Nguyên lý hoạt động của thiết bị báo cháy (Phần 1)

I. Thiết bị khởi tạo (đầu vào)

1.   Đầu báo khói:

Đầu báo khói hay còn gọi là đầu dò khói là thiết bị dùng để phát hiện khói – một thành phần điển hình của cháy. Đa số các đầu báo khói sẽ phát tín hiệu về trung tâm báo cháy. Một số đầu báo khói dùng cho gia đình thì có th ể phát ra âm thanh báo động tại chỗ khi có cháy.

Đầu báo khói thường đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa có đư ờng kính khoảng 100 mm (4in) hoặc 150 mm (6 in), nhưng hình dạng có thể thay đổi tuỳ theo nhà sản xuất hoặc dòng sản phẩm.

Đầu báo khói được đấu nối với trung tâm báo cháy bằng dây 2 lõi hoặc 4 lõi, và từ đó có khái niệm đầu báo 2 dây và đầu báo 4 dây.

- Đầu báo 2 dây là đầu báo được cấp nguồn và truyền tín hiệu trên cùng 01 đôi dây (2 dây). Thường sử dụng nguồn DC24V

- Đầu báo 4 dây là đầu báo được cấp nguồn riêng với đường tín hiệu.

Hai dây cấp nguồn (12VDC hoặc 24VDC) và hai dây tín hiệu loại thường hở (N/O) hoặc thường đóng (NC). Hệ thống báo cháy chuyên dụng chủ yếu dùng lọai đầu báo 2 dây với điện áp 24VDC.

Độ nhạy của đầu báo khói.  Độ mờ mịt (Obscuration – Obsc.) (hay là độ đục) là đơn vị đo lường tiêu chuẩn dùng để xác định độ nhạy của đầu báo khói. Độ mờ mịt là hiệu ứng mà khói làm giảm tầm nhìn của của đầu dò. Đ ộ mờ mịt càng lớn thì nồng độ khói càng nhiều.

Theo tiêu chuẩn thì độ nhạy của các loại đầu báo khói như sau:

Độ nhạy tiêu chuẩn của đầu báo khói
Loại đầu báo	Mức độ mờ mịt (Obscuration Level)
Ionization – ion hoá	2.6–5.0% obs/m	0.8–1.5% obs/ft
Photoelectric – quang điện	6.5–13.0% obs/m	2–4% obs/ft
Aspirating – độ nhạy cao	0.005–20.5% obs/m	0.0015–6.25% obs/ft

1.1.   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 1.1). 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. Một mạnh phát hiện sự suy giảm dòng đi ện 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).

1.2.   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 đây được đặt trong một buồng quang học (optical chamber) hay còn gọi là buồng khói. Hình 1.2 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 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, và vì đi ều này đầu báo quang điện là tin cậy 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, đ ầu báo ion có chất phóng xạ nên không thể mở buồng ion để vệ sinh, sửa chữa được.

-  Đầu ion sẽ báo gỉa 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.

1.3.   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 t ập 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 các 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.  
1.4.   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.

1.5. 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.