第六章 全尺寸性能實驗
第三節 實驗儀器與設備
一、溫度量測設備
測試時在火源附近架設熱電偶樹 (Thermocouple Tree)以便量測 實驗空間內之溫度變化。其熱電偶規格為 K-type，直徑為 0.3mm，
最高溫度可量測到 1,400℃，熱電偶樹距離地面 1m 處為第一點，
其後每 0.5m 設置一點，一束熱電偶樹共五點量測點。為避免熱 電偶之訊號線受到煙流溫度影響而損毀，因此在熱電偶的外部包 覆一層耐熱材料。
二、數據收集系統
數據擷取裝置的主要作用是將測試過程中熱電偶、煙層光學量測 系統所量測到的數值傳輸並記錄下來，並要求數據收集系統的數 據採集頻率能夠到達一個較高的頻率，即達到即時傳輸、即時紀 錄，而且還必須具有多點採集的功能，如下圖所示。
圖 6-5 無紙式紀錄器數據收集系統主機 (資料來源：本研究整理)
圖 6-6 無紙式紀錄器數據畫面 (資料來源：本研究整理)
三、影像處理系統
在測試進行時，可以錄下測試空間內火源燃燒的狀態、撒水頭的 作動情形與煙層的流動。
四、燃料
以老人福利機構所報廢之被褥、床墊、床單、枕頭做為模擬火災 所需之火載量，並以汽油作為縱火劑，以模擬真實火災燃燒情 況。
五、測試雜項設備
除上述精密測試量測儀器外，現場仍須準備各種雜項設備，例如：
滅火器、防火棉、碼表等設備。
六、煙層光學量測設備
煙層光學量測設備主要分為發射端之發射源與接收端之接收源，
用以量測實煙測試過程中之煙霧能見度及煙層高度，實驗時設置 於離地 1.2m 及 2.5m 處，其設備如下圖所示。
圖 6-7 煙層光學量測設備 (資料來源：本研究整理)
一般而言火災的發生初期會先產生煙，其次才感受到溫度的 上升，最後才產生火燄，因此火災初期所能偵測到的因子乃是煙，
所以此一煙層光學量測系統的創作是採用同一平面、不同高度可 多點設置之偵測點於發射端與接收端間若有煙霧產生必會造成接 收端電壓訊號的改變，再結合 PC 來做訊號處理與輸出，其相關 的參數包括了時間（∆t）、遮蔽率（S）及探測數目（N）等，其 系統方塊圖如圖 6-8 及圖 6-9 所示。
相關參數所代表的意義如下：
1. 時間（∆t）：代表同一高度不同位置偵測到煙的時間差（如 圖 6-9 所示之 1A 至 2A），並可依此來判斷火源的相對位置 與煙流流向及是否為火災誤報的依據（如果 1A 先偵測到 煙而 2A 未接續偵測到煙即表示誤報）。
2. 遮蔽率（S）：本系統可偵測到同一偵測點之遮蔽率連續變 化，以此做為不同場所之危害程度的判斷依據。
3. 偵測數目（N）：可依所設置之場所來決定以便作為快速偵 測到火災的依據。
圖 6-8 同一平面不同高度多點偵測裝置情形 (資料來源：本研究整理)
圖 6-9 煙層光學量測系統示意圖 (資料來源：本研究整理)
光學量測設備主要分為發射端之發射源與接收端之接收源，
用以量測實煙測試過程中之煙霧能見度及煙層高度，採用「雷射 煙層量測設備─光敏電阻法」，運用 Beer–Lambert 定律平行單色 可見光能量之衰減原理，透過功率 5mW、波長 650nm 之雷射光 源投射至光敏電阻上，光源受煙層遮蔽而導致接收端之電壓值變 化，透過數據擷取裝置將接收到之電壓值輸出，由電壓值的變化
轉換成遮蔽率。
為求測試之準確性，須驗證其設備量測結果是否準確，利用 吸收式衰減片(Neutral density filter)對不同波長之光線均勻減光原 理，選取不同光學密度(Optical Density，OD)之衰減片，與經驗公 式計算其透光率，再利用雷射光源穿透其衰減片，投射至受光元 件所得之電壓值，與經驗公式計算，若所得結果與衰減片透光率 相符，表示其量測設備量測之數值具有一定的準確度，可用於實 驗上，如圖 6-10 所示。
吸收式衰減片為玻璃本身、厚度或在材料中加入某些元素後，
對光能量有吸收作用，放在光軸上，來減少光能量的強度，吸收 式衰減片又可分為有寬帶的抗反射塗層及無塗層兩種，有寬帶的 抗反射塗層主要功能是減少或消除光學表面的反射光，增加鏡片 的透光量，減少或消除雜散光，無塗層僅使用鏡片本身的材料或 厚度來吸收光能量，可將數個衰減片組合，調節較微量的光能量，
通常吸收式衰減片的損傷臨界值較低，長時間使用會有發熱的現 象，不適合用在高功率光能量衰減，如圖 4-14 所示。
圖 6-10 吸收式衰減片 (資料來源：本研究整理)
吸收式衰減片 光源
光被衰減片吸收
一般使用 安裝衰減片
圖 6-11 驗證光學量測設備準確性 (資料來源：本研究整理)
圖 6-12 煙層光學量測現況圖 (資料來源：本研究整理)
此種採用光學量測技術進行煙層高度及能見度的量測，可由 多點的量測數值準確提供一整個剖面的煙層高度及能見度的狀況，
對以往僅有單點數值的量測方式有很大的改進。
依據《火災學》(陳弘毅、紀人豪，2016)【2】關於煙濃度之 敘述2：煙的光學濃度表示，主要是利用消光係數求得，根據Lamber Beer定律可以得知，當一波長為λ之光束通過煙層時，其光束強 度減弱的現象具有公式 4-1 之關係：
𝐼𝜆 = 𝐼𝜆0𝑒(−𝐾𝐾) (4-1) 𝐼𝜆0 ：入射光之強度(cd)
𝐼𝜆 ：透過煙層光之強度(cd) 𝐿 ：煙層厚度(m)
𝐾 ：消光係數(m-1)
經由過去大量試驗與研究，可整理成火場能見度與消光係數 間之經驗公式，如公式 4-2、4-3 所示：
𝐾 ∙ 𝑆 = 8 對於發光物體 (4-2) 𝐾 ∙ 𝑆 = 3 對於反光物體 (4-3) S ：火場能見度(m)
𝐾 ：消光係數(m-1)
煙霧之濃度通常以減光率與光學密度(Optical Density)來表示，
減光率定義為不透明度，即
𝑆(%) = 𝐼𝜆0𝐼−𝐼𝜆
𝜆0 ∙ 100 (4-4) 光學密度 𝐷 = 𝑙𝑙𝑔 �𝐼𝐼𝜆0
𝜆� (4-5)
2本段為陳弘毅、紀人豪《火災學》(2016)內容之部分節錄。
這兩者之間具有以下關係
𝐷 = 2 − log (100 − 𝑆) (4-6) 將公式 4-1 代入公式 4-4 可以得知
𝐷 = 𝐾𝐿 2.3� (4-7) 比較煙濃度，通常表示單位長度之光學密度
𝐷𝐾 = 𝐷 𝐿� = 𝐾 2.3� (4-8) 本研究利用煙層光學量測設備測量出遮蔽率後，例如遮蔽率 為 80%時，代入公式 4-5 即可得知
𝐷 = 𝑙𝑙𝑔 � 1
0.2� = 0.699
若此時煙層厚度為 6m，將 D 值一併代入公式 4-8 即可得知
𝐷𝐾 = 0.699
6 = 0.0998𝑚−1
𝐾 = 2.3 × 𝐷𝐾 = 2.3 × 0.0998 = 0.268𝑚−1
將 K 值代入公式 4-2 及公式 4-3 即可得知火場中的能見度。