Bilimin Işığında Yeni Nesil Yangın Algılama

1890’da ilk elektrikli yangın alarm dedektörünün patentini (U.S. patent no. 436,961) alan Francis Robbins Upton, patent başvurusunda görevlinin patenti yanlışlıkla “Portable Electric Tire-Alarm” (Taşınabilir Elektrikli Lastik-Alarmı) olarak kaydetmesi nedeniyle hakkı olan üne geç ulaştı.

İyonizasyon Duman Dedektörleri

Bu basit düzenek yangın algılama dedektörlerinin gelişim sürecindeki ilk adımdı. 1930 yılında Walter Jaeger isimli İsviçreli bir bilim adamı madenlerdeki zehirli gazları tespit edebilmek için iyonlaştırma prensibini kullanan bir düzenek üzerinde çalışıyordu. Jaeger sensörün içerisine giren gazın iyonlaşmış hava molekülleri ile birleşip cihazın devresindeki akım değerini değiştireceğini öngörüyordu; ne var ki deneyi başarısız oldu. Küçük miktarlardaki gazın düzeneğin iletkenliği üzerinde hiçbir etkisi olmamıştı. Bu moral bozukluğu yüzünden bir sigara yakan Jaeger şaşkınlıkla cihazındaki akım seviyesinde bir düşüş olduğunu tespit etti. Böylece yıllardır birçok yangına sebep olan sigara, insanların yangına karşı savaşındaki en büyük yardımcısı olup, modern yangın algılama dedektörlerinin keşfinde önemli bir rol oynadı. Bu çalışmayla beraber iyonlaşma prensibini kullanan dedektörler (radyoaktif dedektörler olarak da bilinir) hayatımıza girmiş oldu. İyonizasyon duman dedektörlerine “Radyoaktif duman dedektörü” denmesinin sebebi de düzeneğinde küçük miktar da olsa (yaklaşık 0.29 mikrogram) nükleer reaktörlerde bulunan, Plutonium-241 çöküntüsünden elde edilen ve yapay olarak üretilen Americium-241 radyoizotopu bulunmasıdır. (4)

İyonizasyon duman dedektörlerinin çalışma prensibine göre; Americium radyoaktif elementi alpha parçacıkları ve düşük enerjili gamma ışınları yayar ve bu parçacıklar algılama bölmesinden geçerken (iki elektrot arasında hava dolu bölme) havadaki oksijen ve nitrojen parçacıkları ile çarpışarak yüklü parçacıklar (iyonlar) üretir. Algılama bölgesindeki metal plakalara az seviyede voltaj uygulandığında bu yüklü iyonlar bu akımı taşır ve düzenli bir elektrik akımı oluşturur. Ne var ki duman parçacıkları bu algılama bölgesine girdiğinde yüklü iyonlar ile birleşerek onları etkisizleştirir. Yüklerini kaybeden iyonlar artık metal plakalar arasında oluşan elektrik akımını taşıyamadığı için düzenli elektrik akımında bir düşüş, kesilme oluşur ve buna bağlı olarak da alarm tetiklenir. (4) İyonizasyon duman dedektörleri, üretimlerinin ucuz olması sebebiyle hâlâ birçok uygulamada, özellikle konut sektöründe, kullanılmaktadır. Ne var ki zaman içinde bu sistemin çeşitli dezavantajları ortaya çıkmıştır. Duman parçacıkları kaynaklarından uzaklaştıkça yığılma eğilimi gösterir ve bu sebeple de daha büyük parçacıklara dönüşür. İyonizasyon dedektörleri ise daha çok küçük duman parçacıklarına karşı hassastır. Bunun sebebi küçük duman bulutlarının hacim/kütle oranlarına göre içlerinde daha fazla parçacık bulundurması, duman kaynağından uzaklaşan duman bulutlarının hacim olarak büyümelerine rağmen kütlelerinin aynı kalması ve aynı m3 içinde daha az parçacık bulundurmasıdır. Bu da daha az parçacığın iyonlarla etkileşime geçmesine yol açar ve sonuçta akım seviyesini yeterli olarak değiştiremeyeceği için alarma sebebiyet vermeyebilir. Bunun yanı sıra dedektörler su buharı ya da toz gibi dış etkenlere karşı hassastırlar ve bu sebeple yanlış alarmlara daha fazla neden olmaktadır. (5)

Fotoelektrik Duman Dedektörleri 1940’lı yıllardan sonra fotoelektrik sensörlerin gelişmesi ve yaygınlaşması ile birlikte fotoelektrik duman dedektörleri ortaya çıktı. İyonizasyon duman dedektörlerine göre çok daha farklı bir çalışma prensibi olan fotoelektrik sensörler temel olarak ışığın bloke edilmesi veya saçılma prensiplerini kullanmaktadır. Işığın bloke edilmesi prensibine dayanan fotoelektrik duman dedektörlerinde, küçük bir ışık kaynağı (Genellikle kızılötesi LED veya lazer diyot kullanılır.) dedektör bölmesine bir ışın demeti gönderir. Işığa duyarlı bir alıcıda genellikle ışık kaynağının tam karşısında konumlandırılır. Normal durumlarda gönderilen ışın demetinin tümü alıcıya ulaşır. Duman, algılama bölgesine girdiği zaman, gönderilen ışın demetinin bir kısmının bloke olmasına ve böylelikle alıcıya daha az ışının ulaşmasına sebep olur. Bu da dedektörlerin, algılama algoritmasına bağlı olarak, alınan ışığın belirli bir miktarın altına düşmesiyle alarm vermesine yol açar. Işığın saçılma prensibine dayanan fotoelektrik duman dedektörlerinde ise gene küçük bir ışık kaynağı (Genellikle kızılötesi LED kullanılır.) dedektör bölmesine bir ışın demeti gönderir. Işığa duyarlı bir alıcı da genellikle ışın demetine 90 derecelik bir açıyla konumlandırılır. Normal durumlarda gönderilen ışın demetinin çok az bir kısmı alıcıya ulaşır. Duman algılama bölgesine girdiği zaman ise gönderilen ışın demetinin bir kısmının kırılmasına ve böylelikle alıcıya daha fazla ışının ulaşmasına neden olur. Bu da dedektörlerin algılama algoritmasına bağlı olarak, belirli bir ışık miktarından sonra alarmın verilmesini sağlar. Işığın saçılma prensibine dayanan fotoelektrik duman dedektörlerinde hassasiyet, başta duman parçacıklarının sayı ve büyüklükleri olmak üzere birçok etkene bağlıdır. Bunların yanı sıra önemli bir diğer etken ise duman parçacıklarının renkleridir: Koyu duman çıkaran (Örneğin plastik ve hidrokarbon yakıtlar) yansıttıklarından daha fazla ışık emerler, bu yüzden alarmın oluşması için daha fazla ışığın yansıtılması ve daha fazla zaman gerekir. Buna paralel olarak açık renkli duman parçacıkları ise daha fazla ışığı yansıttıklarından, küçük miktardaki açık renkli duman parçacıkları bile alarmı tetiklemeye yeterli olmaktadır. Duman parçacığının şekli, ışık kaynağı ile alıcı arasındaki açı ve ışık kaynağının dalga boyu da hassasiyeti etkileyen diğer etkenlerdir.

İşte bu sebeple üreticiler gerçek yangın dumanı ile diğer aldatıcı fenomenleri ayırt etmek için çeşitli teknolojiler geliştirmişlerdir. Bunlardan bir tanesi iki farklı ışın kaynağı kullanarak (hem ileri hem de geri ışın saçılımlarını algılamak amacıyla) algılama açısını 90 dereceden 120 dereceye çıkartan çift ışın kaynağı teknolojisidir, bu teknolojide destekleyici olarak çift sıcaklık sensörü ve CO dedektörü de kombine olarak kullanılarak ortamdaki mevcut durum hakkında daha fazla bilgi elde edilir. Geliştirilen bir diğer teknoloji ise algılama açısını değiştirmeden iki farklı dalga boyunda (mavi LED ve Infrared LED kullanarak) algılama yapılması sağlanarak farklı boyutlardaki duman parçacıklarının farklı dalga boylarındaki ışığa tepkilerini karşılaştırarak yanlış alarmları tespit etmeye yarar.

Çift Işın Kaynağı ve İleri Sinyal Analizi Teknolojisi

Çift ışın kaynağı kullanılan bir dedektör aşağıdaki bölmelerden meydana gelmektedir; 1. Alıcının (3) pozisyonuna göre yerleştirilmiş iki adet kızılötesi yarı iletken ışık kaynağı ile, yaklaşık olarak 60 ° ‘lik bir ön saçılma açısı ve yaklaşık 120 °’ lik bir geriye doğru saçılma açısı elde edilir. 2. İki kaynaktan çıkan kırmızı ışık (1) konik hazneye çıkar. 3. Yeşil renkte gösterilen, iki kaynaktan gelen ışık ile konik haznede (2) kesişen ve saçılma hacmini oluşturan boyutsal özellikleri olan kızılötesi ışık alıcısı 4. Duman tarafından saçılmayan ışık nedeniyle alıcı elemana yansımayı engelleyen labirent veya ışık tutucu (örneğin, harici kızılötesi radyasyon veya kaynaklardan yansıyan ışık). Labirent, ölçüm haznesine duman girmesine izin vermeli ve düzgün bir yönlü tepki sağlamak için yeterince açık olmalıdır. Bu en önemli algılama elemanlarındandır (14). 5. İki sıcaklık sensörü, ortam havasının sıcaklığını ölçer. Her bir yönde ölçülen sıcaklık değişimlerine eşit bir tepki verilmesine olanak tanıması amacıyla birbirlerinden 180 ° ayrı olarak konumlandırılmışlar. 6. CO sensörü (ek bir ürün varyantı), ortam havasındaki karbonmonoksitin anlık konsantrasyonunu sub-ppm çözünürlükle ölçer. Seri üretim açısından, %10’dan daha iyi olan hassasiyet kalibrasyonu ile birlikte, ortamdaki düşük seviyeli CO gazının algılanmasını sağlar, yanlış alarmların oranını arttırmadan dedektörün hassasiyetini arttırır. (15) Aslında 1970 ve 1980’lerde çok sayıda rapor ve patent başvurusu ile (örn. [16] ve [17]), farklı parçacık boyutlarına duyarlı olan ve daha dengeli bir sonuç sunabilen teknikler geliştirilmiş, duman algılama için birkaç saçılma açısı ve / veya dalga boyları kombinasyonunun kullanıldığı farklı yangın türlerine yönelik ayrı teknik çözümler sunulmuştur. Zamanına göre yenilikçi bu çözümlerde daha büyük saçılma açıları kullanılarak hem ileri hem de geriye doğru yansıyan ışık kırılımlarının analiz edilmesi ve güçlü bir yansıtıcı olan beyaz dumandan güçlü bir emici olan siyah dumanın ayrıştırılması amaçlanmıştır. Ancak, güvenilir ve uygun fiyatlı ışık kaynakları ve algılama bileşenlerinin pazarda kullanıma sunulması uzun zaman aldı. Şekil, çok daha küçük parçacıklar üreten açık odun ateşi gibi oluşan yangınların, içten içe yanan yangınlardan çok daha küçük sinyaller oluşturduğunu göstermektedir. Bu, dağınık sinyal genliğinin çok hızlı bir şekilde ölçeklendirilmesinden kaynaklanmaktadır (parçacıkların dalgaboyundan çok daha küçük olan 4. boyut gücüyle).(18) Ayrıca, farklı yayılma açılarında, tercihen 90° üstünde (ileri) ve 90° altında (geriye)(16) ölçülen diferansiyel kesitlerin (logaritmik ölçeğe dikkat edin) oranı, açık odun ateşi TF1 yangın tipleri ve içten içe yanan odun ateşi TF2 yangın tipleri için farklıdır (16). Bu bilgi, farklı yangın tiplerinin tanınmasını sağlayan algoritmaların tasarımı için kullanılmaktadır ([19], [20] ve [21]). Her ne kadar şekilden, ileriye doğru saçılım oranlarındaki azami farkın, daha küçük ileri saçılımlar için elde edilir gibi görünse de test veritabanı çift optik dedektörde 60 ° ve 120 ° ‘nin kombinasyonun çok uyumlu çalıştığı ve yangın aerosollerine karşı güzel duyarlılıkta olduğu ancak aldatıcı aerosollere (özellikle büyük parçacıklara) karşı çok büyük bir duyarlılığa sahip olmadığı görülmektedir. İleri ve geri ışın saçılımını kullanmanın yanı sıra çift sıcaklık sensörü kullanılarak da (sabit ve ısı artışı sıcaklık sensörleri) ortamdaki sıcaklık ve sıcaklık değişimi izlenebilmekte ve bu sayede açık alevli yangın tiplerine karşı yüksek hassasiyet kazanılmıştır. Son olarak yangın anında ortaya çıkan karbon monoksit (CO) gazını ölçmek için CO sensörü ortamdaki çok düşük düzeydeki karbon monoksit miktarını da ölçebilir. Tüm bu sensörlerden gelen veriler dedektörün işlemcisinde analiz edilir ve dedektörün hafızasına önceden gerçek yangın örneklerinden alınan 5000’in üzerinden yangın algoritması ile karşılaştırılır. Bu algoritmalardan herhangi biri ile mevcut ölçümler benzerlik gösteriyorsa dedektör üzerine programlanan hassasiyet seviyesine göre ön alarm veya alarm bilgisi kararını verir ve bunu yangın paneline iletir.

Optik Çift Dalga Boyu Teknolojisi

Günümüzde yaygın olarak kullanılan, ışığın saçılma prensibine dayalı fotoelektrik duman dedektörlerinin, dumanı daha hızlı algılarken yanlış alarmları minimize edecek şekilde geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Pazarda oluşan bu talep karşısında bazı üreticiler “çift ışın teknolojili” duman detektörlerini geliştirmişlerdir. Gene ışığın saçılma prensibine dayanan bu dedektörlerin içlerinde farklı dalga boylarında çalışan iki adet ışık kaynağı bulunmaktadır. Işığın saçılmasını açıklayan iki adet teori vardır. Bunlar buluşçularının adları ile anılan Rayleigh ve Mie tipi saçılma teorileridir. Rayleigh teorisi parçacık boyutunun ışık kaynağının dalga boyundan çok daha düşük olduğu durumları açıklarken, Mie teorisi ise parçacıkların boyutunun ışığın dalga boyundan büyük veya dalga boyuna yakın olduğu durumları açıklamaktadır. Fotoelektrik duman dedektörlerinde de Mie prensibi temel alınmaktadır. Mie saçılımı parça boyutu ile büyük oranda orantılı olup, parçacıklar büyüdükçe yansımanın yoğunluğu da artmaktadır. Genellikle fotoelektrik duman dedektörlerinde ışık kaynağı olarak kızılötesi ışın kullanılmakta ve kızılötesi ışınların dalga boyu sınıflandırmasına göre değişmekle beraber, ISO 20473 sınıflandırmasına göre yakın kızıl ötesi 0.78 nm (nanometre) aralığında çalışmaktadır.(7) Daha önceden belirtildiği gibi, dedektör hassasiyeti ışık kaynağının dalga boyuna da bağlıdır. Görünmez duman safhasındaki küçük duman parçacıklarını algılama konusunda iyonizasyon tipi dedektörlere göre daha dezavantajlı durumda olan fotoelektrik duman dedektörlerinin(8) bu dezavantajı ortadan kaldırmak için üreticiler mevcut kızıl ötesi ışık kaynağının yanına bir de mavi ışın yayan bir LED yerleştirdiler. Mavi ışığın dalga boyu kızıl ötesi ışınlardan daha düşük, 0.45 – 0.475 nm aralığında olduğu için küçük boyutlu duman parçacıklarına karşı daha hassastır. İki farklı dalga boyunu da kapsayan bir spektrum kullanarak farklı boyutlardaki duman parçacıklarının da ışığı saçması sağlanıyor; böylelikle yalnızca duman yoğunluğu değil, duman parçacıklarının boyutu da saptanabilir.

Günümüzde belki de yanlış alarmlara en çok sebebiyet veren sigara dumanı ve su buharı bu yeni teknoloji sayesinde artık yanlış alarm yaratmamaktadır. Sigara dumanı yangın dumanına oranla daha küçük duman parçacıklarına sahipken su buharı ise çok daha büyük duman parçacıklarından oluşmaktadır. Mie ışık saçılması teorisine göre parçacıklar büyüdükçe yansımanın da yoğunluğu artacağından foto diyota daha yoğun bir ışık saçılması gelecektir. Bundan yola çıkarak dedektör hem parça yoğunluğunu hem de parçacık boyutunu tespit etmekte ve bunu analiz ederek yanlış alarmlara neden olabilecek parçacıklardan gelen ışık saçılmalarını dikkate almamaktadır. SONUÇ Teknolojinin gelişmesiyle ve yangın dumanının özellikleri ile yanlış alarm yaratabilecek diğer etkenlerin daha derinlemesine incelenmesi sayesinde artık çok daha hızlı tepki verebilen ve yanlış alarm yaratabilecek etkenleri ayırt edebilen yeni nesil duman dedektörleri hayatımızdaki yerlerini almaya başladı. Yanlış alarmların zaman ve iş kaybına sebebiyet vermeleri sonucunda yüksek maliyet yarattığı bir çağda yaşıyoruz, ama bunu sağlamak uğruna güvenlikten ödün verilmesi de söz konusu olamaz. Gelecekte ise hassasiyeti arttırmak ve yanlış alarmları daha da minimize etmek için inanıyorum ki algılama bölgesine giren duman parçacıklarının yalnızca yoğunluğunu ve büyüklüğünü değil; renklerini, şekillerini ve hatta belki molekül yapısını bile belirleyebilecek ve buna göre tepki verebilecek dedektörlerle de karşılaşabileceğiz. Şu anda sadece yangın alarmlarını tetiklemek için kullanılan yangın dedektörleri belki de gelecekte bulundukları ortamı sürekli olarak denetleyen ve buna göre yalnızca yangın bilgisi vermekle kalmayıp diğer bina otomasyon sistemleri ile de bütünleşmiş olarak çalışarak onlara da bilgi verebilecek. Örneğin sigara içilmemesi gereken bir bölgede sigara dumanı algıladığında yangın alarmı vermeyecek ama otomatik olarak yalnızca o bölgeye “burada sigara içilmesi yasaktır” şeklinde sesli bir mesajın yayınlanmasını tetikleyebilecektir. Belki de gelecekte yangın dedektörleri ortamdaki oksijen seviyesini de kontrol edebilecek ve buna göre iklimlendirme sistemlerini de devreye sokabilecek veya kombine tip yangın dedektörleri içlerindeki ısı sensörleri sayesinde sürekli olarak bulundukları ortamın ısı bilgisini kontrol edecek ve istenen düzeyden farklı ise buna göre iklimlendirme sistemlerini tetikleyebileceklerdir. Belki de gelecekte duman detektörleri yangın halinde bulundukları odadaki duman yoğunluğunu ölçecek ve eğer duman o bölgede çok yoğunsa bina yönetim sistemine farklı bir rotadan, daha az duman yoğunluğu olan bir rota üzerinden tahliye yapılması için bilgi verecektir. Yaşanan teknolojik gelişmelere paralel olarak gelecekte yangın algılama detektörlerinin daha da gelişerek hassasiyetlerinin çok daha fazla arttırılacağını ve buna ek olarak yalnızca yangın tehditlerini algılamakla kalmayıp, bulundukları ortamı da değerlendirerek diğer bina sistemleri ile çok daha bütünleşmiş bir şekilde çalışabileceklerini öngörmek yanlış olmaz.

KAYNAKLAR http://www.tuyak.org.tr/images/dergiler/79399Tu%CC%88yak-7.Sayi-Web.pdf