云雾室技术在极早期火灾报警侦测中的应用

云雾室技术在极早期火灾报警侦测中的应用

一、火灾探测设备面对的火灾挑战

随著人类科技的进步，火灾探测器的性能也不断的提升，也解决了许多过去无法解决的问题。但时至今日，仍然有许多的场合，依然挑战著火灾探测设备的能力。在今日复杂的环境里，火灾探测设备被要求具有下列的能力：

1.有极高的灵敏度，以争取更多的反应时间，才不致于酿成巨灾；

2.在极高的灵敏度运行状态下，不会因灰尘而造成误报，产生运行上的困扰；

3.在气流稀释烟雾的状况下，亦能保持高灵敏状态；

4.在开关柜的阻隔下亦能进行火灾探测；

5.在高大空间环境中，能降低烟雾分层现象的冲击。

传统的点式探测器、高灵敏度烟雾探测器、火焰探测器对于上述的问题无法解决是显而易见的。传统的点式探测器不具备有高灵敏度探测能力是众所皆知的，而高灵敏度烟雾探测器因仍旧采用传统光电式的光遮蔽原理(光遮断或散射方式)，若是要设定在高灵敏度状态下运行，势必频繁造成误报的困扰，最终也不得不降低灵敏度以求妥协，其结果就是回到传统的点式探测器一般的灵敏度，如此一来，不仅对火灾探测没有增加多少效益，而投资大量预算设臵的空气采样式高灵敏烟雾探测器更形同浪费。而气流稀释烟雾及烟雾分层现象更使得传统的点式探测器或高灵敏度烟雾探测器对火灾无能为力。火焰探测器需要有火苗产生才能探测到火灾，较适合使用在易燃性气体或液体火灾，加上空间许多遮挡物，造成火焰探测器无法及时对火灾做出反应。

因此,探测器要成功的对抗火灾的基本要件是：

1.具有在烟未产生前的过热(overheating)或打火状况下即能反应的极高灵敏度，而在此高

灵敏度状态下运行, 亦不会因环境因素(如灰尘、温湿度的变化)影响而产生误报；2.探测器必须能承受因气流变化造成探测标的物被稀释的影响，而仍能维持在高灵敏反

应的能力, 以达到及早报警的预防效果；

3.能降低烟雾分层现象的冲击，火灾生成物必须能到达探测器，以快速反应火灾情况；

4.能解决开关柜内探测的问题，不因机柜的阻隔而延误救灾；

5.日后的维护工作需要简易，让火灾探测器得以稳定的正常运行。

二、IFD云雾室型极早期探测系统技术特点

上述几项要求对传统点式光电型探测器、红外对射型探测器、图像式火焰报警探测器、或如激光型空气采样式烟雾探测器而言，都是无法满足要求的。只有采用云雾室探测技术(Cloud Chamber Technology)的IFD探测器，它具有最快的火灾反应灵敏度，几乎等于零的误报率，因而避免了复杂的火灾确认程序、避免延迟救灾的时间、避免降低对警报的警觉性、避免以调低灵敏度来降低误报率，能真正反应投资极早期探测器的意义。

IFD 云雾室型极早期火灾探测器具有如下特点：

1.全世界唯一具有能运转在最高灵敏度(火灾极早期阶段)状态下而不误报的能力；

2.不会受粉尘、雾气等影响而造成误报，不需使用内、外臵式精密过滤器，没有额外费

用支出的问题；

3.探测火灾生成物为火灾极早期阶段的不可见热释微粒子(小至0.002μm)，数量庞大(每

立方公分达500,000颗以上)，受气流稀释的影响远小于火灾第二阶段产生的烟雾；4.因不可见热释微粒子重量比起烟雾而言是微不足道的，仅需极小的热能便可将其带往

较高的空间，让探测器容易补捉到而不会漏报，因此，适合安装在高大空间的场所(已实际通过45米高的大空间火灾模拟探测测试)；

5.采用空气采样管主动吸取环境中的火灾生成物，对于难被探测的封闭空间(如机柜内)，

亦容易以毛细管采样的方式，深入机柜内取样，解决封闭空间阻隔的问题；

6.不会受灰尘影响而造成误报，因此，不需要使用昂贵的高效过滤器；而由于光会自然

衰减的问题，每五年建议更换的光电探测元件价格仅为设备整体成本的5%，因此，具有最低廉的整体使用成本(购臵成本+维护成本)；

7.探测器部件采模块化设计，维修臵换容易，可于现场拆卸更换；

8.4阶火灾分段警报，每阶段警报具10阶可调灵敏度；

9.监控软件可提供二次开发接口；

10.满足GB 15631-2008《特种火灾探

测器》要求，并经沈阳国家消防电

子产品质量监督检验中心测试合

格；取得国家CCC认证；

11.经国外著名测试机构UL、FM等测试认可。

三、IFD云雾室型空气采样式极早期火灾探测器的工作原理

根据NFPA72的定义：空气采样式探测系统(如

右图)是由探测器及空气采样管道系统组成，管道

成网络分布，从探测器延伸至被保护

区域。探测器内的抽气扇通过空气采

样点及管路系统将被保护区内的空气

样本抽送回探测器，探测器会对空气

样本中是否含有火灾产生物进行检测

分析。依据「NFPA, Fire Technology 1974」文献说明，当一物质于受热达过热时(Overheating)，即因化学变化导致材质分解，而会释放出不可见的次微米粒子(直径为约0.002微米,μm,10-6)，当该物质持续受热达到燃点时，即开始转变产生碳粒子(亦即所谓的碳烟)，并开始溶解而燃烧。从材质过热分解到烟雾产生的阶段，我们称之为火灾「极早期」阶段(如左图)。

火灾极早期阶段是指物质从被过度加热超过其材质可承受的临界点(即热分解点；Thermal Particulate Point)，到氧化燃烧并开始产生碳烟的阶段。在火灾发生的极早期阶段(此时尚无烟粒子产生)所出现的情况是热力的适度增加，进而产生大量的不可见次微米粒子(0.002μm；μ=10-6)。

在火灾成长的各个阶段，空气中粒子数的组成及数量为(如右图):

–在正常阶段，空气中只有一般的悬浮粒子，数量约在25,000/cc至60,000/cc之间；

–在极早期阶段，空气中除了一般的悬浮粒子，还有因物质过热达热崩溃点而释放出的不可见次微米粒子。数量约在500,000/cc以上；

–到达烟阶段，空气中有一般的悬浮粒子，不可见次微米粒子，还有烟粒子。粒子持续累积的数量约在1,000,000/cc以上。

一般采用光散射原理(scattered light principle)的激光型或LED型早期烟雾探测器并不

对次微米粒子产生反应；它所能探测到的粒子大小是受探测器所使用的探测光源之波长

(激光约为0.3微米)所限制；如果光波长大于粒子直径，就无法探测到粒子的存在。然而在火灾极早期阶段，热释次微米粒子的直径约为0.002微米(μm,10-6)，所以，采用光散射原理的激光型或LED型早期烟雾探测器无法探测出火灾的早期征兆是可想而知的。

IFD是世界上最先将云雾室(Cloud Chamber)的技术(即微粒子计数能力)应用于火灾极早期探测的探测器，云雾室探测技术使得IFD对火灾极早期所产生的大量不可见的次微米粒子具独特的探测能力。

IFD经由空气采样管路将被保护区内的空气样本送入探测主机内，若此区域内的空气样本含有火灾极早期阶段释放出的高浓度的不可见次微米粒子，云雾室即有能力透过一简单的精密机械处理过程，利用水滴的凝结特性将这些不可见的次微米粒子及空气中的灰尘粒子一个个分别内含在个别的小水滴中心(一颗粒子形成一颗水滴)，而形成一颗颗可见的细小雾状水滴(约20μm) (如下图)，透过这庞大的雾状水滴所形成的遮光面及透光率，即可测出空气样本所含粒子的数量，而灰尘粒子的数量相对于0.002微米粒子的数量,是相当相当少的(约1:25以上),因而可以区别得知是正常状况或是极早期火灾的讯息。

火灾极早期阶段产生的次微米粒子数量非常多，

但由于体积远小于一般灰尘粒子，故光电型探测器受

数量极少但相对遮光率极高的灰尘粒子之影响，远大

于次微米粒子，故无法辨别次微米粒子与灰尘粒子在

数量上的悬殊差异。

经过云雾室处理后，每一个火灾极早期阶段所产生的不可见次微米粒子与灰尘粒子皆由一水滴所包围，其产生的有效遮光率与包围灰尘粒子的水滴产生的有效遮光率相当，故其在数量上的悬殊差异(500,000/cc >> 20,000/cc)

即可被光电仪器辨识出来。

综上所述,可以得知，光电型探测器(如激光型)看到的现象受到两个限制:

(1) 光波长如大于粒子直径,则无法探

测到粒子的存在。目前市面上没

有一种探测器光波长小于0.002微米，因此无法探测到火灾极早期现象。

(2) 粒子大小不一(如右图),无法用光

遮或散射方式计算粒子的数量,

因此也无法计算出灰尘与烟粒

子在数量上的差别。

而云雾室型探测器看到的现象是:

(1)所有粒子(包括灰尘及热释微粒子)皆被约20微米的水滴包覆(如右图)，可被一般光源

(如LED)探测到。

(2)所有粒子大小一致，可用光遮方式计算遮光率及透光率，即可算出粒子的数量。

当粒子数量变为可计数时，IFD即可藉由空气中存在的灰尘数量最大值(不超过60,000/cc)来将火灾警报门坎设定在灰尘数量最大值以上，如100,000/cc，即可远离误报的困扰，并可在火灾的极早期迅速反应。

四、IFD云雾室型空气采样式极早期火灾探测器的应用优势

IFD相对于其它探测器所具有的优势为：

1.IFD是目前市面上唯一能探测火灾极早期现象的探测器,即IFD是最灵敏的探测器；

2.IFD是目前市面上唯一在实用上真正能运转在高灵敏度而不误报的探测器；

3.IFD是目前市面上最适合安装在大空间的探测器；

4.IFD是目前市面上最不受气流稀释影响的探测器；

5.IFD为目前市面上在长期使用上最经济的探测器。

五、IFD的图控系统架构

六、IFD应用的场所

电厂，变电站，数据中心，地铁，机场，卷烟厂，古迹建筑，物流仓库，电信机房，高科技厂房，洁净室，剧院，博物馆，食品加工厂，冷冻仓库，超高层大楼，核废料仓库，矿山。。。。。。

七、KFII移动式粒子分析仪---早期火灾隐患探测

KFII 可被安装在空调系统的回风口前，用来持续捕捉机房里的空气样本做分析。只要在空调系统的回风口前布置简易的空气采样管路，平时连接至FKII的微粒子分析探管，做24小时全天候的空气粒子数量监视，一旦发现有粒子数量超出正常值时，便可发出预警，通知安全防护人员尽速进行隐患定位工作，严密搜索，消弭火灾于无形。

注意：FKII移动式微粒子分析仪的安装，仅做为隐患探测的辅助工具，不能代替法定的火灾探测器，安装的场所必须确认已依照国家消防法规的规定，安装合格的火灾探测器。

隐患定位

当IFD或KFII发现有粒子数量超出正常值而发出预警时，安全防护人员可以手提或肩背的方式将FKII 带着走，在整个机房空调系统所及的隔间内，逐间检查。当找出粒子浓度最高的隔间时，立即展开该隔间内细部的搜索，找出隐患来源，并采取适当的因应处理措施。