Integration of a heat flux sensor and an infrared filter for fire detection

Abstract

Fire detection is based on detecting some key element of a fire, like smoke, flames or temperature. A carbon fire creates high temperature H₂O and CO₂ gases that emit distinctive infrared radiation. These radiation peaks could be detected by using a system consisted of a heat flux sensor and an infrared filter. A heat flux sensor is a passive electrical device that turns temperature gradient into electrical signal. An infrared filter filters desired infrared radiation while blocking unwanted wavelengths. The aim of this research was to examine different solutions of the filter-sensor integration for a fire detection application. Filter-sensor integration was studied using literature review and empirical research. In the empirical research, the distance between the filter and the sensor, the gap, was changed between 0 and 1 mm with 0.1 mm differences. It was found that having the filter further away from the sensor prevented an unwanted baseline rise of the sensor signal. The baseline rise was caused by the filter absorbing heat. It was also found that using air as the medium between the filter and the sensor was a better option than using a thermal interface material between them. The best results came from a filter that had a small air gap, the size between 0.5 mm and 1 mm, between the filter and the sensor.

Tulipalon havaitseminen perustuu jonkin tulen tunnusmerkin, kuten liekkien, savun tai lämpötilan muutosten, havaitsemiseen. Tulipalon seurauksena syntyy kuumia H₂O ja CO₂ kaasuja, jotka emittoivat niille ominaisia infrapuna-aallonpituuksia. Näitä kuumille kaasuille ominaisia aallonpituuksia voidaan käyttää tulipalojen havaitsemiseen ja torjuntaan. Tässä diplomityössä tutkitaan mahdollisuutta käyttää lämpövuoanturia ja infrapunafiltteriä infrapuna-aallonpituuksien havaitsemiseen ja testataan erilaisia tapoja integroida filtteri lämpövuoanturiin. Diplomityö tehtiin käyttäen hyväksi kirjallisuuskatsausta aiemmista aiheeseen liittyvistä artikkeleista sekä empiiristä tutkimusta erilaisista tavoista yhdistää filtteri ja anturi. Tutkimuksessa huomattiin, että lähellä sensoria oleva filtteri aiheuttaa lämpövuoanturin signaalin perustason nousua filtterin lämpenemisen takia. Tutkimuksessa kokeiltiin myös termistä kontaktia parantavaa väliainetta sensorin ja filtterin välissä, mutta se aiheutti voimakasta lämpövuoanturin signaalin perustason nousua. Kokeilluista yhdistelmistä tutkimuksen mukaan parhaassa integraatiossa filtterin ja sensorin välissä on 0.5 mm – 1 mm välinen ilmarako.