Các hệ thống an ninh và an toàn trong cuộc sống

miêu tả các cảm biến thông minh được sử dụng trong lĩnh vực an ninh và an toàn trong cuộc sống."An toàn trong cuộc sống" bao gồm báo cháy,báo hiệu khí ga,các hệ thống tắt và sơ tán."An ninh" liên quan đ

Chơng này miêu tả các cảm biến thông minh đợc sử dụng trong lĩnh vực

an ninh và an toàn trong cuộc sống."An toàn trong cuộc sống" bao gồm báocháy,báo hiệu khí ga,các hệ thống tắt và sơ tán."An ninh" liên quan đến báohiệu trộm,kiểm soát ra vào và hệ thống CCTV

Ngay từ ban đầu các cơ thể sống đã cần đợc cảm thấy thoải mái và antoàn.Trong khi các mối nguy hiểm sinh ra từ bốn nhân tố cơ bản của khoahọc Hy Lạp cổ đại là đất,nớc,không khí và lửa,thì chính con ngời lại cànglàm cho các mối đe doạ đó tăng lên.Ví dụ nh chiến tranh,thù hận sắctộc,chia rẽ đảng phái,cớp bóc,xâm lợc,khủng bố.Ngoài ra còn có rất nhiềumối đe doạ khác nữa

Ngời ta cũng nhận ra rằng sự huy động lực lợng phòng bị một cách kịp thờidựa vào hệ thống báo hiệu sớm có thể giảm nhẹ hoặc thậm chí loại bỏ đợccác thiệt hại.Vào thời kỳ cổ đại,lính canh là ngời giữ vai trò chủ đạo trongphơng thức này.Theo thời gian con ngời ngày càng chú trọng vào các côngnghệ để hỗ trợ hoặc thậm chí thay thế ngời lính gác trong nhiệm vụ báo hiệusớm.Phát minh nổi bật nhất trong thời kỳ cổ đại là chiếc chìa khoá,với chứcnăng ngăn chặn những cuộc thâm nhập không mong muốn.Cho đến ngày nay

nó vẫn đợc phát triển trong các hệ thống kiểm soát vào ra hiện đại

Cùng với sự ra đời của điện,hệ thống báo hiệu sớm đầu tiên cũng đã xuấthiện.Tất cả các hệ thống đều muốn phát hiện ra mối nguy hiểm càng sớmcàng tốt.Hầu hết các công nghệ đều sử dụng sự tiếp xúc để kích thích đóng

mở đồng hồ báo hiệu,ví dụ nh khi một tên trộm dẫm lên hay bớc qua một sợidây căng xung quanh một dinh thự đang đợc bảo vệ

Sự phát triển của các "cảm biến" có một tiêu chuẩn chặt chẽ trong thế giới

động vật.Chính những loài vật đã có những hệ thống cảm nhận để phát hiệnnguy hiểm(hoặc thức ăn) mà công nghệ hiện đại cũng không thể thực hiện đ-ợc.Rất nhiều các nguyên lý tạo nên nền tảng cho sự phát triển của cảm biến

đã đợc thực hiện trong tự nhiên.Ví dụ nh việc sử dụng sóng siêu âm củadơi,khả năng cảm nhận hồng ngoại của rắn đuôi chuông,và cả sự cảm nhậnmùi vị vốn là bản năng của rất nhiều loài vật

Trong phần này chúng ta sẽ thảo luận về những công nghệ và nguyên lýcủa cảm biến dành cho việc cảnh báo sớm các tình huống nguy hiểm trongcác toà nhà,ví dụ nh hoả hoạn,rò rỉ khí ga hay trộm cắp.Nh vậy chúng ta sẽnói đến cảm biến cháy,cảm biến khí ga,cảm biến về sự xâm nhập và cảmbiến ra vào.Chúng ta có thể định nghĩa cảm biến là một thiết bị có thể biến

đổi các dấu hiệu của những tình huống nguy hiểm thành các tín hiệu có thểphân tích đợc.Các máy dò tìm thờng bao gồm các bộ cảm biến,và chính cácmáy dò tìm sẽ xử lý thông tin của những bộ cảm biến này

Những nguyên tắc vật lý và hoá học làm nền tảng cho các cảm biến hiện

đại hầu hết là dễ hiểu.Thử thách chính trong thiết kế máy dò tìm không phải

là tìm ra các nguy hiểm,mà là việc phát hiện và triệt tiêu các tín hiệu vào giả.Trong phần lớn các trờng hợp,mối nguy hiểm và các hiện tợng giả là rấtgiống nhau và có thể có chung một nguồn gốc.Một máy dò tìm tốt phải phân

biệt đợc các phân tử khói từ một ngọn lửa thật với những hạt bụi.Một cáimáy vi tính có thể tạo ra sự dao động nhiệt độ(Schlieren),và một cái máy dòhồng ngoại thụ động có thể tởng nhầm đó là một tên trộm.Sự phản xạ ánhsáng mặt trời có thể tạo ra các tín hiệu giả cho một cái máy dò ánh sáng.Cácnguồn giả còn có thể ảnh hởng đến các máy dò địa chấn dùng để phát hiện

sự xâm nhập từ trên mái,các máy dò siêu âm và vi sóng trong hệ thống báohiệu trộm,và máy dò khí.Trong hệ thống điều khiển ra vào,cần phải nhận ranhững ngời có quyền ra vào trong mọi thời điểm và loại bỏ những ngờikhác.Việc này cần đợc thực hiện với độ tin cậy cao

Một thử thách nữa cho những kỹ s là phải thiết kế các máy dò tìm có độ

"thông minh" cao.Đây là một khái niệm rộng liên quan đến độ nhậy trongviệc phát hiện ra các tình huống nguy hiểm đúng lúc và loại bỏ các hiện tợnggiả.Điều này cần phải đạt đợc với yêu cầu kinh tế(giá thấp) trong một điềukiện môi trờng khó khăn.Việc thiết kế máy dò tìm cần phải tuân theo cácquy tắc cơ học,điện tử và phần mềm

Mặc dù chủ đề chính của cuốn sách này là cảm biến thông minh,chúng tôithấy cần phải mở rộng vấn đề,trong đó bao gồm việc giới thiệu các khía cạnhcủa hệ thống cảnh báo và của hệ thống điều khiển khẩn cấp đợc kích hoạtbởi những sensor trên.Vì cậy chúng tôi sẽ dành vài đoạn để nói về hệ thốngtắt và trung tâm tiếp nhận cảnh báo.Đây là toàn bộ quá trình từ khi nguyhiểm đợc phát hiện đến khi nó đợc loại bỏ

Nội dung của phần này dựa rất nhiều vào những kiến thức đợc xây dựng ởcông ty chúng tôi trong nhiều năm qua,nó đã đợc ứng dụng để phát triển các

hệ thống an toàn và an ninh.Trong thực tế,chính sự phát minh ra máy dò tìmion hoá đã mở đầu cho nền công nghiệp này.Chúng tôi muốn cám ơn các

đồng nghiệp trong công ty,đã có những đóng góp và lời khuyên có giá trị,đặcbiệt là R.Beckers(trung tâm tiếp nhận cảnh báo), U.Krienen, M.Schumacher(cảm biến nhận dạng),M.Muller(hệ thống tắt) và H.Kupfer

4.1.2

Cảm biến về lửa.

4.1.2.1

Đặc tính vật lý của lửa,bụi khói,khí và ánh sáng.

Đặc điểm của những ngọn lửa cháy âm ỉ là khói và khí,cùng với sự phát xạ

và gia tăng nhiệt độ khi ngọn lửa bùng cháy.Các máy phát hiện lửa sử dụngmột trong những hiệu ứng vật lý này để phát hiện ra hoả hoạn sớm nhất đểgiảm thiểu tối đa sự phá huỷ.Cùng với sự phát triển của xu hớng công nghệ,cảm biến lửa cũng đã trải qua những thay đổi và nâng cấp quan trọng

Trong vòng hơn 50 năm,các máy phát hiện khói đều thuộc loại ion hoá.Khói đợc phát hiện bằng cách đo sự thay đổi của độ dẫn trong một buồng ionhoá có các phần tử khói.Từ 10 năm trở lại đây,các máy phát hiện khói quang

điện sử dụng phơng pháp đo sự tán xạ của ánh sáng từ các phân tử khói trongmột buồng quang đã bắt đầu thay thế các máy ion hoá

Các máy phát hiện lửa không chỉ bao gồm hai loại trên.Sự hấp thụ ánhsáng đợc ứng dụng trong máy dò chùm tuyến tính.Các máy phát hiện lửacũng có thể dựa vào sự bức xạ nhiệt của ngọn lửa.Các máy phát hiện ánh lửa

đo sự phát xạ của lửa trong vùng từ hồng ngoại đến tử ngoại.Các máy dònhiệt sẽ đa ra lời cảnh báo khi có sự gia tăng đáng kể của nhiệt độ.Ngoài ra,nhiều hiệu ứng khác cũng có thể đợc sử dụng để phát hiện lửa:vi cân bằngthạch anh,sự thay đổi tốc độ lan truyền âm thanh,và sự dao động của áp suất,

sự khúc xạ của ánh sáng, Tuy nhiên không có một nguyên lý nào,dù đợcthử nghiệm thành công trong phòng thí nghiệm,đợc phát triển thành sảnphẩm số lợng lớn trong hoạt động thơng mại.Trong thực tế,độ tin cậy,giáthành và khả năng dò tìm của các máy phát hiện lửa và khói đã đặt ra mộttiêu chuẩn cao cho việc thơng mại hóa các phơng pháp dò tìm mới

Đáp ứng của một máy dò tìm đối với ngọn lửa phụ thuộc vào nguyên lý dò

và loại khói.Hình 4.1-1 so sánh độ nhậy của một máy dò tìm kiểu tán xạ ánhsáng và một máy dò ion hoá nh là một hàm của kích thớc phân tử.Máy dòion hoá đáp ứng tốt hơn máy dò quang ở kích thớc phân tủ nhỏ,còn với kíchthớc phân tử lớn thì ngợc lại

Đáp ứng của một máy dò tìm còn phụ thuộc vào thiết kế chính xác của nó.Với máy dò tán xạ ánh sáng,độ nhạy của nó với những loại khói khác nhau

là khác nhau,ví dụ nh sự liên quan tới góc tạo bởi chùm sáng và trục của máydò

của ngọn lửa.Bằng cách kết hợp nguyên lý quang học và máy dò nhiệt,ta cóthể tạo ra một máy dò chung cho tất cả các loại lửa.

Hình 4.1-2.Đáp ứng của các máy dò khói

Thời gian gần đây đã xuất hiện các máy dò khói cảm nhận khí bị oxy hoá

từ các vật liệu đang cháy.Tuy nhiên, hiện nay, cha có một máy dò nào đạt

đ-ợc các tiêu chuẩn về hoạt động và độ tin cậy.Máy dò khói đđ-ợc bảo đảm hoạt

động tốt từ -30 đến 75 độ C và có tuổi thọ khoảng hơn 10 năm.Cả hai chỉ sốtrên đều không đạt đợc các yêu cầu hiện nay đối với cảm biến khí Tuynhiên, đã có những nghiên cứu quan trọng và những nỗ lực phát triển côngnghệ mới cho việc dò tìm khí, và chúng ta có thể hy vọng vào những tiến bộcủa các thiết bị trong một tơng lai gần

Trong những đám cháy không mong muốn,khói có thể sinh ra theo nhữngcơ chế khác nhau, ví dụ nh do đám cháy bùng hay cháy âm ỉ.Hiện tợng nhiệtphân sinh ra khi có sự truyền nhiệt của một nguồn nhiệt bên ngoài Sự khácnhau giữa nhiệt phân và cháy âm ỉ là:trong cháy âm ỉ, quá trình oxy hoá tự

nó diễn ra.Trong khi tất cả các vật liệu đều có thể bị nhiệt phân thì chỉ có íttrong chúng có thể cháy âm ỉ, trong đó có những thứ rất quen thuộc nh giấy,xốp và gỗ

Trong một phạm vi nào đó, các đặc tính vật lý của khói và sự gia tăngnhiệt độ có thể liên quan đến dạng của ngọn lửa.Nhiệt phân và cháy âm ỉ th-ờng sinh ra những đám khói với một lợng lớn muội khói không nhìn thấy đợc

và cả những muội khói nhìn thấy đợc mầu đen.Nhiệt độ của quá trình nhiệtphân và cháy âm ỉ thờng nhỏ hơn rất nhiều nhiệt độ của ngọn lửa cháy bùng

Sự tán xạ ánh sáng phụ thuộc vào kích thớc, số lợng, và chiết suất của cácphân tử.Tính toán sự tán xạ của ánh sáng và sự hấp thụ của những hình cầunhỏ với kích thớc và sự phân bố cho trớc là một vấn đề kinh điển trong quanghọc.Việc áp dụng giả thuyết Mie và Rayleigh tỏ ra rất hiệu quả trong việc dự

đoán sự tán xạ ánh sáng trong các chơng trình mô phỏng của máy tính.Ngợclại, để tìm ra các đặc tính của khói từ những đo lờng quang học là cực kỳkhó khăn.Trong cuốn sách viết về sự hấp thụ ánh sáng của mình, Bohren vàHuffman đã so sánh việc mô tả các phân tử từ những đo lờng quang học nh

nó!Tính toán sự tán xạ ánh sáng trong thực tế là rất khó khăn bởi vì các phân

tử khói có thể liên kết thành những hình dạng rất phức tạp.Một ví dụ điểnhình là sự "già đi" của khói.Đặc trng của nó là sự liên kết của các phân tửkhói dẫn đến sự giảm tỷ khối của phân tử

Sự tán xạ và hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào bớc sóng và sự phân cực của nguồn sáng.Hình 4.1-3 cho ta biết sự tán xạ ánh sáng trong một hình cầu vớichiết suất cho trớc.Từ ví dụ này có thể rút ra một số quy tắc cơ bản sau:Phân tử lớn:

 Phân tử lớn có mặt cắt tán xạ với một số hình tròn.Sự tán xạ ánh sángphụ thuộc rất nhiều vào góc tán xạ

 Tất cả các tia sáng đều tán xạ theo hớng thuận

tạp hơn.Sự khác nhau giữa tán xạ thuận và tán xạ ngợc đợc minh hoạ trênhình 4.1-4.

Việc thiết kế mọt máy dò quang phụ thuộc vào đáp ứng cần thiết đối vớinhững loại khói khác nhau.Sự lựa chọn góc tán xạ sẽ xác định đáp ứng củamáy dò.Chẳng hạn nh là một cái máy dò tìm sử dụng góc tán xạ lớn (tán xạngợc) sẽ nhậy hơn đối với các phân tử nhỏ

Hình 4.1-4

Sự tán xạ của ánh sáng do các phân tử đợc miêu tả trong phơng trình Mie

và Rayleigh.Trong khi sự tán xạ do phân tử nhỏ có thể đợc mô tả bằng giảthuyết Rayleigh thì tán xạ do phân tử lớn lại thờng nằm trong miền giá trịcủa giả thuyết Mie.Đờng kính trung bình của phân tử khói thờng nằm trongvùng chuyển tiếp giữa miền Rayleigh và miền Mie.Sự phân bố kích thớcphân tử của hạt khói phụ thuộc vào loại lửa và vật liệu cháy âm ỉ hay cháybùng.Với ngọn lửa cháy bùng, phần lớn các phân tử có kích thớc dới 0.3 m,trong khi đó kích thớc phân tử khói của ngọn lửa cháy âm ỉ thờng lớnhơn.Hình 1-5 mô tả sự phân bố kích thớc phân tử thờng gặp

4.1.2.1.1.Tán xạ Rayleigh.

Giả thuyết rayleigh miêu tả sự tán xạ của ánh sáng của các phân tử nhỏ,với bán kính r nhỏ hơn rất nhiều so với bớc sóng  (2 r/  <1).Hình 4.1-5mô tả tóm tắt các kết quả chính của giả thuyết Rayleigh.

Hình 4.1-5

Hình 4.1-6

4.1.2.1.2.Giả thuyết Mie về sự tán xạ.

Miền Mie đợc đặc trng bởi sự dao động nhanh của mặt cắt tán xạ, là hàmcủa chiết suất, bớc sóng,góc tán xạ và bán kính phân tử.Sự phân bố của các

phân tử khói thờng là rộng.Tuy nhiên không tồn tại sự khác biệt về chất giữanhững phân tử lớn mầu trắng và những phân tử nhỏ mầu đen.Hình 4.1-7 biểudiễn tơng quan giữa phạm vi mặt cắt tán xạ của ngọn lửa cháy bùng và mộtngọn lửa cháy yếu trên sợi cotton nh là một hàm của góc tán xạ.Tỷ lệtrắng/đen cao hơn với góc tán xạ lớn.Trong thực tế, điều đó có nghĩa là máy

dò tìm sử dụng tán xạ ngợc nhậy với những phân tử nhỏ mầu đen hơn là máy

dò tán xạ thuận.Ưu điểm chính của tán xạ thuận là mặt cắt tán xạ nhỏ Điềunày đòi hỏi một xung ánh sáng mạnh hơn, hoặc là một sự khuyếch đại nhiềuhơn ở đầu thu

do đốt gỗ hay Heptan hơn là với những ngọn lửa cháy âm ỉ

Hình 4.1-7

Nguyên lý cơ bản của máy dò ion hoá đợc giải thích trên hình 4.1-10.Mộtbuồng đo lờng đợc giới hạn bởi hai điện cực và những phần cách điện.Mộtnguồn bức xạ vô tuyến,thờng là Am,phát ra những hạt .Không khí trongbuồng đo lờng bị ion hoá chủ yếu tạo ra các ion nhỏ đợc tích điện đơn lẻ ở cảhai cực tính.Một điện áp nhỏ (khoảng 5V) đợc đặt vào giữa các điện cực Khicha có khói,chỉ có một dòng điện nhỏ khoảng 20pA.Khi cho khói vào trongbuồng,một phần đáng kể các ion sẽ liên kết với các phân tử lớn.Lúc này cácphân tủ lớn đóng vai trò nh một điểm tái hợp của các ion nhỏ.Tốc độ trôi củacác phân tử khói lớn nhỏ hơn các phân tử khói nhỏ.Kết quả cuối cùng là sựsuy giảm của dòng ion.

định kích thớc của phân tử ,kích thớc hình học của buồng và điện áp giữahai điện cực.Đối với một buồng ion hoá,thời gian tồn tại của các ion nhỏ cóliên quan đến trờng đặt lên nó.Với những trờng mạnh,các ion trôi nhanhtrong buồng tạo ra một dòng điện lớn.Hầu hết các ion sinh ra đều đến đợc

điện cực.Trong trờng hợp này,buồng ion hoá hoạt động nh một nguồn dòng.Còn với những trờng yếu,dòng điện sẽ nhỏ hơn nhng độ nhậy lại tăng lên

Điện trờng trong buồng ion hoá cần đợc chon sao cho có một dòng điện đủlớn đồng thời vẫn đạt đợc độ nhậy cao.Kích thớc hình học của buồng đợc tối

u hoá khi có sự cân bằng thực sự giữa miền đơn cực và miền lỡng cực

Mối quan hệ dòng áp của một buồng ion hóa bị ảnh hởng bởi thể tích củabuồng mà còn liên quan đến độ "sạch" của bề mặt nguồn bức xạ vô tuyến(hình 4.1-11).Các đặc tuyến I-V khác nhau có thể dùng để nguyên nhân của

sự suy giảm dòng điện

Việc đo lờng những dòng điện cỡ pA đòi hỏi điện trở cao.Trong nguyên lýmột buồng, một điện trở (khoảng 20G) đợc dùng làm phần tử thamkhảo.Trong nguyên lý hai buồng,buồng thứ nhất hoạt động ở chế độ bão hoà

dùng để tham khảo.Buồng này không thẩm thấu với khói và có chức năng

nh một nguồn dòng

Việc trình bầy mẫu một buồng khói là rất khó khăn và nằm ngoài phạm vicủa phần này.Một vài phơng trình mẫu có thể đợc dùng để giải thích các đặctính chính của một máy dò tìm ion hoá, cụ thể là tại sao loại máy này rấtnhậy với những ngọn lửâ cháy bùng

Hình 4.1-11.Mối quan hệ dòng-áp của một buồng ion hóa

Chúng ta hãy quan tâm đến độ cân bằng n của một ion.Để đơn giản, chúng

ta giả thiết là các ion đều có cùng n,cùng độ linh động  và điện tích trungbình trên các ion lớn là nhỏ.Thông số n có thể đợc tính nh sau:

4.1.2.2.2.Tán xạ ánh sáng.

Nguyên lý chung.

Máy dò tìm khói quang học đo lợng ánh sáng bị tán xạ bởi bụi khói và cácphân tử Một điot phát quang phát ra các xung ánh sáng một cách đều

đặn.Tia sáng bị tán xạ bởi các phân tử đợc đo bằng một tế bào đặt chếch mộtgóc nào đó so với trục của tia sáng tới.Tia tán xạ sau đó đợc tập trung vào bộthu bằng một thấu kính.Mặc dù nguyên lý cơ bản này khá đơn giản, nhngcác thí nghiệm cụ thể hơn lại cho thấy một số vấn đề khá thú vị.Đầu tiên là

về mặt điện tử

Điện tử.

Hệ thống phát hiện khói là những hệ thống an ninh cần phải hoạt động tốttrong những điều kiện môi trờng đôi khi tỏ ra rất khắc nghiệt (sự thay đổicủa nhiệt độ môi trờng,nhiễu điện từ,sự rung động cơ học,bụi).Việc dò tìmcác tín hiệu ánh sáng tán xạ dới những điều kiện môi trờng thay đổi vì thế

đặt ra những yêu cầu khắt khe cho việc thiết kế mạch điện tử.Hơn nữa,mứctiêu thụ năng lợng của máy dò cần phải nhỏ,bởi vì trong trờng hợp nguồncung cấp chính bị hỏng máy dò phải đợc nạp bằng pin trong một vài giờ hoặcmột vài ngày.Tầm quan trọng của việc tiêu thụ ít năng lợng trở nên hiểnnhiên khi trong lĩnh vực lắp đặt công nghiệp số lợng máy dò có thể lên đếnvài nghìn.May mắn là việc phát hiện khói có thể tận dụng sự phát triển củacác thiết bị điện tử tiêu thụ ít năng lợng trong các công nghệ đòi hỏi các sảnphẩm phải hoạt động bằng pin(thông tin di động,máy tính xách tay,đồng hồ

đeo tay, )

Ngày nay,trong các máy dò tìm thơng phẩm,các LED thờng phát xạ trongvùng hồng ngoại gần bớc sóng 880mm (IRED).Gần đây ngời ta còn xuất bảncác nghiên cứu về LED phát ra ánh sáng xanh và đỏ.Do hiện tợng tán xạ phụthuộc vào phân tử và bớc sóng,ngời ta hy vọng sẽ phát triển đợc các loạimáy dò tìm sử dụng nhiều bớc sóng khác nhau với những đặc tính nổi trội(dò tìm băng rộng,dò tìm các loại khói đặc biệt).Các máy dò tìm này có đợcbuôn bán trên thị trờng hay không là phụ thuộc vào giá thành, mức tiêu thụnăng lợng va cờng độ ánh sáng phát ra

LED hoạt đông theo kiểu xung hoặc theo kiểu burst.Trong kiểu xung, ngời

ta gửi đi những xung ngắn (~150s) và mạnh,còn trong kiẻu burst là mộtchuỗi xung.Ưu và nhợc điểm của hai phơng pháp này vẫn đang là chủ đề chonhiều cuộc tranh luận.Ngời ta đã phát triển những tế bào quang và nhữngmạch khuyếch đại công nghệ CMOS hoạt động trong khoảng nA để đo lờng

và xử lý ánh sáng tán xạ ở cờng độ thấp.Mạch điện sẽ biến đổi tín hiệu từ tếbào quang thành một điện áp,sau đó đa vào một bộ ADC Để loại bỏ các lỗisinh ra do sự bù khuyếch đại và dòng điện dò,ngời ta tiến hành 3 phép đophân biệt.Phép đo đầu và cuối đợc thực hiện mà không có một xung ánhsáng nào,và máy phát hồng ngoại chỉ đợc đóng mạch trong phép đo thứhai.Bộ lọc đợc tích hợp trong ASIC có chức năng nh hình 4.1-12

Bên cạnh điện tử và quang học,còn có nhiều vấn đề quan trọng cho máyphát hiện khói,ví dụ nh là lới bảo vệ

Hình 4.1-13.Máy dò khói tán xạ ánh sáng

Máy phát hiện khói quang học đang dần thay thế máy ion hóa trên tất cả cácthị trờng.Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi trên.Thứ nhất máy pháthiện khói quang học đợc hởng lợi từ sự phát triển của ngành điện tử.Độ tincậy của các linh kiện trong máy dò nh LED đã tăng lên đáng kể.Ngoài ra, sựxuất hiện của MP và ASIC giá rẻ đã cho phép xây dựng các chức năng mới

nh tự kiểm tra,định cỡ,hay bù trôi.Các thuật toán này đã làm tăng đáng kể độtin cậy của máy phát hiện khói tán xạ ánh sáng

Những hệ thống có độ nhậy cao

Một số hệ thống dò tìm độ nhậy cao,nh là hệ thống sử dụng máy dò quang.Không khí đợc hút vào ống,sau đó đợc lọc để loại bỏ bụi bẩn.Một máy dòkhói độ nhậy cao sẽ xác định mức khói.Những hệ thống nhậy nhất sẽ đợcdùng để bảo vệ những vật có giá trị nh là các phòng máy tính

4.1.2.2.2.Sự tắt ánh sáng.

Việc đo lờng sự tắt ánh sáng giữ vai trò trung tâm trong phát hiện lửa.Sựtắt ánh sáng liên quan đến khả năng nhìn thấy đợc.Các bài kiểm tra phụ đợc

điều khiển để xác định khả năng nhìn thấy của ánh sáng qua đám khói Mặc

dù khả năng nhìn thấy của một vật có thể đợc xác định và đo đạc bằng cácdụng cụ khoa học,các bài kiểm tra vẫn đợc tiến hành với con ngời để đánhgiá khả năng nhìn của lính cứu hoả trớc sự thay đổi của mức khói.Các nhân

tố nh sự thích ứng của mắt có thể đợc xác định thông qua một bài kiểm travới con ngời.Mức khói mà mắt ngời có thể nhìn đợc có liên quan khá nhiều

đến nhân tố tắt.Sự tắt ánh sáng đã trở thành chuẩn để đánh giá khói,ví dụ nhtrong tiêu chuẩn Châu Âu EN 54-7 cho máy dò khói

Có hai loại máy dò quang học hoạt động theo nguyên lý tắt là máy dòchùm tuyến tính và máy dò tắt điểm.Hai loại máy này chỉ khác nhau về độ

dài đờng đi của ánh sáng.Với máy dò chùm tuyến tính,đờng đi là từ 100m,trong khi đó với máy dò điểm là 5-15cm.Vì sự tắt phụ thuộc vào sựhấp thụ và tán xạ ánh sáng nên nguyên lý này cho phép thiết kế các máy dònhậy với nhiều loại bụi khói.Máy dò chùm tuyến tính đợc sử dụng ngay từkhi bắt đầu phát triển các hệ thống cảnh báo sớm.Còn với máy dò tắt điểm,mặc dù có nhiều đặc tính tốt,nó vẫn không đợc sản xuất với số lợng lớn Chỉ

5-đến gần đây chúng ta mới có những thiết kế có khả năng đợc thị trờng chấpnhận

Tỷ lệ giữa ánh sáng tán xạ và ánh sáng hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vàodạng khói.Các phân tử khói hấp thụ ánh sáng ít hơn nhiều so với các phân tửmuội.Theo Grasshandler sự hấp thụ có thể chiếm tới 75% của sự tắt vớikhói của ngọn lửa cháy bùng,trong khi tán xạ lại chiếm tới 80% với khói từngọn lửa cháy âm ỉ

Hình 4.1-16

Máy dò chùm sử dụng sự dao động của chiết suất của không khí bị nung nóng để phát hiện lửa đã xuất hiện trên thị trờng.Sự pha trộn giữa không khí nóng và lạnh dẫn đến những thay đổi lớn của chiết suất.Điều này lại dẫn đến những thay đổi nhanh của độ trong suốt.Hiện tợng này có thể thấy vào mùa hè,khi bề mặt của những con đờng trông có vẻ nh đang rung lên

Việc thu nhỏ máy dò dòng tuyến tính thành một máy dò khói là vấn đề rất khó khăn,bởi vì sự hấp thụ của khói giảm nhanh với độ dài chùm.Máy đo tắt

điểm lại đòi hỏi mạch điện tử rất chính xác.Đáp ứng của một máy dò diểm không khác nhiều so với máy dò chùm,đặc biệt là với những phần tử khói lớn4.1.2.3

Nguyên lý cảm nhận nhiệt/nhiệt độ

Máy dò nhiệt đợc ứng dụng hạn chế hơn so với máy dò khói vì nó chỉ dựavào việc đo nhiệt độ.Nó thờng đợc sử dụng trong trờng hợp xuất hiện một l-ợng lớn khói,hơi nớc và bụi trong các hoạt động và có sự gia tăng nhanh củanhiệt độ

4.1.2.3.1.Máy dò nhiệt điện.

Hình 4.1-17 trình bầy cấu tạo của một máy dò nhiệt điện.Nhiệt độ khôngkhí đợc so sánh với nhiệt độ thực của máy dò.Hai nhiệt độ này đợc đo bằngsensor nhiệt độ NTC chính xác.Hai thiết bị đo đợc hiệu chỉnh để bù các hiệntợng khác

Theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 54-5 máy dò nhiệt cần đợc kiểm tra đáp ứng

ở nhiệt độ cố định và ở những tốc độ thay đổi khác nhau của nhiệt độ Dựavào kết quả này,ngời ta chia máy dò thành các loại khác nhau

4.1.2.3.2.Laser sợi quang.

Các phơng pháp khác nhau sử dụng laser sợi quang đã đợc phát triển trongvài năm gần đây(Hình 4.1-18).Các sensor này dựa vào một số hiện tợng vậtlý.Gần đây,các hệ thống dựa trên sự tán xạ không đàn hồi của ánh sáng qua

các sợi quang đã xuất hiện trên thị trờng.Với mục đích nghiên cứu thì hệthống Brillouin tỏ ra trội hơn hệ thống Raman.Hệ thống LASBI của học việnMetrology ở Lausanne đã triển khai thành công hệ thống Brilouin để điềukhiển nhiệt độ bê tông trong các công trình lớn.Còn hệ thống Raman thì lạikinh tế hơn.Ưu điểm chính của hệ thống quang so với máy dò nhiệt chính là

sự tiết kiệm

Giá thành của laser quang không tăng nhiều khi độ dài của sợi quang tănglên,nhng giá thành của máy dò nhiệt lại phụ thuộc nhiều vào kích thớc lắp

đặt.Vì vậy hệ thống laser quang thờng đợc dùng trong các đờng hầm

Hiệu ứng Raman sẽ tăng lên khi ánh sáng tới kích thích các phân tử trongsợi quang.Sự tơng tác giữa các phân tử và ánh sáng sẽ làm cho một phấn ánhsáng bị tán xạ.Phần lớn ánh sáng tán xạ có cùng bớc sóng với ánh sángtới.Tuy nhiên cũng có những phần ánh sáng không cùng bớc sóng với ánhsáng tới.Những tia sáng tán xạ không đàn hồi này gọi là tia Raman

Năng lợng chênh lệch giữa ánh sáng tới(Ei) và ánh sáng bị tán xạ (Es)bằng năng lợng để thay đổi trạng thái rung của phân tử.Sự chênh lệch nàygọi là sự dịch chuyển Raman

Ev=Ei-Es (4.1-2)

Hình 4.1-17

Anh sáng tán xạ Raman ngợc bao gồm hai thành phần phổ là đờng Stock

và đờng phản Stock.Đờng Stock có bớc sóng cao hơn,hoàn toàn không phụthuộc nhiệt độ,trong khi đờng phản Stock lại phụ thuộc nhiệt độ So sánh c-ờng độ hai đờng này giúp ta ớc lợng đợc nhiệt độ

4.1.2.3.3.Máy phát hiện sự dao động của nhiệt độ.

Năng lợng giải phóng từ một ngọn lửa sẽ nung nóng không khí xungquanh.Không khí nóng trộn lẫn với không khí lạnh dẫn đến sự dao độngnhiệt độ lớn,và hiện tợng này có thể đợc phát hiện bởi một sensor nhiệt độ(Hình 4.1-20).Phơng pháp này do Kaiser đa ra để phân biệt sự dao động gây

ra bởi một ngọn lửa với dao động gây ra do sự trộn lẫn không khí

ra đợc truyền đến nó ngay lập tức.Máy phát hiện lửa không phản ứng với các

đám cháy âm ỉ,vì vậy nó chỉ đợc sử dụng trong một số trờng hợp quantrọng(bảo vệ xởng hoá chất, ).Với những ứng dụng nguy hiểm,cần phải cóthêm các máy dò khác,chẳng hạn nh máy dò chùm tuyến tính.Các loại máyphát hiện lửa kết hợp này hiện đang có mặt trên thị trờng.Nói chung cảmbiến lửa IR thích hợp với ngọn lửa hữu cơ,còn máy phát hiện lửa UV thíchhợp với lửa hydro hay metal

Máy phát hiện lửa IR sử dụng bức xạ CO2 ở bớc sóng 4,3m để dò tìm.Ngọn lửa này cũng có thể đợc đo lờng bằng các vật liệu nhiệt điện.Đối vớisensor nhiệt điện,ánh sáng tới đợc hấp thụ bởi một lớp mỏng ở bề mặt,làmcho nhiệt độ giữa hai mặt của đĩa nhiệt điện khác nhau.Điều này lại dẫn đếnthay đổi về phân cực điện của vật liệu.Hình 4.1-22 trình bầy ví dụ về máyphát hiện lửa 3 bớc sóng.Sensor thứ nhất đo bức xạ 4,3m đợc tạo ra trongsuốt quá trình cháy của vật liệu hữu cơ.Hai sensor còn lại đo bức xạ ở hai b-

ớc sóng khác để phân biệt bức xạ thật với các hiện tợng giả.Hình 4.1-23 biểudiễn phổ của ngọn lửa,bức xạ mặt trời và bức xạ của vật đen,với nhiều đặctính có thể sử dụng trong xử lý tín hiệu.Độ tin cậy của máy phát hiện lửa phụthuộc rất nhiều vào thuật toán phân tích các tín hiệu khác nhau Những pháttriển quan trọng trong lĩnh vực này đợc giải thích trong phần 4.1.7