어떤 불꽃감지기(Flame detector)가 좋을까?

불꽃감지기는 화염으로 부터 나오는 빛의 스펙트럼을 분석하여 자외선(UV)과 적외선(IR) 영역의 파장을 검출하여 화재를 판별합니다. 아래 그래프는 A급화재(목재 작열연소)와 B급화재(가솔린)의 화재시 스펙트럼을 분석한 것(NFPA 72)인데 연료와 화재형태에 따라 방출되는 파장이 다른것을 알 수 있습니다. B급 가솔린 화재의 경우 파장의 피크가 자외선 영역에서 부터 적외선 영역까지 광범위하게 발생하고 있는데, CO2, CO, C-H 등의 탄소가 포함된 분자들의 피크가 인상적으로 보입니다.

 

 

 

불꽃감지기는 태양빛, 번개, 용접시 발생하는 아크, 조명 등에서 화재시와 비슷한 파장대의 스펙트럼을 방출하기 때문에 비화재보가 많이 발생합니다. 경험상 옥외에 설치한 불꽃감지기가 태양빛이 반사된 물체의 반짝거림에 의해 비화재보가 발생하여 고민을 하였던 경우도 있었으며 가스히트로 인한 비화재보 그리고 보일러 연소기 내부를 보기위한 Flame eye를 통해 새어나오는 빛을 감지하여 비화재보가 발생하는 경우도 많았습니다. 이렇듯 불꽃감지기의 기술발전은 비화재보를 감소하기위해 발전을 거듭하여 현재에 이르고 있습니다. 그럼에도 불구하고 여전히 오경보 감소에 대한 문제는 숙제로 남아 있습니다. 비화재보를 줄이기 위한 방법 중 특정 연료의 연소 과정에서 발생하는 특정 복사 파장대를 감지하도록 설계된 감지기는 특정 연료군에서 발생하는 하나의 복사 파장대는 탐지할 수 있지만, 다른 가연물의 화재에는 거의 반응하지 않는 경우기 있기 때문에 불꽃감지기를 선정할 때에는 대상공간의 화재특성 즉 가연물에 대한 정보도 중요하게 고려해야 합니다.

 

다음의 그래프는 일반적으로 사용하는 불꽃감지기 들의 스펙트럼 응답 특성과 앞서 보여준 그래프에서의 두가지 연료 화재특성을 비교한 것인데, 특정 파장을 검출하는 방식에 따라 감지를 못하는 경우도 발생할 수 있다는 것을 보여줍니다. 예를 들어 A급 작열연소는 근적외선 영역의 파장을 검출하는 감지기가 필요하며, 탄소가 함유되지 않은 연소의 경우에는 적외선 영역만 감시하는 불꽃감지기로는 화재를 감지할 수 없는 것이죠.

 

 

 

불꽃감지기 선정을 위한 첫번째 단계는 주된 가연물이 탄화수소(Hydrocarbon)인지, 아니면 비탄화수소(Non-hydrocarbon)인지를 명확히 구분하는 것입니다. 우리가 주변에서 흔히 보는 가스, 휘발유, 디젤, 플라스틱 등 대부분의 일반 가연물은 탄화수소 계열입니다. 이 물질들은 연소할 때 다량의 CO2를 방출하기 때문에, CO2 피크를 표적으로 삼는 IR3 감지기가 1차 권장 사항이 됩니다. 문제는 비탄화수소 계열의 연료들입니다. 이들은 C(탄소) 원자를 포함하고 있지 않기 때문에 연소시 CO2를 전혀 방출하지 않습니다. 대표적으로 수소(H2) 화재는 C가 없어 CO2를 전혀 방출하지않고, 심지어 화염이 육안으로 보이지 않아 더욱 위험합니다. 만약 이 환경에 CO2를 찾는 IR3나 표준 IR 감지기를 설치했다면, 수소 화재를 절대 감지할 수 없는 '치명적인 설계 오류'가 됩니다. 이런경우에는 용접 등 UV를 유발하는 환경 요인이 없을 때에는 UV 단독 감지기를 사용하는 것이 필수적입니다. 마찬가지로 마그네슘 같은 금속 화재는 수천 도의 극도로 밝은 빛을 내뿜지만 CO2 스파이크가 없기 때문에, 역시 IR3는 부적합합니다. 이 경우도 UV 단독 감지기가 1차 권장됩니다. 암모니아(NH3)처럼 CO2를 방출하지 않고 고유의 IR 파장을 내뿜는 연료는 전용 IR 감지기를 사용해야 합니다.

 

그러나 화염이 없는 표면연소에서 방출되는 복사 에너지는 대부분 적외선 영역이며, 그보다 적은 비율로 가시광선 영역에서도 나타나는데, 일반적으로 불씨는 약 1727°C 에 도달하기 전까지는 유의미한 양의 자외선(UV) 에너지를 방출하지 않습니다(총 방출량의 약 0.1% 수준에 불과). 대부분의 경우, 복사는 약 0.8~2.0 마이크론의 파장대의 적외선 영역에 해당하며, 이는 대략 398°C ~ 1000°C의 온도 범위에 해당합니다. 따라서 석탄과 같이 표면 연소하는 경우를 감지하기 위해서는 UV감지기는 적응성이 떨어질 것입니다.

 

또 한가지 중요한 것 중의 하나는 감지기와 화재원 사이의 매질도 감지기 선정을 위해 고려해야할 매우 중요한 요소라는 것입니다. 특히, 중간 및 중질 석유 증류물(등유,경유,중유,윤활유 등)의 연소에서 발생하는 매우 짙은 농도의 연기는 자외선 영역의 복사를 강하게 흡수하므로, 자외선 기반 감지기를 사용하는 경우에는 연기 간섭으로 인한 감지기 응답 저하가 발생할 수 있으므로 자외선 기반 화염감지기는 적응성이 떨어질수 있습니다.

 

결론적으로 불꽃감지기의 선정은, 가연물의 종류에 따른 복사 스펙트럼에 가장 적합하고, 연기 간섭 가능성(UV계열경우) 그리고 비화재보 가능성이 있는 요소를 확인한 후 선정해야 합니다.