Nguyên lý hoạt động của đầu báo cháy

Đầu báo khói ion hoá (Ionization detector):

Đầu báo khói ion hoá (còn gọi là báo khói ion) sử dụng một chất đồng vị phóng xạ như Americium 241 (nguồn phát hạt alpha – α) để tạo ra sự ion hoá trong không khí.

Đầu báo khói ion có độ nhạy cao trong giai đoạn cháy rực (khói không nhìn thấy) hơn so với đầu báo khói quang, trong khi đầu báo khói quang lại phát hiện tốt những đám cháy trong giai đoạn đầu âm ỉ.

Buồng thu khói (smoke chamber) hay còn gọi là buồng ion hoá (ionization chamber) có cấu tạo đặc biệt để bụi và côn trùng khó lọt vào được, nhưng khói có thể dễ dàng đi vào.

Trong buồng thu khói có một lượng nhỏ chất phóng xạ Americium 241 và 2 điện cực (hình bên dưới). Chất phóng xạ sản sinh ra các ion mang điện trong không khí. Một điện thế được đặt giữa 2 điện cực làm cho các ion dịch chuyển về các điện cực khác dấu tạo thành một dòng điện trong mạch của đầu báo.

Nếu có một số phần tử của khói chui vào buồng ion hoá, các ion sẽ kết hợp với các phần tử khói làm giảm dòng điện giữa 2 điện cực, phát hiện sự suy giảm dòng điện và phát tín hiệu báo động. Ở trạng thái báo động, đèn LED trên đầu báo sẽ sáng đồng thời tín hiệu sẽ được chuyển về trung tâm báo cháy.

Đầu báo ion có giá thành sản xuất rẻ hơn so với đầu báo khói quang, nhưng dễ gây ra hiện tượng báo giả, nó chỉ thích hợp với đám cháy có các hạt khói quá nhỏ bé (khói không nhìn thấy được).

Đầu báo khói quang điện (Photoelectric Smoke Detector):

Đầu báo khói quang điện hay còn gọi là đầu báo khói quang bao gồm một nguồn sáng nhỏ (LED phát hồng ngoại), một thấu kính hội tụ ánh sáng thành chùm tia và một cảm biến quang điện (photoelectric hoặc photodiode) đặt lệch góc với chùm tia hồng ngoại.

Tất cả các thành phần trên được đặt trong một buồng quang học (optical chamber) hay còn gọi là buồng khói. Hình vẽ mô tả cấu tạo căn bản của đầu báo khói quang.

Buồng quang học (1) có cấu tạo đặc biệt để ánh sáng bên ngòai không thể lọt vào được, nhưng khói có thể dễ dàng đi vào. Bên ngoài của buồng quang học có một lớp lưới để ngăn bụi và côn trùng chui vào bên trong.

Trong trường hợp bình thường (không có khói), chùm tia sáng được tạo ra từ đèn phát hồng ngoại (5) đi theo đường thẳng không đến được đầu cảm biến quang (4).

Khi có khói vào bên trong buồng quang học ngang qua đường đi của chùm tia hồng ngoại, một số tia sáng bị khuyếch tán bởi các hạt khói đi đến đầu cảm biến quang (4) và kích hoạt báo động. Khi đó, mạch điện sẽ chuyển tín hiệu hồng ngọai (quang) thành tín hiệu điện (báo động). Ở trạng thái báo động, đèn LED trên đầu báo sẽ sáng đồng thời tín hiệu sẽ được truyền về tủ báo cháy.

Đầu báo khói quang phát hiện tốt đám cháy âm ỉ. Đầu báo khói quang phản ứng chậm hơn đầu báo ion với đám cháy bùng phát nhanh, nhưng thử nghiệm và nghiên cứu cho thấy đầu báo khói quang đáp ứng được tất cả các loại cháy và có tuổi thọ cao hơn.

Ngày nay, một số đầu báo khói quang hiện đại có độ nhạy rất cao, bao trùm phạm vi của đầu báo khói ion và có thể thay thế hoàn toàn cho đầu báo ion. Ví dụ đầu báo khói  của Hochiki có độ nhạy từ 0.5-3.8%/ft, trong khi độ nhạy tiêu chuẩn của đầu báo ion là 0.8–1.5% obs/ft và của đầu báo quang là 2–4% obs/ft.

So sánh giữa đầu báo khói quang và đầu báo ion

Đầu báo quang điện đáp ứng nhanh hơn (thường là 30 phút hoặc hơn) trong giai đoạn âm ỉ trước khi thành ngọn lửa. Khói trong giai đoạn âm ỉ thường tạo ra các hạt đốt lớn giữa 0.3 và 10 micron.

Đầu báo ion hoá đáp ứng nhanh hơn (thường là 30-60 giây) trong giai đoạn lửa bùng cháy (rực lửa). Khói trong giai đoạn rực lửa thường tạo ra các hạt đốt nhỏ – giữa 0.01 và 0.3 micron.

Ngoài ra đầu báo ion hoá hoạt động yếu trong môi trường có luồng gió mạnh, vì điều này đầu báo quang điện được tin dùng hơn để phát hiện khói trong cả 2 trường hợp cháy âm ỉ và cháy rực lửa.

Tháng  6/2006, Australasian Fire & Emergency Service Authorities Council, cơ quan đại diện cao nhất cho các tổ chức cứu hoả Australia và New Zealand tuyên bố: “báo khói ion hóa không thể hoạt động trong thời gian để cảnh báo đủ sớm cho người cư ngụ thoát khỏi đám cháy âm ỉ”

- Đầu ion phát hiện tốt đám cháy không có khói (khói không nhìn thấy được)

- Sự hiện diện của chất phóng xạ Americium-241 trong đầu báo ion hoá, có nghĩa rằng tất cả các đầu báo khi hết thời gian hoạt hoạt động phải được xử lý để tránh tạo thành mối nguy hại đối với môi trường. Một số nước đã cấm sử dụng đầu báo khói ion.

- Đầu báo khói quang dễ dàng trong việc sửa chữa bảo trì, đầu báo ion có chất phóng xạ nên không thể mở buồng ion để vệ sinh, sửa chữa được.

- Đầu ion sẽ báo giả nếu được lắp đặt tại nơi có luồng khí mạnh thổi qua.

- Đầu báo khói quang có tuổi thọ cao hơn đầu báo khói ion.

Đầu báo khói quang dạng tia (Projected Beam Detector)

Các đầu báo như mô tả ở phần trên gọi là đầu báo khói điểm (spot detector).

Với khu vực bảo vệ có diện tích lớn, trần cao nơi mà đầu báo khói điểm khó lắp đặt và bảo trì, ví dụ như phòng tập thể dục, giảng đường sẽ dùng đầu báo khói quang dạng tia (đầu báo beam). Có 2 loại đầu báo khói tia: loại thu - phát và loại phản xạ.

- Đầu báo khói tia loại thu - phát: gồm một đầu phát (T) và một đầu thu (R) hồng ngoại riêng biệt lắp đối diện với nhau trong khu vực cần bảo vệ.

- Đầu báo khói tia loại phản xạ: gồm một đầu báo kết hợp bộ phận phát và bộ phận thu trong cùng một vỏ và tấm phản xạ lắp đối diện với đầu báo trong khu vực cần bảo vệ.

Chiều dài bảo vệ của đầu beam là khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát, hoặc giữa đầu báo và tấm phản xạ.

Đầu báo beam hoạt động dựa trên nguyên tắc làm mờ ánh sáng (light obscuration). Ở điều kiện môi trường sạch, không có khói, chùm tia hồng ngoại từ đầu phát (Transmiter) sẽ đến bộ phận cảm nhận ánh sáng đặt tại đầu thu (Reveiver) với một cường độ 100%. Điều đó được hiểu là độ làm mờ 0%, nói một cách khác toàn bộ tia hồng ngoại đến được đầu thu.

Đầu báo beam được điều chỉnh độ nhạy theo mức được thiết lập sẵn, tính theo tỷ lệ phần trăm của độ che mờ hoàn toàn chùm tia chứ không phải theo tỷ lệ hiện diện (nồng độ) của khói. Mức độ nhạy này được xác định bởi nhà sản xuất, phụ thuộc vào chiều dài bảo vệ của đầu báo. Ví dụ: Khi đặt đầu báo có độ nhạy 25% có nghĩa là khi 25% tín hiệu của tia bị làm mờ bởi khói, đầu báo sẽ chuyển sang tình trạng báo động.

Khi có cháy, khói từ đám cháy bay lên đi vào khu vực bảo vệ, cắt ngang đường hồng ngoại của đầu báo sẽ làm suy giảm tín hiệu hồng ngọai tới đầu thu. Khi độ làm mờ đạt tới ngưỡng báo động được đặt trước, đầu báo sẽ phát một tín hiệu báo động cháy.

Nếu đầu thu hoàn toàn không nhận được tia hồng ngọai (đầu phát bị hư, hoặc đứt dây, hoặc tia hồng ngọai bị che khuất 100%,…) đầu báo sẽ phát tín hiệu báo lỗi (trouble) để tránh báo giả.

Sự thay đổi chậm của độ che mờ xảy ra, do bẩn hoặc bụi trên thấu kính của đầu báo, sẽ được bù trừ bởi một mạch vi điều khiển với chức năng giám sát liên tục cường độ tín hiệu và định kỳ hiệu chỉnh ngưỡng báo động và báo lỗi. Khi mạch tự bù trừ của đầu báo đạt đến ngưỡng giới hạn của nó, đầu báo sẽ phát tín hiệu báo lỗi, dấu hiệu yêu cầu dịch vụ bảo trì.

Khoảng cách bảo vệ của đầu beam từ vài mét đến 100 mét (hoặc nhiều hơn, tuỳ thuộc vào nhà sản xuất). Do vậy, đầu báo dạng beam rất phù hợp để bảo vệ ở những nơi có diện tích lớn, tầm nhìn không bị che khuất.

Theo NFPA72, đầu báo beam có thể bảo vệ một diện tích có chiều dài tối đa 100 m (330 ft) và khoảng cách theo chiều ngang (với tia hồng ngoại ở giữa) tối đa 18 m (60 ft), tương đương 1.800 m2 (19.800 sqft), trong khi đầu khói điểm có diện tích bảo vệ tối đa 83m2 (900 sqft).

Theo BS5839 part 1: Đầu khói điểm có đường kính bảo vệ tối đa 7,5 m, khoảng cách tối đa giữa 2 đầu báo là 10,5 m tương đương diện tích 110,25m2. Đầu báo beam cho phép bảo vệ một diện tích có chiều dài tối đa 100 m và chiều ngang (với tia hồng ngoại ở giữa) tối đa 15m, tương đương diện tích bảo vệ 1.500 m2.

Đầu báo khói lắp trên đường ống – Duct smoke detector

Đầu báo Duct cung cấp khả năng phát hiện sớm khói và sản phẩm cháy có trong không khí di chuyển theo đường ống của hệ thống HVAC  (HVAC là chữ viết tắt tiếng Anh của: H = Heating - Hệ thống sưởi ấm; V = Ventilation - Hệ thống thông gió;  AC = Air Conditioning - Hệ thống điều hòa không khí).

Có 2 ống nhỏ được lắp nhô vào bên trong đường ống của hệ thống HVAC, một ống có các lỗ khoan theo chiều dọc lắp ngược hướng dòng khí chuyển động để thu không khí đưa vào đầu báo Duct được gọi là ống lấy mẫu (Sampling Tube), một ống còn lại đưa không khí ra khỏi đầu báo (Exhaust Tube).

Một đầu báo khói lắp bên trong đầu duct có nhiệm vụ phát hiện khói và phát tín hiệu báo động về trung tâm báo cháy hoặc thông qua các relay điều khiển các lá chắn (Damper) của hệ thống HVAC hoặc các thiết bị khác.

Đầu báo khói độ nhạy cao – Aspirating Smoke Detector hoặc Air Sampling Detechtor (ASD)

Đầu báo khói độ nhạy cao - ASD hay còn gọi là VESDA  dùng cho các khu vực quan trọng đòi hỏi báo cháy có độ nhạy rất cao, nơi mà nguồn lửa rất khó phát hiện, yêu cầu chỉ một lượng khói rất mỏng phải được phát hiện ngay.

Một hệ thống ASD bao gồm một thiết bị dò khói trung tâm có khả năng thu hút không khí bằng máy hút khí và một mạng ống nhỏ lắp trong khu vực cần bảo vệ. Các lỗ mẫu (Sampling Point) được khoan vào mỗi ống trong theo khoảng cách phù hợp. Không khí sau đó liên tục bị hút vào hệ thống đường ống thông qua các lỗ, hướng tới thiết bị dò trung tâm để phân tích và kiểm tra.

Khác với các đầu báo khói thông thường là loại thụ động, hệ thống ASD phân tích không khí trong thời gian thực và thuộc loại chủ động. Thiết kế của ASD cho phép thu thập mẫu không khí / khói thông qua hệ thống đường ống và dẫn về bộ cảm biến trung tâm.

Độ nhạy cao cùng với chủ động thu thập mẫu khói cho phép phát hiện cháy ở giai đoạn rất sớm. Điều này cực kỳ quan trọng trong những trường hợp môi trường có ngóc ngách làm loãng khói và che khuất xung quanh.

ASD phù hợp cho các môi trường yêu cầu phát hiện khói có độ nhạy rất cao và nhanh chóng. Điều này làm cho ASD rất phù hợp khi lắp trong phòng sạch sẽ, khu vực chứa hàng hoá quan trọng, dễ hư hỏng do cháy, phòngđi ện tử và chất lỏng rất dễ cháy và các loại khí. Thông thường, đầu báo khói điểm bình thường sẽ phát hiện sự nguy hiểm quá muộn, vì khói thường không đạt đến trần nhà nhanh chóng, đủ cho đầu báo khói phát hiện ra đám cháy kịp thời.

Hệ thống mạng lưới đường ống có thể lắp ẩn nên phù hợp trong môi trường yêu cầu thẩm mỹ như văn phòng, căn  hộ và phòng khách sạn. Yếu tố này cũng làm cho nó thích hợp tại các địa điểm nơi mà đầu báo điểm có thể bị phá hoặc bị tháo mất.

Độ nhạy cao không có nghĩa rằng ASD không thể được sử dụng trong môi trường bụi hoặc bẩn miễn là quá trình thiết kế, lắp đặt và bảo trì phù hợp. Hầu hết các sản phẩm ASD có thể thích nghi cho một phạm vi rộng của môi trường và ứng dụng - từ cả không gian hạn chế và không gian mở tới môi trường sạch hay bẩn nhất, bao gồm cả telecom, phòng kiểm soát, xử lý chất thải, khai thác mỏ và nhiều hơn nữa.

2. Đầu báo nhiệt

Đầu báo nhiệt là thiết bị báo cháy được thiết kế để phản ứng khi dòng nhiệt đối lưu của hoả hoạn làm tăng nhiệt độ của bộ phận cảm ứng nhiệt.

Tất cả các đầu báo nhiệt đều có bộ phận thu nhiệt. Bộ phận cảm biến nhiệt có thể là loại giãn nở cơ khí hoặc đầu dò cảm biến nhiệt thermistor.

Đầu báo nhiệt có 2 loại chính được phân loại theo hoạt động là “gia tăng” (Rate- of-Rise) và “nhiệt độ cố định” (Fixed temperature).

Đầu báo nhiệt Gia tăng (Rate-of-Rise)

Đầu báo nhiệt gia tăng (R-O-R) hoạt động khi nhiệt độ môi trường tăng lên nhanh chóng theo thời gian, lớn hơn hoặc bằng tỷ lệ đã được thiết lập trước bởi nhà sản xuất. Theo tiêu chuẩn, tỷ lệ này là khoảng 15°F (8°C) mỗi phút. Hoạt động của đầu báo nhiệt gia tăng phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt độ, không phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường.

Hình bên dưới mô tả đầu báo nhiệt gia tăng điển hình sử dụng kỹ thuật điện-khí nén (Electropneumatic). Kiểu này đã đư ợc cấp bằng sáng chế lần đầu tiên năm 1941 và là sản phẩm được cải tiến liên tục cho đến ngày nay.

Đầu báo nhiệt gia tăng bao gồm:

- Một buồng khí kín (A) có mặt phía dưới là vỏ đầu báo làm bằng hợp kim cứng dẫn nhiệt;

- Một lỗ nhỏ (B) để làm cân bằng áp suất khí bên trong buồng với môi trường; Một màng đàn hồi bằng kim loại (C) nối với một cực tín hiệu của đầu báo;

- Một bộ công tắc (D) có 2 tiếp điểm thường hở, một tiếp điểm được hàn vào màn đàn hồi (C), tiếp điểm thứ 2 nối vào cực tín hiệu còn lại của đầu báo. Bình thư ờng 2 cực tín hiệu của đầu báo cách điện với nhau (thường hở - NO).

Khi nhiệt độ môi trường thay đổi sẽ làm cho áp suất không khí bên trong buồng kín thay đổi. Với sự thay đổi chậm của nhiệt độ, một lượng nhỏ không khí sẽ đi vào hoặc đi ra buồng kín thông qua lỗ (B) để cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài buồng kín, giữ cho 2 cực tín hiệu của đầu báo cách điện với nhau.

Khi nhiệt độ môi trường xung quanh tăng lên rất nhanh với tốc độ lớn hơn hoặc bằng 8oC/phút làm cho không  khí bên trong buồng kín giãn nở rất nhanh vượt quá khả năng tự cân bằng áp suất của lỗ (B), do mặt dưới của buồng kín là hợp kim cứng nên không khí trong buồng khi giãn nở sẽ ép màng đàn hồi (C) lên phía trên làm cho công tắc điện đóng lại phát tín hiệu về trung tâm báo cháy.

Đầu báo nhiệt Cố định (Fixed Temperature)

Họat động của đầu báo phụ thuôc hoàn toàn vào nhiệt độ của môi trường chứ không phụ thuộc vào tốc độ gia tăng nhiệt độ. Khi nhiệt độ môi trường tại khu vực bảo vệ tăng lên đạt tới một nhiệt độ nhất định, ứng với ngưỡng được cài đặt cho đầu báo khi sản xuất, sẽ làm cho tiếp điểm bên trong đầu báo đóng và tạo tín hiệu báo cháy gửi trung tâm báo cháy.

Tuỳ theo tiêu chuẩn cho mỗi thị trường mà đầu báo nhiệt cố định có các ngưỡng báo động khác nhau, ví dụ: 60oC, 65oC, 70oC, 90oC… hoặc 57oC (135oF), 87oC (190oF)…

Có nhiều loại đầu báo nhiệt cố định khác nhau, dưới đây giới thiệu một số loại thông dụng.

Đầu báo nhiệt cố định cơ-điện (Electromechanical)

a) Đầu báo nhiệt sử dụng thanh lưỡng kim

Đầu báo nhiệt có một thanh lưỡng kim, với một đầu gắn cố định và đầu kia để tự do có thể di chuyển phụ thuộc nhiệt độ của nó.

Khi nhiệt độ tăng thì thanh lưỡng kim bị uốn cong làm chạm mạch điện tín hiệu của đầu báo và kích hoạt báo động.

Thanh lưỡng kim sẽ trở về trạng thái ban đầu khi nhiệt độ giảm. Loại đầu báo nhiệt này có thể sử dụng nhiều lần.

b) Đầu báo nhiệt sử dụng chất nóng chảy eutectic

Đầu báo này sử dụng liên kết nóng chảy của hợp kim eutectic. Đây là loại đầu báo nhiệt được sử dụng rất phổ biến trong giai đoạn những năm 1970 đến 2000.

Hợp kim eutectic là một hỗn hợp của 2 hoặc nhiều kim loại có điểm tan chảy ở nhiệt độ thấp hơn kim loại riêng lẻ.

Nếu nhiệt độ của hợp kim lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ tan chảy nó sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

Trong đầu báo nhiệt có một lẫy kim loại đàn hồi được giữ chặt bởi hợp kim eutectic, giúp cho 2 cực tín hiệu của đầu báo tách rời nhau (thường hở). Khi nhiệt độ môi trường tăng đến nhiệt độ nóng chảy của hợp kim (đây là nhiệt độ báo động của đầu báo, tuỳ vào loại hợp kim khi sản xuất), hợp kim sẽ tan chảy làm lẫy đàn hồi đang bị nén bung ra và 2 cực tín hiệu của đầu báo chạm vào nhau tạo một dòng điện kích hoạt báo động.

Đầu báo nhiệt loại này không sử dụng lại được sau khi đã báo động.

c) Báo nhiệt cố định kiểu dây (line-type)

Loại báo nhiệt cố định cơ - điện thứ ba là loại đầu báo dạng dây (hay còn được biết đến như là Linear Heat Detectors) (hình bên dưới)

Cấu tạo của thiết bị này bao gồm 2 dây dẫn điện bằng thép được cách điện riêng biệt bởi một chất rất nhạy cảm với nhiệt độ. Hai dây này được xoắn với nhau (twisted pair) để tạo một lực ép giữa 2 dây, sau đó bọc một lớp băng bảo vệ và ngoài cùng là lớp vỏ phù hợp với môi trường lắp đặt.

Nếu một điểm nào đó của dây tiếp xúc với nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ quy định (đây là nhiệt độ báo động, tuỳ thuộc vào chất cách điện khi sản xuất) lớp cách điện nhạy cảm với nhiệt độ sẽ bị phá hỏng làm cho 2 dây dẫn chạm vào nhau tại điểm đó. Điều này tạo nên một tín hiệu báo cháy gửi về trung tâm báo cháy.

Một số nhà sản xuất chế tạo trung tâm điều khiển dùng riêng với Linear Heat Detector cho phép xác định được vị trí điểm báo động của dây báo nhiệt, tức là xác định được vị trí cháy.

Đầu báo nhiệt cố định điện tử (Thermistor)

Ngoài loại đầu báo nhiệt kiểu cơ - điện thì hiện nay xuất hiện khá phổ biến loại đầu báo nhiệt kiểu điện tử (Thermistor). Loại này sử dụng Thermistor để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ của môi trường.

Thermistor thường là điện trở nhiệt. Nó được làm bằng chất bán dẫn đa tinh thể, có hệ số nhiệt điện trở âm, và khá lớn. Nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở của nó sẽ giảm khá mạnh.

Nhiệt độ môi trường thay đổi làm cho điện trở của Thermistor thay đổi và chuyển thành tín hiệu báo động.

Sử dụng Thermistor, đầu báo nhiệt có thể được chế tạo theo kiểu gia tăng hoặc cố định hoặc kết hợp cả hai phù hợp với nhu cầu sử dụng.  Những đầu báo loại này cũng có thể có chức năng giảm khả năng báo giả.

Quý khách liên hệ hotline: 0903.235.627 để được tư vấn miễn phí và mua thiết bị báo cháy Hochiki nhé.