 다른 고체물체에서는 볼 수 없는 특징이다.

· 불꽃은 넓은 스펙트럼대로 에너지를 방사시키고 가시광외의 불꽃은 육안으로 볼 수 없는 파장대에서 자외선과 적외선을 방사 시킨다

· (d)는 태양광 6000°k, (e)는 백열전구 2850°k , (f)는 2 ㎛ 부근에서 최대값을 갖는 1400°k의 고온 물체들의 분광분포 특성으로 Flank 법칙에 의해 구한 것이다.

적외선 감지기는 그림4,5에서 보이는 불꽃의 적외선 파장대의 방사에너지의 양을 측정하는 것이다

 

4) 불꽃감지기의 특징

· 광학적 감도가 높아 정확하다

고감도의 자외선 및 적외선 센서로 화재를 감시하여 정확하게 화재를 인식한다.

· 수명이 길다

연속동작시 100,000 시간 이상으로 회로의 안정성이 뛰어나다.

· 환경에 영향을 받지 않는다

온,습도,안개,기류의 변화에 영향이 없다.

· 설치가 간편하다

동작전원 범위가 넓다,감시대기시의 소비전류가 낮다,R형 중계기에 완벽한 호환이 가능하다.특수기능에의 주문제작이 가능하다, 설치위치선정에 제한이 없다.(천장, 벽면, 모서리)

· 구조적 안전성(방폭형 성능 검증)

내압 방폭설계로 감지기 문제로 인하여 외부에 화재원인을 제공하지 않는다.

외압 방폭설계로 외부의 폭발에도 감지기가 영향을 받지 않는다.

· 햇빛에 의하여 오보를 나타내지 않는다.

· 응답시간조절이 가능하다.

· 추가설치 및 관리가 편리하다.

· 감지기 본질안전회로의 70% 이상을 HIC로 제작하여 온도,습도 및 주위온도에 강한 특성을 갖는다.

 

5) 설치시 고려사항

· 전기적 사양을 고려할 것.(소비전류 및 공급전원)

· 주위조건을 고려할 것(동작온도, 습도, 중량 약2.5kg)

· 광학적 사양을 고려할 것

★ 응답거리에 대한 화재의 크기는 소방검정공단 기준에 의하면 33*33㎠ 이다.

 

· 설치공간내의 음역지역(감시각 번위 외)을 감지할 수 없으므로 감지기설치시 음영지역을 최소화하여야 한다.

· 취부위치에 따른 감지영역을 고려한다.