CC BY
27
kpt. mgr inz. Rafal TURKIEWICZ
Zaklad - Laboratorium Sygnalizacji Alarmu Pozaru i Automatyki Pozarniczej Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpozarowej
INNOWACYJNE TECHNOLOGIE MAJ^CE ZASTOSOWANIE W OBSZARZE WYKRYWANIA ZAGROZENIA POZAROWEGO
Streszczenie
W referacie przyblizono najbardziej obiecuj^ce rozwi^zania ukladow detekcyjnych, ktorych zastosowanie w obszarze wykrywania zagrozenia pozarowego stalo siç mozliwe, glownie dziçki rozwojowi wspolczesnej nanotechnologii i optoelektroniki.
Abstract
This article presents the most promising sensors utilized in fire detection applications, which can be nowadays used thanks to continuous progress made in nanotechnology and optoelectronic domain.
Wprowadzenie
Wspolczesne czujki pozarowe w glownej mierze opieraj^. si? na selektywnej detekcji poszczegolnych parametrow pozarowych i porownaniu wielkosci zmierzonej z wielkosciami progowymi zapisanymi w pami?ci.
Post?p technologiczny zwi^zany chociazby z rozwojem ukladow optoelektronicznych przejawia si? rowniez w obszarze systemow wykrywania pozarow. Wsrod mozna wyroznic:
- stosowanie jednoczesnie wielu dlugosci fali, kilku k^tow rozproszenia oraz pomiar wspolczynnika polaryzacji swiatla do identyfikacji rodzaju procesu spalania,
- wykrywanie gazowych produktow spalania za pomoc^. detekcji fotoakustycznej oraz pomiaru przewodnictwa warstwy tlenkow metali naniesionych na baz? tranzystora polowego z uzyciem techniki gradientowej,
- wykorzystanie monochromatycznego promieniowania w pasmie bliskiej podczerwieni,
- adaptacja technik termowizyjnych .
Ponizej w sposob skrotowy i (jak si? wydaje) przyst?pny przyblizono zaawansowane i najbardziej obiecuj^ce rozwi^zania z obszarow nowych technologii.
Swiatlowody
W swiatlowodach do transmisji informacji wykorzystywana jest modulowana wi^zka swiatla. Transmisja swiatlowodowa polega na przepuszczeniu przez szklane wlokno wi^zki swiatla generowanej przez diod? lub laser (emisja fotonow). W wi^zce transmitowana jest zakodowana informacja binarna generowana przez diod? lub laser, ktora jest nast?pnie rozkodowywana przez fotodekoder na koncu kabla. Swiatlowod zbudowany jest z rdzenia, plaszcza oraz warstwy ochronnej. Rdzen stanowi osrodek kabla, ktory odpowiada za propagacj? sygnalu. Rdzenie maj^. srednice rz?du 8mm dla swiatlowodu jednomodowego do 1000mm dla wielomodowych (przesylaj^. wiele modow tj. fal o roznej dlugosci, co jednak powoduje rozmycie impulsu wyjsciowego i ogranicza szybkosc lub odleglosc transmisji). Plaszcz wykonany jest z materialu o nizszym wspolczynniku zalamania swiatla niz rdzen. Roznica ta powoduje, ze zachowuje si? niczym lustro otaczaj^ce rdzen, kieruj^c promien do wn?trza rdzenia, formuj^c fal? optyczn^.. Powloka zwana buforem chroni warstw? plaszcza.
Wykonana jest ona z materialow termoplastycznych i specjalnego zelu chroni^cego wlokno przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. wskutek wibracji). Ze wzgl^du na uzyte w procesach technologicznych materialy wyroznia si? swiatlowody:
- domieszkowane SiO2;
- tzw. ZBLAN, wyprodukowane przy zastosowaniu Zr, Ba, La, Al, Na;
- plastikowe (PMMA);
- z uzyciem wielowarstw epitaksjalnych (np. GaAs/AlGaAs);
- na bazie warstwy dielektrycznej, oraz
- na bazie warstwy polimerowej.
Swiatlowody znalazly praktyczne zastosowania do wczesnego wykrywania pozarow (np. w kanalach kablowych, tunelach drogowych), gdzie wykorzystano proces oddzialywania swiatla z materia okreslane mianem rozpraszania ramanowskiego oraz zmiany wlasciwosci mechanicznych i fizycznych wlokna spowodowane wzrostem temperatury. Rozpraszanie Ramana zachodzi ze zmiany dlugosci fali st^d jest zaliczane do rozpraszania nieelastycznego. Dzi?ki przesuni?ciom dlugosci fali fotonow (w wyniku wzbudzenia rotacyjno-oscylacyjnego cz^steczek) istnieje mozliwosc m.in. identyfikacji zwi^zkow chemicznych, gdyz ich widma Ramana s^. charakterystyczne. Przyklad systemu swiatlowodowego przedstawiono na rys. 1.
Ryc.1. Spektrum ramanowskie i schemat swiatlowodowej czujki temperatury [11].
Podstawowymi elementami powyzszego rozwi^zania jest czuly na promieniowanie termiczne swiatlowod, zrodlo impulsowego swiatla monochromatycznego oraz fotodetektor uzupelniony o blok przetwarzania danych. Stosunek nat?zenia rozpraszania
antystokesowskiego (zalezne od temperatury) do stokesowskiego jest miar^. lokalnych zmian temperatury wi^zki. Przy zastosowaniu procedury OFDR (ang. Optical Frequency Domain Reflectometry) mozliwa jest przy tym identyfikacja miejsca ekspozycji kabla na oddzialywanie termiczne.
Ryc. 2. Wykresy zaleznosci temperatury w funkcji lokalizacji pozaru i czasu zarejestrowany
przez system swiatlowodowy [11].
Innym obszarem zastosowania swiatlowodow do wczesnego wykrywania pozarow jest wykorzystanie oddzialywanie swiatla z analitem, ktore znalazlo swoje odbicie jest w swiatlowodowych czujnikach chemicznych (ang. fibre optic chemical sensors FOCS). Znacz^ce sukcesy w tej dziedzinie maj^. polskie osrodki naukowo-badawcze, gdzie wykorzystano technology zol-zel do wytworzenia szklistych, porowatych, cienkich filmow domieszkowanych molekulami zmieniaj^cymi swoje wlasciwosci optyczne pod wplywem zmian temperatury czy st?zenia substancji chemicznych. Takie sensoryczne, cienkie filmy mog^. bye nanoszone na swiatlowody daj^c miniaturowe czujniki optyczne (optody) zdolne do wykrywania produktow rozkladu termicznego materialow palnych. Przykladem takiego rozwi^zania jest pojedynczy laser InGaAsP (dlugose fali w zakresie od 1,2 do 2,0mm ± 2nm, pobor mocy <100mW) emituj^cy promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni, ktory za posrednictwem swiatlowodow przesyla wi^zk? promieniowania do 800 punktow pomiarowych rozmieszczonych w chronionym obiekcie. Ta technika detekcji zaproponowana i opisana przez [10] opiera si? na jednoczesnym pomiarze st?zenia 3 lub 4 gazow sposrod tlenku i dwutlenku w?gla, cyjanowodoru, chlorowodoru i acetylenu. Pomiar st?zenia CO2 jest o tyle istotny, ze jego st?zenie, choe jest zmienne w czasie, nie spada zazwyczaj ponizej
wartosci 350ppm dziçki czemu znany jest poziom odniesienia pozwalaj^cy na stal^. kontrolç poprawnej pracy ukladu detekcyjnego.
Do zalet systemow wykrywania pozarow oparty o zastosowania swiatlowodow mozna zaliczyc:
- ogromn^ pojemnosc informacyjn^ pojedynczego wlokna;
- male straty, a co za tym idzie zdolnosc przesylania sygnalow na znaczne odleglosci;
- calkowita niewrazliwosc na zaklocenia elektromagnetyczne;
- odpornosc na warunki atmosferyczne (wilgoc, wyladowania elektrostatyczne);
- bezpieczenstwo pracy (brak iskrzenia);
- duza niezawodnosc (w przypadku poprawnie zainstalowanych l^czy s wi atlowodowych) ;
- duza czulosc swiatlowodowych czujnikow chemicznych i temperaturowych;
- selektywne wykrywanie gazowych produktow rozkladu termicznego. Niestety posiadaj^. one rowniez niezaprzeczalne wady wsrod ktorych wymienic mozna:
- mozliwosc latwego przerwania wlokna;
- koniecznosc stosowania konwerterow - kazda konwersja podnosi koszty czasowe transmisji oraz koszty urz^dzen;
- gorsze mozliwosci rozgalçziania;
- mala elastycznosc mechaniczna swiatlowodu;
- (jeszcze) wysokie koszty systemu ze wzglçdu na stopien zaawansowania technologicznego.
NDIR
Spektroskopia absorpcyjna wykorzystuje zrodla promieniowania z zakresu podczerwieni oraz zjawisko pochlaniania promieniowania o okreslonej dlugosci fali. Znaj^c charakterystyczne dla kazdego zwi^zku dlugosci fal mozliwa jest ilosciowa analiza produktow spalania wl^czaj^c CO, HCN, HCL, CO2 i C2H2. Na rysunku 3 przedstawiono przykladowe widmo absorpcji promieniowania dla dwutlenku wçgla.
Diody elektroluminescencyjne emituj^ce promieniowanie w srodkowym zakresie czçstotliwosci pasma podczerwonego. Profil emisyjny diod LED, ktorych pobor mocy wynosi 11 mm, zaprezentowano na rys.
Poniewaz szerokosc pasma emisyjnego diody (0,85^m) znacznie przekracza zakresy pasma absorpcji CO2 i CO zastosowano filtry pasmowe (4,16 - 4,45^m dla CO2 i 4,53 - 4,77^m dla CO) w celu uzyskania zdolnosci do selektywnej detekcji przedmiotowych gazów.
&
4 2 4 4 4.6 4.8 Wavelength (mierons)
Ryc. 3 Profil emisyjny diod z rys. 4 oraz pasma absorpcji dla CO i CO2 [9]. Rys.4. Diody
mid-IR o max. emisyjnosci przypadaj ^cej na dlugosc fali 4,6mm [9].
Pogl^dowy schemat blokowy ukladu detekcyjnego pracuj^cego w oparciu o bezposredni i róznicowy pomiar absorpcji promieniowania zilustrowano na ponizszym rysunku.
Ryc.5. Schemat prototypowego spektrometrycznego systemu detekcji gazów pozarowych [9].
W projektowaniu i wykonywaniu torów optycznych z bezposredni^. modulaj IR, wyposazonych w detektory piroelektryczne i filtry interferencyjne, maj^. wklad równiez polskie jednostki naukowo-badawcze [20]. Wyniki tych badan umozliwily okreslenie
wzajemnego wplywu poszczegolnych analitow w mieszaninie na dokladnosc ich oznaczen oraz opracowania metod pomiaru stçzen, pozwalaj^cych na redukcjç blçdow spowodowanych czulosci^ skrosn^. wynikaj^c^. z nakladania siç pasm absorpcji oraz powodowan^. oddzialywaniami miçdzycz^steczkowymi. Zaproponowane rozwi^zania konstrukcyjne torow optycznych stwarzaj^. mozliwosc wdrozenia do produkcji analizatorow NDIR w postaci prostych modulow detekcyjnych.
W komercyjnych czujkach punktowych znalazly rowniez zastosowanie fotodiody IR powleczone polimerow^. warstwy filtracyjn^, w ktorych wykorzystane zostalo zjawisko zmiany wlasnosci optycznych polimeru spowodowanych oddzialywaniem gazow, co w pol^czeniu z zasad^ pochlaniania promieniowania na drodze optycznej pozwala na ilosciow^. analizç stçzenia gazu roboczego.
Polprzewodnikowe czujniki gazow
Zmiany przewodnictwa elektrycznego w monokrysztalach germanu wywolane oddzialywaniem gazow zostaly po raz pierwszy opisane przez Brattain'a i Bardeen'a w 1953 roku, a rok pozniej Heiland przeprowadzil podobne badania dla ZnO. Wkrotce okazalo siç, ze duze zmiany przewodnictwa pod wplywem redukuj^cej atmosfery wykazuje dwutlenek cyny SnO2. Obecnie material ten stal siç dominuj^cy w konstrukcjach czujnikow gazow ze wzglçdu na relatywnie nisk^. temperaturç pracy i wysok^. czulosc. Szybki rozwoj badan nad polprzewodnikowymi czujnikami gazowymi spowodowany jest prostot^. ich budowy i niskimi kosztami produkcji. Polprzewodnikowe czujniki wykorzystywane do analizy chemicznej bazuj^. na zjawisku zmiany przewodnictwa elektronowego lub mieszanego: elektronowego i jonowego (czujniki przewodnosciowe) oraz/lub zmiany pojemnosci (czujniki pojemnosciowe) na skutek oddzialywania z molekulami fazy gazowej. Ze wzglçdow konstrukcyjnych czujniki dzieli siç na homogeniczne (o jednorodnej budowie) oraz czujniki heterogeniczne (zawieraj^ce struktury polprzewodnikowe, tzw. czujniki strukturyzowane) typu diod Schottky'ego i tranzystorow polowych. Dziçki separacji bramki i obszaru zrodlo-dren tranzystora FET warstwy infiltracyjn^. umozliwiaj^c^. dyfuzjç mieszaniny gazowej zbudowano tranzystor SGFET (Suspended Gate FET).
Pokrycie podloza bramki tranzystora warstw^. tlenku metalu (zazwyczaj SnO2 ze wzglçdu na relatywnie nisk^. temperatura pracy i wysok^. czulosc) powoduje zmianç przewodnictwa elektrycznego spowodowan^. reakcj ц katalityczn^. zachodz^c^. na j ej powierzchni. W wyniku oddzialywania fazy gazowej z powierzchni^. pólprzewodnika tworz^. siç wi^zania chemiczne pomiçdzy cz^steczkami gazów a materialem adsorbenta. Proces ten nosi nazwç chemisorpcji. Wynikiem tego procesu jest zmiana koncentracji nosników pr^du powoduj^ca zmianç przewodnictwa powierzchniowego pólprzewodnika. Zjawiska te dotycz^. z reguly bardzo cienkiej, przypowierzchniowej warstwy pólprzewodnika o grubosci zaledwie kilku warstw atomowych. Doln^. granicç grubosci takich warstw stanowi granica ci^glosci nanoszonego materialu, a górn^. okresla zanikanie róznic we wlasnosciach pomiçdzy materialem litym a cienkowarstwowym. Zobrazowanie procesu adsorpcji gazów prowadz^cego do zmian wlasnosci elektrycznych pólprzewodników przedstawiono na ponizszym rysunku.
chemisorpcja redukcja
elektrody
-0,0-'-0-
Ryc.6. Proces adsorpcji gazów na powierzchni pólprzewodnika [В]
Proces ten jest jednak silnie zalezny od oddzialywania pary wodnej zawartej w atmosferze. Aby wplyw ten ograniczyc, czçsc detekcyjn^. na której zachodzi reakcja podgrzewa siç miejscowo do temperatury co najmniej 1500C (w praktyce od 200 do 5000C) co powoduje relatywnie duzy pobór mocy takich czujników.
Jak juz wspomniano wczesniej w czujnikach cienkowarstwowych najczçsciej stosowanym materialem jest dwutlenek cyny SnO2. Przyklad dynamiki odpowiedzi czujnika CO wykonanego z SnO2 przedstawia rysunek 4. Czujnik wykrywa selektywnie tlenek wçgla
juz od stçzenia kilku ppm w atmosferze zawieraj^cej tlen, parç wodn^, SO2, CO2 i azot. Charakteryzuje siç stosunkowo krótkim czasem odpowiedzi i praktycznie liniow^. charakterystyk^..
---SN-650
- SN-9E0
---Tf-SäQ
----TÍ-850
0 30 <И> &0 120 150 Time {min}
Ryc.7. Dynamika odpowiedzi cienkich warstw SnO2 na skokow^. zmianç stçzenia CO (100ppm). Punkt pracy czujnika 350°C. [7]
Do zalet sensora pólprzewodnikowego nalez^ w glównej mierze wysoka czulosc, zdolnosc do wykrywania wielu gazów (nie tylko selektywnego), selektywnosc (gdy jest to poz^dane), niskie koszty (rzçdu kilku Euro),
natomiast podstawowe wady wynikaj^. z znacznego poboru mocy (od kilkudziçsiçciu mW do kilku W) oraz ograniczonego czasu uzytkowania (do 5 lat).
Uklady strukturyzowane
Obecnie stosowane rozwi^zania konstrukcyjne czujek wielodetektorowych zawieraj^. detektory gazowych produktów spalania wyszczególnione w tabeli 1 (kolorem wyrózniono uklady detekcyjne zaimplementowane w czujkach pozarowych dopuszczonych w chwili obecnej do stosowania w Polsce). Dopuszczone do stosowania w chwili obecnej komercyjne, wielodetektorowe czujki punktowe z ukladem detekcji gazowych produktów spalania s^. czujkami optyczno-chemicznymi i chemiczno-temperaturowymi, które pracuj^ w oparciu o wykrywanie obecnosci tlenku wçgla. W przypadku optycznych czujek dymu rozbudowanych o komorç elektrochemiczn^, jej zastosowanie ma na celu przede wszystkim ograniczenie mozliwosci wyst^pienia falszywych alarmów.
Tabela 1.
Typ czujnika
Zasada dzialania
Pôlprzewodnikowy (MOS- SGFET) Reakcja gazu redukuj^cego z powierzchni pôlprzewodnika
El ektrochemi czny (komora elektrochemiczna) Reakcja chemiczna z powierzchni^ detektora
Fotoelektryczny (optody, diody LED z warstw^. polimerow^) Zmienna absorpcja promieniowania dla rôznych gazôw
Tabela 1. Zasada dzialania elementôw detekcyjnych wykrywaj^cych gazowe produkty spalania, ktore znalazly zastosowanie w czujkach pozarowych
Wspôlczesne punktowe, wielodetektorowe czujki pozarowe zbudowane s^ z kilku ukladôw detekcyjnych monitorjcych rôzne wielkosci fizykochemiczne charakterystyczne dla rozwoju zjawiska spalania. Uzupelnione s^ przy tym o wielokryterialne algorytmy posilkuj^ce siç korzysciami plyn^cymi z zastosowania metod sztucznej inteligencji z zaimplementowanymi algorytmami wykrywania pozarôw bazuj^cymi w glôwnej mierze o teoriç sieci neuronowych, logikç rozmyt^ i ich kompilacje. Rôwnolegle udoskonalane s^ alternatywne metody detekcji oparte o uklady strukturyzowane (smart microsensors arrays). Intenj budowy takich konstrukcji jest wykrywanie symptomôw rozwijaj^cego siç pozaru i ich rozrôznienie od rozprzestrzeniaj^cego siç w przyleglych strefach dymu, czyli procesu, ktôry nieodl^cznie mu towarzyszy. Ma to szczegôlne znaczenie przy automatycznej inicjacji procedury uruchamiania urz^dzen gasniczych w strefie objçtej pozarem, nie zas w obrçbie obszaru jedynie zadymionego. Dodatkowo, w oparciu o zarejestrowane sygnaly istnieje mozliwosc identyfikacji rodzaju materialu palnego podlegaj^cego rozkladowi termicznemu, co znacznie ulatwia to ustalanie przyczyny rozwoju pozaru. Prowadzone przez ostatni^ dekadç prôby odwzorowania zmyslu powonienia doprowadzily do budowy tzw. elektronicznego nosa, posiadaj^cego zdolnosc selektywnej percepcji analitôw, ktôra w pol^czeniu z wielowymiarowymi metodami przetwarzania danych obiektowych w sposôb coraz bardziej zblizony do idealu nasladuje swojego biologicznego protoplastç. Przyczynilo siç temu kilka przyczyn posrôd ktôrych wymienic mozna postçp w obszarze nanotechnologii, rosn^ce zainteresowanie problematyk^. monitorowania stçzen gazôw niebezpiecznych w srodowisku pracy, kontroli procesôw produkcyjnych oraz rozwôj ukladôw kondycjonowania
i zamiany sygnalow z ukladow sensorycznych na postac binarn^. i przetwarzania i filtracji danych przy uzyciu wyrafinowanych metod rozpoznawania i grupowania wzorcow (ang. patern recognition method) oraz ich dalszej klasyfikacji.
Elektrokatalityczne mikrosensory grubowarstwowe z naniesionymi filmami ze spiekow ceramiczno-metalowych skonstruowano w General Atomics w ramach projektu rozwojowego prowadzonego pod auspicjami US Navy. Uklady prototypowe stanowily pojedyncze sensory jak ich wzajemnie powi^zane uklady (WBO/Pt, YSZ/Pt, YSZ/Pd) przedstawiono na rysunkach 8 i 9.
Rys. 8. Sensory cermet produkcji General Atomics [8]. Rys. 9. Gniazdo wielodetektorowej czujki
gazowej z ukladem PCB [8].
System taki posiada cechy umozliwiaj^ce zbudowanie rozproszonej sieci „inteligentnych" czujnikow chemicznych zdolnych do monitorowania st?zen gazow toksycznych i zwi^zkow niebezpiecznych.
Innym przykladem zaawansowanej odmiany tym razem cienkowarstwowego ukladu strukturyzowanego zbudowanego w oparciu o sensory polprzewodnikowego jest uklad detekcyjny skladaj^cy si? z 38 segmentow, ktorych przewodnictwo elektryczne jest rownoczesnie mierzone i zalezy od dyfuzji gazow przez warstw? SiO2. Dzi?ki pokryciu kazdego z segmentow roznej grubosci membrane SiO2 (rz?du nm) oraz utrzymywaniu stalego gradientu temperatur poszczegolnych sekcji udalo si? uzyskac selektywnosc w zakresie detekcji roznych produktow rozkladu termicznego. Taka konstrukcja elementu detekcyjnego pozwala na elektrochemiczn^. analiz? skladu mieszaniny lotnych produktow spalania, co moze na przyklad ulatwic identyfikacj? substancji palnych, od ktorych zaplonu rozwin^l si? pozar, miejsca i co najwazniejsze przyczyn jego rozwoju, a takze pozwolic biez^ce monitorowanie obecnosci zwi^zkow niebezpiecznych w miejscu zainstalowania.
Ryc. 10. Przekroj detektora MOS oraz widok ukladu detekcyjnego KAMINA [6].
Typowy sensor posiada przetwornik zamieniaj^cych informacj? fizykochemiczn^. na sygnal elektryczny oraz podatne chemicznie podloze. Dalej przetwornik A/C koduje informacj? na postac numeryczn^. (binarn^), ktora w formie macierzy danych tworzy unikalny dla kazdego produktu spalania obraz (wzorzec). Techniki rozpoznawania wzorcow znalazly zastosowanie w przypadku wielokryterialnych lub wielosensorowych systemow detekcyjnych. Ilosc sensorow determinuje liczb? osi w wielowymiarowej przestrzeni. Rozne rodzaje procesu spalania lub zjawisk pokrewnych reprezentuj^ zbiory punktow w niej rozlokowanych. Pozary ktorych przebieg jest zblizony do powoduj^. wygenerowanie sygnalow ktore skupiaj^. si? w s^siedztwie zapami?tanych wzorcow. Metoda rozpoznawania wzorcow (ang. patern recognition method) posilkuje si? statystycznymi metodami obrobki danych wejsciowych oraz analiz^ numeryczn^. w celu zdefiniowania wzajemnych powi^zan pomi?dzy rejestrowanymi sygnalami z poszczegolnych torow pomiarowych. Po matematycznym zdefiniowaniu granic pomi?dzy obszarami skupien istnieje mozliwosc identyfikacji rodzaju przebiegu pozaru oraz ich odroznienie od zrodel alarmow falszywych.
Ryc.11. Zobrazowanie metody rozpoznawania wzorcow. Zaznaczone obszary reprezentujq skupiska sygnalow diagnostycznych reprezentatywnych dla czystego powietrza, atmosfery zawierajqcej zwiqzki charakterystyczne dla typowych rozpuszczalnikow (izopropanol, etanol, ksylen, toluen, aceton, WD40) oraz zwiqzkow chemicznych emitowanych w przypadku rozkladu termicznego powloki kabla energetycznego (np. w wyniku przeplywu prqdu przeciqzeniowego) [6].
Polprzewodnictwo akceptorowe jest w glownej mierze przydatne przy wykrywaniu gazow ulegajqcych utlenianiu, ktorych czqsteczki b?dq wiqzac elektrony podczas absorpcji gazu zwi?kszajqc liczb? nosnikow ladunku (dziur) i w konsekwencji przewodnictwo elektryczne. Oprocz polipiroliny, ftalocyjanina (Pc) znalazla zastosowanie przy budowie sensora polprzewodnikowego z warstwq organicznq , ktory jest szczegolnie przydatny przy wykrywaniu gazow ulegajqcych utlenianiu, w tym tlenkow azotu NOx. Jako atom centralny Me (patrz rys. 12) mogq byc stosowane nast?pujq,ce pierwiastki: Cu, Pb, Ni, Co czy tez Fe.
Ryc. 12. Budowa molekuly Pc [1]
Wst?pne wyniki badan s^. obiecuj^ce dzi?ki obserwowanym nast?puj^cym zaleznosciom (patrz rys.13 ):
- przewodnictwo elektryczne maleje w przypadku tlenia materialow organicznych, choc wzrost st?zenia tlenku w?gla nie wplywa na zmian? sygnalu wyjsciowego. Zaklada si?, ze odpowiedz ukladu spowodowana jest reakj na tworzenie si? amin - zwi^zkow charakterystycznych dla niecalkowitego spalania paliwa;
- przewodnictwo elektryczne rosnie przy spalaniu plomieniowym i tleniu tworzyw sztucznych PVC, PE-LD.
Ryc. 13. Wzgl?dna zmiana sygnalu wyjsciowego w funkcji czasu [1]
Poprzez dobor grubosci warstwy Pc (sublimacja prozniowa, nakladanie mechaniczne) oraz domieszkowanie z zastosowaniem zwi^zkow chemicznie aktywnych (katalizatorow reakcji) mozliwa jest modyfikacja charakterystyk polprzewodnika. Jest to jednak technologia na tyle nowa, ze do tej pory nie znalazla zastosowania w komercyjnych czujkach punktowych.
Do zalet takiego rozwi^zania nalez^.:
- znacznie nizsze temperatury robocze w porownaniu z tranzystorami SGFET (od 100 do 150°C), co niesie ze sob^. mniejsze zapotrzebowanie na moc (rz?du kilku mW);
- wysoka stabilnosc chemiczna molekul ftalocyjaniny (Pcs);
- duza czulosc rzçdu ppb;
- potwierdzona wytrzymalosc na oddzialywanie atmosfery korozyjnej ;
- zdolnosc do wykrywania róznego rodzaju procesów spalania.
Podsumowanie i wnioski
Czujki wielodetektorowe zawieraj^ce czujnik gazowych produktów spalania stanowi^. kolejny krok w rozwoju ukladów wykrywczych systemów sygnalizacji pozarowej. W obszarze wykrywania zagrozenia pozarowego sensor gazu, obok czçsci odpowiedzialnej za wykrywanie dymu, stanowi w praktyce czçsc detekcyjn^. wielodetektorowej czujki pozarowej. Wsród wiedzie prym sensor CO, co przez wzgl^d na przebieg rozwoju pozaru (zalezny m.in. od rodzaju procesu spalania) oraz bezposredni^. przyczynç przewazaj^cej wiçkszosci zgonów spowodowanych inhalaj produktów spalania, jest uzasadnione.
Zaawansowane przetwarzanie danych uzyskiwanych w oparciu o monitorowanie wielu parametrów fizyko-chemicznych zwi^zanych z rozwojem pozaru ma sens tylko w przypadku stosowania niezawodnych w dzialaniu sensorów, na których mozna polegac. W przeciwnym razie prowadzi to do koniecznosci borykania siç z problemami czçsto nie do rozwi^zania. Jednym z zasadniczych, który dotyczy obecnie stosowanych podzespolów, jest ich relatywnie krótki czas uzytkowania. Ze wzglçdu na utratç wlasciwosci funkcjonalnych trzeba liczyc siç z koniecznosci^. wymiany czujek co 3-5 lat. Istnieje zatem potrzeba dalszego poszukiwania rozwi^zañ z obszaru nowych technologii, których przyklady zostaly powyzej jedynie zasygnalizowane.
Bibliografia
1. Schutze A., Application potential of organic semicoductor gas sensors for fire detection.; VdS-Conference. November 15 - 16, 2000, Cologne/Germany.
2. Hensel. A.; Further Development of Optode Membranes for the Selective Detection of Combustion Gases.; VdS-Conference. November 15 - 16, 2000, Cologne/Germany.
3. Gassensorik in der Brandmeldetechnik.; Vds Fachtagung; 15-16 November 2000, Köln
4. http://bazy.opi.org.pl/ raporty/opisy/synaba/122000/sn122309.htm
[5] Bomse D., A diode laser multigas analyzer for advanced detection offires, NIST 2002.
6. Harms M., Goschnick J., Young R. C.; Early detection and distinction of fire gases with a gas sensor microarray.; AUBE 01' 12th International Conference on automatic fire detection. Proceedings; NIST
7. M. Cristina Carotta i in., Gas sensors based on semiconductor oxides: basic aspects onto materials and working principles.; Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 828, 2005 Materials Research Society
8. S.L. Rose-Pehrsson, Fire Protection Systems: Alternative Sensors, w: Making the Nation Safe from Fire., The National Academies Press, Washington DC, 2001
9. Jeffrey S. Goldmeer; A Rugged LED-Based Sensor for Fire Detection; AUBE 2001 - 12th International Conference on Automatic Fire Detection; NIST 2001
10. Bomse D., A diode laser multigas analyzer for advanced detection offires, AUBE 2001 - 12th International Conference on Automatic Fire Detection; NIST 2001
11. U.Glombitza, H.Hoff; Fibre Optic Radar System for Fire Detection in Cable Trays.; AUBE 2004 - 13th International Conference on Automatic Fire Detection; Universitat Duisburg-Essen, Germany
