불꽃감지기(자외선/적외선) 일반사항

가. 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.

나. 내용

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

구분	자외선	적외선
광학사양	180㎚~260㎚	4㎛~5㎛
응답파장	185㎚~260㎚	4.35㎛ ± 0.2㎛
응답거리(m)	20,40,80,100	20,40,50(주문시 100m까지 가능)
응답시간(sec)	0.1~3	0.5~5
시야각	100°

★ 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.

•  불꽃화재 감지기 국산화...우통전자 수입대체 100억 기대
• 기술기준 85조 불꽃감지기의 시설기준