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1. 서 론

종래의 열감지기나 연기감지기는 일정량 이상의 열이나 연기가 감지기에 도달하였을 때 화재감지가 가능하다. 그러므로 전시관, 돔형건물, 창고 등의 층고가 높은 대형공간이 있는 건축물에서 화재가 발생하였을 때 열이나 연기를 감지하는데 시간이 소요된다. 또한 석유화학 플랜트 등의 옥외시설의 경우는 대형 공간으로 확산하는 과정에서 외부 공기 등 기류의 영향으로 열의 온도와 연기의 농도가 점차 엷어지게 되어 화재의 조기 감지에 어려움이 있다(Drysdale, 1994; Dereniek and Boreman, 1996).

이에 비해 불꽃감지기는 화염으로부터 방사되는 적외선 또는 자외선을 검출하여 화재를 감지하는 원리로 기류의 영향을 상대적으로 적게 받는 장점이 있다(Song, 2016).

최근 IT기술의 발전과 더불어 불꽃감지기의 성능향상 연구도 이루어지고 있으며, 문화재 시설 등에도 감지기가 폭넓게 사용되고 있는 실정이다(Choi, 2011; Lim, 2006; Kim et al., 2017). 또한 불꽃감지기는 열감지기나 연기감지기와는 다르게 제품개발 때부터 감시거리(영역)를 설정하여 제작하므로 많은 제조사들은 넓은 영역의 감시거리를 갖는 불꽃감지기 개발에 몰두하고 있다.

현재 불꽃감지기의 감도시험은 “감지기 형식승인 및 제품검사 시험세칙”(KFI, 2016)에 따라 세 가지 방법으로 실시된다. 첫 번째 방법은 실감시시험이다. 이 방법은 연소로에 n-헵탄을 사용하여 유효감시거리에서 직접 감도를 측정하는 방법이며 실제 화원의 사용으로 인해 대부분 실외에서 실시된다. 현재 대부분의 감도시험은 실감시시험으로 실시하고 있다. 예를 들면, 불꽃감지기의 감시거리가 50 m이면 관련규정에 따라 그 거리의 1.2배인 60 m에서 시험을 실시하게 된다. 이 시험방법은 실제 감시거리에서 실제 화원을 가지고 시험을 실시하여 감지기의 실제 적응성을 확인할 수 있다는 장점은 있으나, 대부분 제조사는 이런 대형실내공간이나 실외공간을 보유하고 있지 않아 개발단계에서 충분한 실험을 수행하기에는 어려운 점이 있다. 두 번째 방법은 환산감시시험으로서 실외에서의 실감시험의 어려움을 해결하고자 실내에서 시험 가능한 크기의 환산용연소로를 사용하여 시험하는 것이다. 세 번째 방법은 치환감시시험으로서 환산용연소로 대신에 마이크로버너를 사용하여 실내에서 실시한다. 이 방법은 기술기준에는 제시되어 있으나 아직 국내에서는 제조사에서 대부분 사용하지 않고 있으며 이는 치환감시시험 개념의 이해가 부족하기 때문인 것으로 생각된다.

따라서 본 연구에서는 제조사에서 불꽃감지기를 개발할 때 편리하게 실내에서 불꽃감지기 감도시험을 실시하기 위하여 치환감시시험 장치를 개발하고 그 개념을 정립하였으며 실감시시험과의 비교실험을 통하여 치환감시시험의 타당성 및 신뢰성을 고찰하였다.

2. 불꽃감지기 치환감시시험방법 및 장치 개발

2.2 치환감시실험장치 구성 및 제작

Fig. 1은 2.1절에서 설명한 시험방법에 따라 치환감시실험을 위한 시스템 구성도를 나타낸 것이다. 불꽃의 연료는 KS M 2150(액화석유가스)를 사용하였고 불꽃의 높이를 5 ㎝가 되도록 하기 위하여 유량계를 설치하여 그 높이를 일정하게 조정하며 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 연료량은 15 cc/min이며 불꽃을 버너하우징안에 넣고 개구부(Aperture)의 중심과 감지기의 중앙이 일치될 수 있도록 제작하였다. 개구부앞의 초퍼 디스크는 적외선감지기의 실험에 사용하기 위하여 제작된 것이다. 적외선감지기의 센서는 광량이 변화할 때 출력특성을 나타내므로 치환감시실험에서는 이 장치가 별도로 필요하게 된다. 본 연구에서는 자외선감지기를 사용하므로 이 디스크는 사용하지 않았다.

Fig. 1

Schematic Diagram of Bench Experiments

Fig. 1의 구성에 따라 제작된 치환감시실험 장치는 Fig. 2와 같다. Fig. 3은 실험에 사용된 불꽃감지기와 거치대를 나타낸 것이다. 이 거치대는 거리별 광량을 측정할 수 있도록 거리 조절이 가능하도록 제작하였다. Fig. 4는 버너하우징내의 마이크로버너에서 나오는 불꽃의 모양을 나타낸 것이다. 이 버너하우징은 불꽃이 바람 등에 흔들리지 않도록 하는 것으로 감지기의 광축과 일치되게 개구부를 제작하였다.

Fig. 2

Photo of Bench Experiments System

Fig. 3

Flame Detector and Holder

Fig. 4

Flame and Flame Hausing

2.3 불꽃감지기

본 연구에서는 특정거리에서 불꽃감지기에 도달하는 광량을 전기적인 값으로 변환하는 장치가 필수적인데 이는 이 정보를 이용하여 실감시실험과 치환감시실험에서의 광량 특성을 분석하기 위해서이다. 실제 불꽃감지기내에는 자외선 센스와 적외선 센서 등으로 구성되어 있고 화원에서의 파장대를 검출하여 화재신호로 판단하는데 사용되고 있다(Kang et al., 2007; Kang et al., 2011; Baek, 2012). 본 연구에서는 이 센서의 출력신호를 변환하여 광량의 크기에 비례하는 아날로그 출력 전압을 만들어 내고, 이 값을 거리별 화원의 광량 값으로 사용하였다. 광량측정실험을 수행하기 위하여 일반불꽃감지기의 센서 회로를 수정하여 광량에 비례하는 아날로그 출력 값을 얻을 수 있는 감지기를 제작하였다. 또한 감지기의 출력 값을 데이터 취득 장치(DAQ) 및 컴퓨터를 사용하여 데이터를 취득 하였으며, 이 신호를 컴퓨터에서 모니터링 할 수 있도록 하였다.

실험에 사용한 불꽃감지기의 사양은 Table 1과 같다. 불꽃감지기의 주요 성능을 보면 UV-IR 기능을 가지는 감지기로서 시야각 100°, 공칭감시거리 30 m인 감지기이다.

Table 1

Flame Detector Specifications

3. 불꽃감지기 치환감시실험결과

Fig. 2의 장치를 이용하여 불꽃감지기의 치환감시실험을 수행하였다. 실험은 화원으로부터 0.4 m지점을 기점으로 하여 0.2 m간격으로 화원에서부터 멀어지면서 2.4 m지점까지 실험을 수행하였다. Fig. 5는 불꽃감지기의 각 거리에서 측정된 출력전압을 나타낸 것이다. Fig. 5는 각 거리에서의 출력전압을 한 화면에 표현한 것이다. Fig. 5를 보면 거리가 멀어짐에 따라 출력전압이 낮아지는 것을 알 수 있다.

Fig. 5

Output Voltage for Each Distance in Bench Experiments (On the Whole)

Fig. 6은 불꽃감지기의 거리별 출력전압을 1분간 평균한 값을 하나의 점으로 표현한 것으로서, Fig. 5의 시간에 대한 그래프를 거리에 대한 그래프로 나타낸 것이다.

Fig. 6

Distance vs. Voltage for Bench Experiments

4. 불꽃감지기 실감시실험결과

4.1 실감시실험의 구성

치환감시시험의 타당성을 확인하기 위해서는 실내에서의 치환실험 광량 값과 실거리에서의 광량 값을 비교해야 하므로 실감시실험을 수행하였다. Fig. 7은 실감시실험을 위한 구성을 나타낸 것이다(Jung, 2015). 화원은 “감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”을 준수하였다(크기33 ㎝ × 33 ㎝, 헵탄). 실험은 거리를 화원으로부터 최소 5 m에서 최대 36 m까지 변화시켜가며 수행하였고, 각 거리에서의 광량의 변화를 아날로그 출력 값을 측정하였다. Fig. 8은 실감시실험의 장면을 나타낸 것이다.

Fig. 7

Schematic Diagram of Real Distance Experiment

Fig. 8

Photo of Real Distance Experiments

4.2 실감시실험 결과

Fig. 8과 같이 실거리실험 장치를 구성하여 불꽃감지기에서 측정되는 출력전압을 측정하였다. Fig. 9는 감지기의 각 거리에서의 출력전압을 나타낸 것이다. 화원으로부터 멀어질수록 출력전압이 작아짐을 볼 수 있고, 이는 감지기에 도달하는 자외선광량이 적다는 것을 나타낸다(Jung, 2015). Fig. 10은 5 m에서 36 m지점까지의 광량을 한 화면에 나타낸 것이다.

Fig. 9

Distance vs. Voltage for Real Distance Experiments

Fig. 10

Output Voltage for Each Distance in Real Distance Experiments (On the Whole)

Fig. 9는 감지기의 거리별 출력전압을 1분간 평균한 값을 하나의 점으로 표현한 것으로서, Fig. 10의 시간에 대한 그래프를 거리에 대한 그래프로 나타낸 것이다. 화원으로부터 거리가 멀어짐에 따라 출력 전압(광량)이 작아짐을 알 수 있다.

5. 치환감시실험과 실감시실험의 타당성 고찰

Fig. 11은 치환감시시험이 실감시시험을 대체하여 사용할 수 있을것인지의 타당성을 분석하기 위하여 치환감시실험결과(Fig. 6)와 실감시실험결과(Fig. 9)를 로그그래프에 함께 나타낸 것이다. 로그그래프를 사용한 것은 치환감시실험의 측정거리와 실감시실험의 측정거리가 10배 이상이 되므로 이를 같은 그래프에서 표현하기 위해서이다. 이 그래프를 살펴보면 실감시실험 직선과 치환감시실험 직선의 기울기가 동일함을 확인할 수 있다. 따라서 실감시실험에 사용한 감지기는 최대감시거리 36 m에 해당되는 치환감시실험의 거리는 약 5.8 m임을 알 수 있다. 실제로 제품개발을 위해서 두 그래프를 활용하고자 한다면 데이터 처리 소프트웨어를 사용하면 직선의 기울기와 실감시실험에 대응하는 치환감시실험의 거리를 쉽고 정확하게 도출할 수 있을 것이다.

Fig. 11

Output Voltage vs. Distance in Log graph (Left: Bench Experiments, Right: Real Distance Experiments)

6. 결 론

본 연구에서는 실외에서의 실감시시험을 대신하여 실내에서 시험이 가능한 치환감시시험의 타당성을 고찰하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 불꽃감지기내의 자외선센서 신호를 광량에 비례하는 전기적 신호로 변환하여 치환감시시험에 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다. 제조사에서 치환감시시험을 하고자 할 경우에는 불꽃감지기 개발 당시에 감지기내에서 받아들이는 광량을 전기적 신호로 변환하는 장치의 신호를 외부로 인출하여 거리-광량의 출력 데이터를 취득한 후에 실감시시험의 결과와 비교하면 실내에서의 최대감시거리를 찾을 수 있게 된다.

둘째, 치환감시실험 장치를 개발하여 치환감시실험과 실감시실험을 수행하였으며, 그 결과분석을 통하여 실내에서 치환감시시험의 가능성과 타당성을 확인하였다. 제조사에서 제품개발에 치환감시시험을 활용하고자 한다면 우선 불꽃감지기로부터 거리-광량의 출력 데이터를 취득하고, 실거리에서 거리-광량의 데이터를 취득하여 이를 로그그래프에 나타내고 그 점들을 잇는 직선을 구한다. 이 직선의 기울기가 같은지를 확인하고 같다면, 제작한 불꽃감지기는 치환감시시험이 가능하다는 것을 의미한다. 마지막으로 실감시시험의 최대감시거리에 해당하는 지점을 치환감시시험의 로그그래프에서 찾아 그 지점에서 불꽃감지기 감도시험의 최대감시거리 시험을 실시하면 된다.

이상과 같이 본 연구에서는 불꽃감지기 감도시험인 실감시시험의 애로사항을 개선하고 이를 대체할 수 있는 실내 치환감시시험 방법의 타당성을 확인하였다. 불꽃감지기 제조사에서 이 연구를 적절히 활용한다면 품질향상 및 성능개선에 도움이 될 것으로 생각된다.

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