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불꽃감지기 선택
(part1-감지기술)

이 글은 화재감지 기술과 응용분야를 기반으로 불꽃감지기의 선택을 위해 필요한 지침을 제공하는 2부 구성 중 첫 번째 기고문임.

수십 년 동안 복사에너지를 감지하는 불꽃감지기는 산업 및 상업시설의 화재보호를 위한 광학 화재감지기로 적용되었다.

화재는 가연물의 성질에 따라 적외선(IR), 가시광선(VIS) 및 자외선(UV) 파장의 전자기 복사를 방출하는 것으로 알려져 있다. 불꽃감지기는 각 스펙트럼 대역과 일치하는 센서를 사용하여 방출된 복사 에너지를 측정하고 실제 화재인지를 확인한다.

불꽃감지기 설계자는 오경보를 막고 실화재를 감지하는 것 사이에서 정확한 균형을 이루는 것이 완벽한 감지기의 목적이라고 생각해 왔다. 오늘날 그렇게 완벽한 감지기는 없다는 것이 일반적으로 받아들여지고 있다. 모든 감지기는 장점과 한계점이 있으며, 화염 유형을 감기지가 작동하는 환경/응용분야와 일치시키려면 다양한 불꽃감지 기술이 필요하다.

광학감지기는 열이나 연기가 감지기에 도달하기 전에 원거리에서 화재를 감지할 수 있으며, 화재상황에 매우 신속하게 대응할 수 있다. 이는 n-헵탄을 이용한 화재실험을 통해서도 알 수 있다. 실험결과 80m 떨어진 0.1㎡(1sq.ft)에서 발생한 화재를 단 7.1초 만에 감지할 수 있었다. 이 기능은 기존의 화재감지 기술이 작동하지 않는 실외 및 대규모 건물에서 광학 화염감지를 매우 효과적으로 만들어 준다.

사용 가능한 광학 불꽃감지기의 가장 일반적인 유형은 무엇인가?

오늘날 사용되는 가장 일반적인 광학 불꽃감지기는 다음과 같다.
- UV-IR 감지기 (UV 및 IR 감지 기술의 조합) - IR3 감지기 (삼중 IR감지기-화재 감지 및 오경보 방지를 위해 3개의 IR 대역 사용)

UV 불꽃감지기란 무엇인가?

UV 불꽃감지기는 1970년대 초반부터 사용되었다. 대부분의 UV 감기지는 180~250나노미터(nm) 범위에서 방출되는 방사선을 감지하는 센서 튜브를 사용한다.

UV 불꽃감지기는 감지 메커니즘이 단순히 초당 감지기가 수신하는 광자(빛 에너지)의 수와 관련이 있기 때문에 화재에 매우 빠르게 대응할 수 있다. 미리 설정된 임계값을 초과하면 감지기가 작동한다.

태양의 방사선은 지구 대기에 흡수되는 동안 거의 모든 화재는 이 대역에서 방사선을 방출한다. 결과적으로 태양광에 반응하지 않는 감지기가 된다.

UV 감지기는 탄화수소(액체, 기체 및 고체), 금속(마그네슘), 황, 수소, 히드라진 및 암모니아를 포함한 대부분의 화재에 민감하다.

오늘날 UV 불꽃감지기는 가스 터빈의 음향 인클로저 내에서 주로 사용된다. 이것은 UV 불꽃감지기가 터빈에서 발생하는 열에 둔감하기 때문이다. UV 감지기는 범용적으로 좋은 장치이지만 용접, 번개, X선, 스파크, 아크 및 코로나와 관련하여 오경보를 발하는 문제가 있다. 또한 톨루엔과 같은 일부 가스 및 증기는 검출을 억제하고, 광학 오염, 오일 미스트, 먼지, 흙 및 모래는 감지기를 가릴 수 있다는 점에 유의해야 한다.

UV 불꽃감지기

단일 주파수 IR 불꽃감지기란 무엇인가?

단일 주파수 IR(SFIR) 불꽃감지기는 기본적으로 탄화수소 화재의 주요 방출 대역인 약 4.5미크론의 좁은 복사 대역을 모니터링 한다. 이 대역은 태양 복사가 지구 대기에 흡수되어 단일 주파수 IR 불꽃감지기를 태양광 블라인드로 만들기 때문에 특히 유용하다.

SFIR 감지기는 초전기 센서와 저주파 대역 통과 필터를 사용하여 깜박거리는 화재의 특징에서 나오는 이러한 주파수에 대한 반응을 제한한다.

단일 주파수 IR 감지기는 광학 오염 물질에 대한 내성이 높으며 태양광, 용접, 번개, X선, 스파크, 아크 및 코로나에 둔감하다. 그러나 비탄소 화재에는 적합하지 않으며 변조된 적외선 소스에 대한 오경보가 발생할 수 있다. 감지기 렌즈에 있는 빗물과 얼음은 감지를 방해한다.

오늘날에는 주로 UV-IR 및 삼중 IR(IR3) 불꽃감지기가 발전하여 UV 감지기는 물론 SFIR 감지기를 사용하는 경우가 매우 드물다.

UV-IR 불꽃감지기란 무엇인가?

이름에서 알 수 있듯이 UV-IR 불꽃감지는 UV 및 IR 불꽃감지 기술의 조합이다. UV-IR 불꽃감지기는 원하는 화재/연료 유형에 맞는 IR 센서와 필터가 있는 태양광 차단 UV 센서를 사용한다.

감지기의 반응특성은 선택된 IR파장에 의해 결정된다. 일반적으로 비탄화수소 화재의 경우 2.7미크론, 탄화수소 기반 화재의 경우 4.5미크론이 된다.

UV-IR 불꽃감지기는 UV 및 IR 감지 기술을 통해 몇 가지 오경보 자료를 공유하기 때문에 오경보에 대해 매우 탄력적이다. 하지만 이러한 장치를 사용할 때는 광학 오염, 공기 중 용매, 검출기 광학 장치의 수분 및 얼음과 같이 감기지의 반응을 방해할 수 있는 수많은 요소가 있으므로 주의해야 한다.

단일 주파수 IR 불꽃감지기

삼중 IR 불꽃감지기(IR3)이란 무엇인가?

1990년대 후반에 마이크로프로세서 속도의 발전으로 스펙트럼 대역의 보다 복잡한 분석이 신속하게 계산될 수 있었다. 삼중 IR 감지기에는 각각 다른 IR 파장에 민감한 3개의 센서가 있다. 일반 탄화수소 화재에서 방출되는 IR복사는 오경보 방지를 위한 두 개의 인접 스펙트럼 대역(보호 대역) 감지 센서보다 하나의 센서에서 감지되는 파장(일반적으로 4.5 미크론)에서 더 강하게 반응한다. 이것은 다른 방사선원(예: 히터, 램프, 햇빛)에서는 해당되지 않는다. 왜냐하면 보호대역의 감도가 적어도 하나 이상에서는 4.5미크론 보다 크기 때문이다. 감지기의 전자회로는 수신된 정보를 데이터로 변환한다. 이렇게 분석된 데이터는 불꽃 깜박임 분석, 임계 에너지 신호 비교, 다양한 신호 간의 상관관계와 수학적 비율 등으로 사용된다.

삼중 IR 감지기는 오경보에 대해 거의 내성이 있으며, 일부 화재 유형에 대해서는 매우 긴 감지거리를 가질 수 있다. 그러나 감지거리와 응답 시간에 관해서는 제조사마다 성능 차이가 매우 크다. 2개의 동일한 삼중 IR감지기는 없다. 화재 및 가스 설계 엔지니어는 해당 응용 분야에 대한 감지기 성능, 특히 관심 화재 유형까지의 감지 거리 및 대응 속도를 신중하게 검토해야 합니다.

3중 IR 화염 감지가 처음 출시되었을 때 주요 화재 감지 채널로 선택된 파장대역 때문에 탄화수소 화염 감지만 가능했다. 최근 몇 년 동안 선택할 수 있는 필터가 발전하여 이제는 수소를 감지할 수 있는 장치를 사용할 수 있다. 이 장치는 비탄화수소 화재 감지 채널에 2.7미크론을 사용하고 오경보 방지를 위해 두 개의 인접한 파장을 사용한다.

IR3 감지기는 UV-IR 감지기와 비교할 때 비용은 약간 더 높지만 감시영역이 더 넓어서 동일한 면적을 감시하는데 필요한 감지기 개수가 거의 없어 전체 설치비용도 저렴하다.

삼중 IR 불꽃감지기

애플리케이션 이해

감지기 유형을 선택하기 전에 설계자는 애플리케이션과 그 설치방법을 이해하는 것이 중요하다. 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

- 구역 분류: 위험 구역에 장치를 설치해야 하는가? 그렇다면 어떤 승인이 필요한가? - 화재 위험: 무엇이 연소될 것인가? 확대 가능성은 무엇인가? 어떤 크기의 화재를 감지해야 하는가? - 비화재 경보 소스: 위험한 화재가 발생하지 않은 상태에서 감지기가 경보를 울리게 할 수 있는 것이 있는가? 모든 불꽃감지기 유형에서 원하지 않는 소스 중 가장 확실한 것은 상층 또는 지상 플레어(flare)이다. 그러나 서로 다른 감지 기술은 서로 다른 자극에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있다. - 작동 조건 : 불꽃감지기는 1차 안전장치로서 동작시간을 최대화하는 것이 필수적이므로 최대 및 최소 작동온도를 이해하는 것이 중요하다. 어떤 환경 문제가 존재하는가? 비, 눈, 염수 분무, 모래 및 먼지 폭풍 등 문제 목록은 계속 추가될 수 있다. - 유지보수 및 기능 테스트: 불꽃감지기는 정례적인 테스트가 필요하고, 오염 수준이 높은 대기에서는 주기적인 유지보수가 필요할 수 있다. 가능하면 손쉽게 접근이 가능해야 하지만 이것이 항상 가능한 것은 아니다.

결론

이 기사에서는 사용된 기술과 응용 분야에 따라 불꽃감지기 선택에 대한 몇 가지 지침을 제공했다. 오늘날 판매되는 대부분의 불꽃감지기는 UV-IR 또는 IR3 기반이다. 이러한 기술을 사용하는 장치는 광범위한 화재 유형을 감지할 수 있으며 성능은 주로 선택된 IR 파장에 의해 결정된다. 이러한 감지기는 오경보 방지능력이 매우 뛰어나지만 특히 IR3 기반 감지기의 경우 제조사마다 성능에 상당한 차이가 있다. 다음 편에서는 불꽃감지 시스템의 적용 및 설계 고려 사항에 대해 더 자세히 다루고자 한다.

자세한 내용은 www.fg-detection.com을 참조하기 바람.

  • 참고문헌
  • 2020년 10월자 FlameSpec-IR3 제품 데이터시트 F120V0010.06에서 가져온 FM 승인 성능 데이터.

번역. 김태훈|한국소방안전원 정책연구소 연구원

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