實驗與量測儀器

本研究主要內容是針對細水霧滅火系統（Water Mist Fire Suppression System）在通風排煙環境下對於在火災控制上的整合及應用。選定辦公室初期火 災來做為火災場景，決定其火載量並以木堆當作標準火源。經由不同的噴霧條 件、排煙條件及細水霧噴射位置與排煙口之相對位置，來觀察煙流動變化並且量 測標準火源被撲滅的時間，以及排煙管路之溫度變化以深入探討細水霧與排煙系 統設置之相對位置與其滅火能力之相關性。整個的實驗設備主要是由一個測試空 間、不同的火災防護以及一些量測儀器所組成。而以上所提到的實驗設備，將會 在接下來的部分作詳細的說明。

一、實驗空間

實場測試場地現址位於建築研究所防火實驗中心的煙控實驗室內，空間大小 為 12 公尺長，4 公尺寬，高度 3.5 公尺，在實場測試時除紀錄滅火時間外，也將 紀錄滅火的影像(靜態及動態)，在滅火測試進行的同時，也紀錄火場中多處的溫 度變化、輻射熱通量變化及氧、一氧化碳等氣體濃度，示意圖如圖 2-1 和圖 2-2 所示；在空間中包括有三條熱電偶樹、四個撒水噴頭、兩個排煙口、一個補氣口、

煙濃度偵測器及氣體分析儀。煙濃度偵測器與氣體分析儀架設高度均為 1.8m，

主要是因為 1.8m 為煙層的危險界線。

圖 2-1 實驗場地配置圖(本研究)

圖 2-2 實驗場地俯視圖(本研究)

二、氣體分析儀

本實驗中所用的氣體分析儀，如圖 2-3 是由 Testo 公司所研發的設備，透過 PCMCIA 卡來進行控制。當幫浦以手工或者自動的方式開始時，燃燒所產生的氣 體，會經由前端的陶磁過濾器將大部分的雜質 (主要是飛灰；soot)過濾掉，過濾 後的氣體再經由探測管進去機器本體內。在進入氣體分析儀後，氣體的溫度會被 冷卻到 4~8℃之間，這時氣體中所含的水氣便會凝結成液態的水，以確保能得到 乾燥空氣，同時降低儀器內部元件因水氣所帶來的損害。然後，乾燥的空氣會透 過幫浦提供的動力到達氣體感應器。這裡，乾燥的空氣會經由孔隙極小的橫膈膜 擴散進傳感器，然後產生信號。 最後，氣體再透過排氣管排放至外界。其測量 位置如圖 2-2，高度為 1.8m。

圖 2-3 氣體分析器(本研究)

圖 2-4 熱電偶樹(本研究)

(a) (b)

圖 2-5 數據處器(a) DA-100 (b)DU-100(本研究)

四、煙遮蔽量測器

煙遮蔽量測器(CODEL Model 200t)包括一個信號處理機單位和兩台相同的雷 射光源發射器，如圖 2-6 和圖 2-7 所示。兩台雷射光源發射器分別被安裝相對牆 上 1.8m 高度（見圖 2-7）。

圖 2-6 煙遮蔽量測的訊號處理器(本研究)

圖 2-7 雷射光源發射器(本研究)

信號處理機包含了電源以及控制的微處理器部份，該信號處理機/電源可以調 整雷射光源的波長，以及發射的雷射光強度，而雷射光強度因通過煙層之衰弱量 經訊號產生器(D100 以及 DA-100) 直接把一個電訊號轉變成一個電壓訊號，進 而得到相對應的煙遮蔽率。

在雷射光源發射器部分包含一個感測頭(包括光源，一個檢測器和相關視覺 的感應元件)； 以及一面校準鏡和可旋轉的閥門。 光源由兩個波長為 637 nm (在 人眼睛可視範圍內)的高功率發光二極體(LED) 組成。

煙遮蔽率測量的詳細的工作原理描述如下。考慮兩個獨立的雷射光源分別 設置在牆壁的兩端的情況，此時，從雷射光線 1 發射至雷射光線 2 的關係可以用 下列方程式來表示;

21 = K D₁( ₁₂/D₂₂) 其中 : K₁ = gain constant to product

 = 1 (100 % transmissivity, clean air condition)

D12 = the detector output at unit 1 (internal reference level) D22 = the detector output at unit 2

或是從雷射光源 2 發射至雷射光源 1 的關係式，可以寫成下列式子:

12 = K D₂( ₂₁/D₁₁), 其中 : K₂ = gain constant to product

 =1 (100 % transmissivity, clean air condition)

D21 = the detector output at unit 1

D11 = the detector output at unit 2 (internal reference level) 另外從上面的兩個關係式，()可以以下列關係式來表示 :

 =  ₁₂₂₁

= K D₁( ₂₁/D₁₁)K D₂( ₂₁/D₁₁) 五、數位攝影機

在試驗將數位式攝影機 (類型 DCR-TRV40，新力) ，放置在觀景窗(Viewing Window)的地方，以幫助記錄實驗過程中火場的變化情形。 而錄製的影像透過 影像轉換卡(IEEE1394 的插槽)，以及 Ulead 6.0 影像處理軟體，將所錄製的影片 存放在電腦中。 油盤火災，其火源則以 FM Approval Standard for Water Mist Systems Class Number 5560 中針對區域防護( local application )所訂定之池火( pool fire )測試為測試情 境，池火火源如圖 2-9 所示，因場地大小的影響，油盆的大小選用 40cm×40cm、

高度 15cm，並且選用汽油來作為油盆火災的標準火源。

圖 2-8 木堆火源(CNS3658)

圖 2-9 油盆火源(FM)

七、測試場週邊設備設置與系統整合

圖 2-10 到圖 2-17 顯示週邊場地設備設置，包含了撒水變頻控制盤系統、細 水霧啟動控制系統、偵熱與偵煙探測回路系統、排煙口與補氣口、細水霧旋吊系 統以及天花板四周封板，其中排煙口大小為 60cm×60cm，而補氣口大小為 45cm

×60cm，位置如圖 2-1 和圖 2-2 所示。圖 2-14 到圖 2-17 顯示週邊場地設備設置，

包含了撒水變頻控制盤系統的改善與測試、偵熱與偵煙探測回路安裝、排煙風管 含兩手動閘門安裝、細水霧旋吊系統以及天花板四周封板。

圖 2-10 撒水變頻控制盤系統 圖 2-11 細水霧啟動裝置

圖 2-12 排煙啟動控制器 圖 2-13 偵熱與偵煙探測回路

圖 2-14 排煙風管 圖 2-15 細水霧旋吊系統

圖 2-16 排煙口 圖 2-17 補氣口

(本研究) (一)實驗偵測儀器架設

架設 3 條熱電偶樹，分別位於房間左上、正中及右下位置。煙濃度偵測器則 架設於右上門入口 0.8m 處，高度為 1.8m，來探討火災發生細水霧啟動時對逃生 的影響。氧氣及二氧化碳氣體偵測儀則架設於煙濃度偵測器旁邊。

(二)實驗參數測試

在實驗場地先進行油盆火災測試，40cm×40cm 油盆放於房間中央的排煙口下 方，測試情境分別為(一)無排煙狀態下，細水霧工作壓力 100Bar (二)120m³/min 排煙狀態下，細水霧工作壓力 100Bar 及(三) 50m³/min 排煙狀態下，細水霧工作 壓力 100Bar。根據消防法規規定，排煙機之排煙量需在 120m³/min 以上；在防

煙區劃內每平方公尺每分鐘要有一立方公尺以上的排煙能力。實驗場地面積約大

(3)把汽油(1500C.C.和 3000C.C.)和水(1500C.C.)倒入油盆中，並且攪 拌燃料使其均勻分佈於油盤中。

(4)在油盆的火(木堆火)被點燃之前，先開始記錄溫度，煙遮蔽和氣體

燃燒產物抽到外界，直到試驗環境返回原始狀態，再接著下一次試 驗。

(9)每種實驗情境至少進行三次以上的實驗次數，再將實驗結果進行 平均值計算，確認實驗之再現性，以確保實驗的準確性。

九、雷射量測系統

影像處理技術可分為兩大界域，空間域以及頻率域。在空間域，影像上各部 位的圖素均直接進行處理；在空間域影像則先必須經過傅利葉轉換成為傅利葉函 數，然後加乘一組特定的濾鏡函數來得到處理後的影像函數。空間域以及頻率域 之間的轉換則是以迴旋定理來連接。為了節省轉換計算的時間，採用快速傅利葉 轉換 (FFT) 是較適當的方法。影像加強的主要目的在於針對要處理的目標，加 強特定的特性來獲取所需的影像資料。影像加強是一種主觀且問題導向的處理方 式，不須依循單一標準的條件。常用的加強方式有高斯低通濾波、均值濾波以及 同調濾波。本研究採用高斯低通濾波，其優點在於可以有效降低影像中的雜訊，

圓滑各粒子影像的邊緣，以及保有粒子影像本身的特性。影像復原和影像加強擁 有相同的目的，透過影像處理技術來增強影像的品質，唯一不同之處在於影像還 原技術認定一開始取得的影像已經受到損傷，因此主要處理過程著重在消去額外 的雜訊，透過退化函數來反推原始的影像。常用的方式有 Wiener 濾波以及主動 式濾波。

在本實驗採用 Spectra Physics 公司的 Ar 雷射，連續波綠色可見光，增加了

CCD 感光度並且降低了實驗中雷射光源校準之困難性，雷射功率 2W、波長 532nm、光束直徑 2.3mm、光束擴散角 0.5mrad。將雷射架於光學平台，經圓柱 透鏡將雷射光束轉為雷射光頁（laser sheet）厚度約 3.4mm，雷射光頁射入石英 玻璃測試段，使光頁切於噴頭下方的中央部份的位置。如圖 2-18，先可藉脈衝雷 射照亮待攝物件，以短曝光照相術來拍攝取相，獲得清晰之噴霧影像。

圖 2-18 高壓細水霧系統噴嘴(a)正視圖以及(b)俯視圖(本研究)

(一)光學透鏡組

實驗所用之光學透鏡組，用於產生雷射光頁，包括光學平台、圓柱透鏡(BK7 Precision Cylindrical Lenses)、圓柱透鏡支架與固定器，圓柱透鏡有效焦距為 6.4mm。

(二)分析系統(analysis subsystem)

因應 PIV 所產生的大量影像資料，所以需要高容量、高處理速度儲存系統，

由 Pentium 4 CPU 3.0GHz 及 1GB RAM，使用 NI 軟體後處理分析影像資料。此 影像需先數位化處理，轉成 8 位元之 256 灰階圖。數位化之影像，可進行對比增 強及低通濾波等運算，以去除背景雜訊、改善其可讀性。適當的選擇閥值 (thresholding)，可藉二值化運算，將欲量測之液滴像素與背景，分離成黑色、

圖 2-19 數位影像處理流程(本研究)

再以統計手法統計，各尺寸範圍液滴的數量與總體積通量，求得平均粒徑 SMD 值。另外影像量測是以數位影像量測的方法進行。量測到的數據可依據 ASTM799-92「Standard Practice for Determining Data Criteria and Processing for Liqid Drop Size Analysis」進行數據整理分析，並從中計算得到細水霧之平均粒 徑。