Techniques for Fire Detection

7/28/2019 Techniques for Fire Detection

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T E C HN I Q UE S F OR F I R E DE T E C T I O N

R i c h a r d W. B u k o ws k iC e n t e r f o r F i r e R e s e a r c hNa t i o n a l B u r e a u o f S t a n d a r d s

I N T RODU CT I O NT h e p u r p o s e o f a f i r e d e t e c t o r i s t o p r o v i d e t h e e a r l i e s t wa r n i n g p o s s i b l eo f t h e o u t b r e a k o f a n u n wa n t e d f i r e s o t h a t a p p r o p r i a t e a c t i o n s t o mi t i g a t et h e c o n s e q u e n c e s o f t h e f i r e c a n b e t a k e n . T h e s e a c t i o n s g e n e r a l l y i n c l u d et h e e v a c u a t i o n o f o c c u p a n t s a t r i s k t o a s a f e a r e a a n d t h e i n i t i a t i o n o f e x t i n -g u i s h me n t a c t i v i t i e s , e i t h e r a u t o ma t i c o r ma n u a l . S i n c e f i r e s a n d t h e t h r e a tp o s e d b y t h e m g r o w r a p i d l y , e a r l i e r e x t i n g u i s h me n t me a n s t h a t t h e t h r e a t a n dp o t e n t i a l f o r d a ma g e f r o m t h e f i r e i s mi n i mi z e d .B a l a n c e d a g a i n s t t h e d e s i r e f o r r a p i d a c t i v a t i o n i s t h e n e e d t o mi n i mi z ef a 1 s ~ a l a r ms , wh i c h d i s r u p t n o r ma l a c t i v i t i e s a n d e r o d e c o n f i d e n c e i n t h ed e t e c t i o n s y s t e m. De t e c t o r s t h a t " c r y wo l f " t o o o f t e n a r e e i t h e r i g n o r e d o rd i s c o n n e c t e d , r e s u l t i n g i n t h e p o t e n t i a l f o r d i s a s t e r . I n a n e a r l y 1 9 7 0 ' sr e p o r t o n A i r F o r c e a i r c r a f t e n g i n e n a c e l l e f i r e d e t e c t o r s ( r e f . 8 ) , F o xr e p o r t e d t h a t a b o u t 8 3 p e r c e n t o f t h e a l a r ms r e c e i v e d we r e f a l s e a n d 5 0 p e r c e n to f t h e f i r e s we r e n o t d e t e c t e d . T h e l a t t e r wa s r e l a t e d t o t h e f o r me r i n t h a tt h e h i g h f a l s e a l a r m r a t e c a u s e d t h e c r e ws t o d i s c o n n e c t t h e d e t e c t o r s i n o r d e rt o me e t f l i g h t r e a d i n e s s o b j e c t i v e s . I n c o mme r c i a l b u i l d i n g s y s t e ms , F r y( r e f . 9 ) a n d B u k o ws k i ( r e f . 1 0 ) b o t h r e p o r t e d f a l s e t o r e a l a l a r m r a t i o s o f1 4 : 1 f o r s mo k e d e t e c t o r s i n t h e Un i t e d K i n g d o m a n d t h e Un i t e d S t a t e s ,

r e s p e c t i v e l y .T h e b a l a n c e b e t we e n e a r l y wa r n 1 n g a n d m1 n i mu m f a l s e a l a r ms r e q u i r e s t ha tt h e d e t e c t o r s e l e c t e d b e ma t c h e d t o t h e a p p l i c a t i o n i n t e r ms o f t h e c h a r a c t e r -i s t i c s o f t h e e x p e c t e d f i r e s a n d t h e o p e r a t i n g e n v i r o n me n t . A n a n a l y s i s o ft h e c o mb u s t i b l e ma t e r i a l s a n d p o t e n t i a l i g n i t i o n s o u r c e s wi t h i n a s p a c e t o b ep r o t e c t e d c a n p r o v i d e i n s i g h t i n t o t h e e x p e c t e d " f i r e s i g n a t u r e s " t h a t wi l l b ep r o d u c e d . T a k i n g i n t o a c c o u n t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s p a c e t h a t wi l li n f l u e n c e t h e t r a n s p o r t o f t h e s e p r o d u c t s f r o m t h e c o mb u s t i o n s i t e t o t h ed e t e c t o r l o c a t i o n a n d t h e r e s p o n s e o f t h e d e t e c t o r t y p e s e l e c t e d a l l ow5 t h ep r e d i c t i o n o f p e r f o r ma n c e . F i n a l l y , t h e v u l n e r a b i l i t y o f t h e s p a c e ( a n d i t sc o n t e n t s a n d o c c u p a n t s ) s h o u l d b e a n a l y z e d t o d e t e r mi n e t h e ma x i mu m f i r e s i z et h a t c a n b e s a f e l y t o l e r a t e d i n o r d e r t o e s t a b l i s h t h e d e t e c t i o n g o a l r e q u i r e d

t o p r o v i d e a s a f e c o n d i t i o n wi t h o u t b e i n g o v e r l y s e n s i t i v e .T h e p u r p o s e o f t h i s p a p e r i s t o p r o v i de a n o v e r v i e w o f t h e b a s e s f o r s u c ha n a n a l y s t s . f i r s t , t h e b u r n i n g p r o c e s s i s d i s c u s s e d i n t e r ms o f t h e p r o d u c -t i o n o f t h e " f i r e s i g n a t u r e s " n o r ma l l y a s s o c i a t e d wi t h d e t e c t i o n d e v i c e s .T h e s e i n c l u d e c o n v e c t e d a n d r a d i a t e d t he r ma l e n e r g y , p a r t i c u l a t e s , a n d g a s e s .S e c o n d , t h e t r a n s p o r t p r o c e s s e s a s s o c i a t e d wi t h t h e mo v e me n t o f t h e s e f r o m t h ef i r e t o t h e d e t e c t o r , a l o n g wi t h t h e i mp o r t a n t p h e n o me n a wh i c h c a u s e t h e l e v e lo f t h e s e s i g n a t u r e s t o b e r e d u c e d , a r e d e s c r i b e d . T h i r d , t h e o p e r a t i n g c h a r -a c t e r i s t i c s o f t h e i n d i v i d u a l t y p e s o f d e t e c t o r s , wh i c h i n f l u e n c e t h e i r

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r e s p o n s e t o t h e s i g n a l s , a r e p r e s e n t e d . F i n a l l y , v u l n e r a b i l i t y a n a l y s i s u s i n gp r e d l c t i v e f i r e mo d e l i n g t e c h n i q u e s wi l l b e d i s c u s s e d a s a me a n s t o e s t a b l i s ht h e n e c e s s a r y r e s p o n s e o f t h e d e t e c t i o n s y s t e m t o p r o v i d e t h e l e v e l o f p r o t e c -t i o n r e q u i r e d i n t h e a p p l i c a t i o n .

F I R E S I GNA T UR E SF i r e d e t e c t o r s s e n s e t h e p r e s e n c e o f f i r e b y r e s p o n d i ng t o c h a n g e s i nt h e i r l o c a l e n v i r o n me n t t h a t a r e i n d i c a t i v e o f a f i r e wi t h i n t h e i r a s s o c i a t e da r e a o f c o v e r a g e . T h e g o a l i s t o s e l e c t c o n d i t i o n s f o r s e n s l n g t h a t a p p e a r a se a r l y a s p o s s i b l e a n d t h a t a r e p r e s e n t a t l e v e l s s u f f i c i e n t l y a b o v e t h o s e a tf J o r ma l , n o n f ' r e c o n d i t i o n s t o mi n i mi z e f a l s e a l a r ms . T h e s e c h a n g e s o f c o n d i -t i o n s a r e c a l l e d f i r e s i g n a t u r e s . V a r i o u s f i r e c o n d i t i o n s ma y p r o d u c e d i f f e r -e n t f i r e s i gn a t u r e s , s o o p t i mu m d e t e c t o r s y s t e m d e s i g n r e q u i r e s t h a t t h e .d e t e c t o r t y p e s s e l e c t e d mu s t b e ma t c h e d t o t h e h a z a r d p r e s e n t .

H e a tC o mb u s t i o n i s e s s e n t i a l l y a n e x o t h e r mi c , g a s - p h a s e c h e mi c a l r e a c t i o n .G a s e o u s f u e l s c o mb u s t b y b r e a k i n g b o n d s i n t h e f u e l mo l e c u l e s , f o r mi n g o t h e rc h e mi c a l s p e c i e s a n d r e l e a s i ng t h e r ma l e n e r g y . F o r s o l i d o r l i q u i d f u e l s ,s o r n e o f t h e t h e r ma l e n e r g y i s n e e d e d t o p r o d u c e t h e p h a s e c h a n g e t o a g a sb e f o r e t h e a c t u a l c o mb u s t i o n t a k e s p l a c e . T h i s r e q u i r e d e n e r g y i s t h e h e a t o fg a s i f i c a t i o n . T h e n e t r e ma i n i n g e n e r g y t h e n g o e s t o i n c r e a s e t h e t e mp e r a t u r eo f t h e g a s e s a n d a i r l e a v i n g t h e c o mb u s t i o n z o n e . T h i s h o t g a s r i s e s d u e t ob u o y a n c y t o t h e c e i l i n g a n d s p r e a d s r a d i a l l y o u t wa r d i n a c e i l i n g j e t . T h et e r n p e r a t u r e a n d v e l o c i t y o f t h i s c e i l i n g j e t g o v e r n t h e h e a t t r a n s f e r r a t e t ot h e r ma l l y a c t i v a t e d d e t e c t o r s l o c a t e d o n t h e c e i l i ng .

S m o k eI n t e r ms o f f i r e d e t e c t i o n , s mo k e r e f e r s t o s o l i d o r l i q u i d p a r t i c l e s

r e l e a s e d d u r i n g c o mb u s t i o n . T h e s o l i d s a r e c l u s t e r s o f c a r b o n a c e o u s s p h e r u l e sf o r me d wi t h i n t h e f u e l r i c h p o r t i o n s o f t h e f l a me i n a p r o c e s s s i mi l a r t op o l yme r i z a t i o n . V a p o r s c a n c o n d e n s e o n a s o l i d c o r e , y i e l d i n g a l i q u i d c o v e r e ds mo k e p a r t i c l e . T h i s c o n d e n s a t i o n p r o c e s s r e q u i r e s t h a t t h e t e mp e r a t u r e b eb e l o w t h e v a p o r i z a t i o n t e mp e r a t u r e wh i l e t h e v a p o r c o n c e n t r a t i o n i s s t i l l h i g h .I n s mo l d e r i n g c o mb u s t i o n , e s s e n t i a l l y a l l t h e s mo k e i s i n t h e f o r m o f c o n d e n s e dv a p o r s . l h i s i s wh y t h e s mo k e f r o m s mo l d e r i ng a p p e a r s l i g h t c o l o r e d ( t h el i q u i d i s l a r g e l y wa t e r ) a n d t h e s mo k e f r o m f l a mi ng i s d a r k ( mo s t l y c a r b o n ) .l h i s a l s o me a n s t h a t t h e p a r t i c l e s i z e f r o m s mo l de r i n g i s l a r g e r t h a n f r o mf l a mi n g .L i g h t

F l ame s r a d i a t e l i g h t e n e r g y o v e r a b r o a d s p e c t r u m. R a d i a t i o n i n t h ev i s i b l e a n d i n f r a r e d c o me s l a r g e l y f r o m t h e r ma l e n e r g y r a d i a t i n g f r o m t h e c a r -b o n p a r t i c l e s wi t h i n t h e f l ame . T h i s i s wh y a h y d r o g e n f l ame , wh i c h c o n t a i nsn o c a r b o n , i s i n v i s i b l e . U l t r a v i o l e t r a d i a t i o n c o me s l a r g e l y f r o m OH r a d i c a l s ,a n d t h e t h e r ma l l y b r o a d e n e d OH r a d i a t i o n e x p l a i n s wh y a l c o h o l f l a me s a n d p r e -mI x e d g a s f l ame s a p p e a r b l u e .

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T r a n s p o r t / L o s s e sOn c e p r o d u c e d b y t h e f i r e , t h e f i r e s i g n a t u r e mu s t t r a v e l t 6 t h e d e t e c t o rt o p r o d u c e a r e s p o n s e . De p e n d i n g o n t h e s i g n a t u r e , t h i s t r a n s p o r t p r o c e s st a k e s t i me , a n d l o s s e s c a n o c c u r t h a t f u r t h e r d e l a y r e s p o n s e . A n u n d e r s t a n d i n go f t h i s p r o c e s s c a n h e l p t o s e l e c t o p t i mu m d e t e c t o r p l a c e me n t a n d t y p e f o r t h e

f a s t e s t r e s p o n s e t o t h e h a z a r d .l h e r i s i n g p l u me a b o v e a f i r e e n t r a i n s c o o l a i r , wh i c h r e d u c e s t h e t emp e r -a t u r e a n d d i l u t e s t h e p a r t i c u l a t e c o n c e n t r a t i o n . On c e t h e p l u me c o n t a c t s t h ec e i l i n g , h e a t t r a n s f e r r e d u c e s t h e t emp e r a t u r e f u r t h e r , b u t p a r t i c u l a t e l o s s e st o t h e c e i l i n g a r e g e n e r a l l y s ma l l . Wh e n t h e c e i l i n g j e t r e a c h e s t h e d e t e c t o r ,t h e t h e r ma l i n e r t i a o f a h e a t d e t e c t o r r e s u l t s i n a d e l a y i n r e s p o n s e , b u t as mo k e d e t e c t o r wi l l r e s p o n d i mme d i a t e l y i f t h e p a r t i c u l a t e c o n c e n t r a t i o n i sh i g h e n o u g h . T h i s i s t h e p r i ma r y r e a s o n wh y s mo k e d e t e c t o r s r e s p o n d f a s t e rt h a n h e a t d e t e c t o r s f o r mo s t f i r e s .Wi t h f l a me d e t e c t o r s , t h e l i g h t e n e r g y t r a v e l s i n a s t r a i g h t l i n e a l mo s ti n s t a n t a n e o u s l y . S i n c e t h e f i r e i s r a d i a t i n g i n a l l d i r e c t i o n s , t h e i n t e n s i t y

f a l l s o f f a s t h e s q u a r e o f t h e d i s t a n c e f r o m t h e f i r e t o t h e d e t e c t o r a n d ma yb e a t t e n u a t e d b y a n y s mo k e p a r t i c l e s i n t h e r a d i a n t b e a m. T h e k e y t h i n g t or e me mb e r a b o u t f l ame d e t e c t i o n i s t h a t t h e d e t e c t o r mu s t b e a b l e t o " s e e " t h ef l ame d i r e c t l y , a l t h o u g h i n f r a r e d e n e r g y wi l l r e f l e c t f r o m s u r f a c e s a t ar e d u c e d l e v e l .H EA T D E T E C T I O N

T y p e sHe a t d e t e c t o r s a r e t h e o l d e s t t y p e o f a u t oma t i c f i r e d e t e c t i o n d e v i c e .T h e y b e g a n wi t h t h e d e v e l o p me n t o f a u t oma t i c s p r i n k l e r h e a d s i n t h e 1 8 6 0 ' s a n dh a v e c o n t i n u e d t o t h e p r e s e n t wi t h a p r o l i f e r a t i o n o f d i f f e r e n t t y p e s o fd e v i c e s . A s p r i n k l e r c a n b e c o n s i d e r ed a c o mb i n e d e x t i n g u i s h i n g d e v i c e a n dh e a t - a c t i v a t e d f i r e d e t e c t o r wh e n t h e s p r i n k l e r s y s t e m i s p r o v i d e d wi t h wa t e rf l o w i n d i c a t o r s t i e d i n t o t h e f i r e a l a r m c o n t r o l u n i t s y s t e m. T h e s e wa t e rf l o w i n d i c a t o r s d e t e c t e i t h e r t h e f l o w o f wa t e r t h r o u g h t h e p i p e s o r t h e s u b -s e q u e n t p r e s s u r e d r o p u p o n a c t u a t i o n o f t h e s y s t e m a n d a u t o ma t i c a l l y s o u n d a na l a r m a s t h e wa t e r i s b e i n g p u t o n t h e f i r e .E l e c t r i c a l h e a t d e t e c t o r s , wh i c h o n l y s o u n d a n a l a r m a n d h a v e n o e x t i n -g u i s h i n g f u n c t i o n , a r e a l s o u s e d . He a t d e t e c t o r s a r e t h e l e a s t e x p e n s i v e f i r ed e t e c t o r s , h a v e t h e l o we s t f a l s e a l a r m r a t e o f a l l f i r e d e t e c t o r s . b u t a r ea l s o t h e s l o we s t i n d e t e c t i n g f i r e s . He a t d e t e c t o r s a r e b e s t s u i t e d f o r f i r e

d e t e c t i o n i n s ma l l c o n f i n e d s p a c e s wh e r e r ap i d l y b u i l d i n g . h i g h h e a t o u t p u tf i r e s a r e e x p e c t e d a n d i n o t h e r a r e a s wh e r e a mb i e n t c o n d i t i o n s wo u l d n o t a l l o wt h e u s e o f o t h e r n r e d e t e c t i o n d e v i c e s o r wh e r e s p e e d o f d e t e c t i o n o r l i f es a f e t y a r e n o t t h e p r i me c o n s i d e r a t i o n . On e e x a mp l e o f t h i s wo u l d b e l o w v a l u ep r o t e c t i o n wh e r e f i r e c o u l d c a u s e mi n i mu m d a ma g e t o t h e s t r u c t u r e o r c o n t e n t s .He a t d e t e c t o r s ma y b e t h o u g h t o f a s d e t e c t i ng f i r e s wi t h i n mi n u t e s o f i g n i t i o n .He a t d e t e c t o r s r e s p o n d t o t h e c o n v e c t e d t h e r ma l e n e r g y o f a f i r e a n d a r eg e n e r a l l y l o c a t e d a t o r n e a r t h e c e i l i n g . T h e y ma y r e s p o n d e i t h e r a t ap r e d e t e r mi n e d f i x e d t emp e r a t u r e o r a t a s p e c i f i e d r a t e o f t e mp e r a t u r e c h a n g e .

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I n g e n e r a l , h e a t d e t e c t o r s a r e d e s i gn e d t o s e n s e a p r e s c r i be d c h a n g e i n ap h y s i c a l o r e l e c t r i c a l p r o p e r t y o f a ma t e r i a l wh e n e x p o s e d t o h e a t .F i x e d - T e mp e r a t u r e De t e c t o r s

F i x e d - t e mp e r a t u r e d e t e c t o r s a r e d e s 1 g n e d t o a l a r m wh e n t h e t e mp e r a t u r e o ft h e o p e r a t i ng e l eme n t r e a c h e s a s p e c i f i e d p Oi n t . T h e a i r t e mp e r a t u r e a t t h et i me o f o p e r a t i on i s u s u a l l y h l gh e r t h a n t h e r a t e d t e mp e r a t u r e d u e t o t h et h e r ma l 1 n e r t i a o f t h e o p e r a t i n g e l e me n t s . F i x e d - t e mp e r a t u r e h e a t d e t e c t o r sa r e a v a i l a b l e t o c o v e r a wi de r a n g e o f o p e r a t i ng t e mp e r a t u r e s r a n g i ng f r o m51 C ( 135 OF ) a n d u p . H i g h e r t e mp e r a t u r e d e t e c t o r s a r e n e c e s s a r y s o t h a td e t e c t i o n c a n b e p r o v i d e d i n a r e a s t h a t a r e n o r ma l l y s u b j e c t e d t o h i gh a mb i en t( n o n f i r e ) t e mp e r a t u r e s .E u t e c t i c me t a l s , a l l o y s o f b i s mu t h , l e a d , t i n , a n d c a d ml um, wh i c h me l tr a p i d l y a t a p r e d e t e r mi n e d t e mp e r a t u r e , c a n b e u s e d a s o p e r a t i n g e l eme n t s f o rh e a t d e t e c t i o n . T h e mo s t c o mmo n s u c h u s e i s t h e f u s i b l e e l e me n t i n a n a u t o -ma t i c s p r i n k l e r h e a d . F u s i n g o f t h e e l e me n t a l l o ws wa t e r t o f l o w i n t h e s y s -t e m, wh i c h t r i g g e r s a n a l a r m b y v a r i o u s e l e c t r i c a l o r me c h a n i c a l me a n s . A

e u t e c t i c me t a l ma y b e u s e d i n o n e o f t wo wa y s t o a c t u a t e a n e l e c t r i c a l a l a r mc i r c u i t . T h e s i mp l e s t me t h o d i s t o p l a c e t h e e u t e c t i c e l e me n t i n s e r i e s wi t ha n o r ma l l y c l o s e d c i r c u i t . F u s i n g o f t h e me t a l o p e n s t h e c i r c u i t t o t r i g g e ra n a l a r m. T h e s e c o n d me t h o d e mp l o y s a e u t e c t i c me t a l a s a s o l d e r t o s e c u r e as p r i n g u n d e r t e n s i o n . Wh e n t h e e l e me n t f u s e s , t h e s p r i n g a c t i o n i s u s e d t oc l o s e c o n t a c t s a n d s o u n d a n a l a r m. De v i c e s u s i ng e u t e c t i c me t a l s c a n n o t b er e s t o r e d . E i t h e r t h e d e v i c e o r i t s o p e r a t i ng e l eme n t mu s t b e r e p l a c e d f o l l o w-i n g o p e r a t i o n .F r a n g i b l e g l a s s b u l bs s i mi l a r t o t h o s e u s e d f o r s p r i nk l e r h e a d s h a v e b e e nu ~e d t o a c t u a t e a l a r m c i r c u i t s . T h e b u l b , wh i c h c o n t a i ns a h i gh v a p o r p r e s s u r el i q u i d a n d a s ma l l a i r b u b b l e , i s u s e d a s a s t r u t t o ma i n t a i n a n o r ma l l y o p e n5 wHc h i ng c i r c u i t . Wh e n e x p o s e d t o h e a t , t h e l i q u i d e x p a n d s , c o mp r e s s i n g t h e

a i r b u b b l e . Wh e n t h e b u b b l e i s c o mp l e t e l y a b s o r b e d , t h e r e i s a r a p i d i n c r e a s ei n p r e s s u r e , s h a t t e r i n g t h e b u l b a n d a l l o wi n g t h e c o n t a c t s t o c l o s e . I h ed e s i r e d t e mp e r a t u r e r a t i ng i s o b t a i ne d b y c o n t r o l l i ng t h e s l z e o f t h e a i rb u b b l e r e l a t i v e t o t h e a mo u n t o f l i q u i d i n t h e b u l b .A s a n a l t e r n a t i v e t o s p o t - t y p e f i x e d - t e mp e r a t u r e d e t e c t i o n , v a r i o u s me t ho d s o f c o n t i nu o u s l i ne d e t e c t i on h a v e b e e n d e v e l op e d . On e t y p e o f l i n e d e t e ct o r u s e s a p a i r o f s t e e l wi r e s i n a n o r ma l l y o p e n c i r c u i t . l h e c o n d u c t o r s a r ei n s u l a t e d f r o m e a c h o t h e r b y a t h e r mo p l a s t i c o f k n o wn f u s I ng t e mp e r a t u r e . l hewi r e s a r e u n d e r t e n s i o n a n d h e l d t o g e t h e r b y a b r a i de d s h e a t h t o f o r m a s i ng l ec a b l e a s s e mb l y ( f i g . 1 ) . Wh e n t h e d e s I q n t e mp e r a t u r e i s r e a c h e d , t h e i ns u l at i o n me l t s , c o n t a c t i s ma d e , a n d a n a l a r m i s g e n e r a t e d . F o l l o wi n g a n a l a r m,

t h e f u s e d s e c t i on o f t h e c a b l e mu s t b e r e p l ac e d t o r e s t o r e t h e s y s t e m.A s i mi l a r a l a r m d e v i c e u t i l i z i n g a s e mi c o n d u c t o r ma t e r i a l a n d a s t a i n l e s ss t e e l c a p i l l a r y t u b e h a s b e e n d e v e l o p e d f o r u s e wh e r e me c h a n i c a l s t a b i l i t y i sa f a c t o r ( f i g . 2 ) . T h e c a p i l l a r y t u b e c o n t a i ns a c o a x i a l c e n t e r c o n d u c t o rs e p a r a t e d f r o m t h e t u b e wa l l b y a t e mp e r a t u r e - s e n s i t i v e g l a s s s e mi c o n d u c t o rma t e r i a l . U n d e r n o r ma l c o n d i t i o n s , a s ma l l c u r r e n t ( i . e . , b e l ow a l a r m t h r e s h -o l d ) f l o ws i n - t h e c i r c u i t . A s t h e t e mp e r a t u r e r i s e s , t h e r e s i s t a n c e o f t h es e mi c o n d u c t o r d e c r e a s e s a l l o wi n g mo r e c u r r e n t f l ow a n d t r i g g e r i n g t h e a l a r m.

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B i me t a l s a r e u s e d f o r t he o p e r a t i n g e l e me n t s o f s e v e r a l t y p e s o f f i x e d -t emp e r a t u r e d e t e c t o r s . Wh e n a s a n d wi c h o f t wo me t a l s h a v i n g d i f f e r e n t c o e f f i -c i e n t s o f t h e r ma l e x p a n s i o n i s h e a t e d , d i f f e r e n t i a l e x p a n s i o n c a u s e s b e n d i n go r f l e x i n g t o wa r d s t h e me t a l h a v i n g t h e l o we r e x p a n s i o n r a t e . T h i s - a c t i o nc l o s e s a n o r ma l l y o p e n c i r c u i t . T h e l o w e x p a n s i o n me t a l c o mmo n l y u s e d i sI n v a r , a n a l l o y o f 3 6 p e r c e n t n i c k e l a n d 6 4 p e r c e n t i r o n . S e v e r a l a l l o y s o fma n g a n e s e - c o p p e r - n i c k e l , n i c k e l - c h r omi u m- i r o n o r s t a i n l e s s s t e e l ma y b e u s e df o r t h e h i g h e x p a n s i o n c o mp o n e n t o f a b i me t a l a s s e mb l y .

B i me t a l d e t e c t o r s a r e g e n e r a l l y o f t wo t y p e s , t h e b i me t a l s t r i p a n d t h eb i me t a l s n a p d i s c . S o me d e v i c e s u s e b i me t a l s t r i p s p l a c e d d i r e c t l y i n t h ea l a r m c i r c u i t . A s t h e s t r i p i s h e a t e d i t d e f o r ms i n t h e d i r e c t i o n o f i t s c o n -t a c t p o i n t . T h e wi d t h o f t h e g a p b e t we e n t h e c o n t a c t s d e t e r mi n e s t h e o p e r a t i n gt emp e r a t u r e . T h e wi d e r t h e g a p , t h e h i g h e r t h e o p e r a t i n g p o i n t . Dr a wb a c k s t ot h i s t y p e o f d e v i c e a r e i t s l a c k o f r a p i d p o s i t i v e a c t i o n a n d i t s s u s c e p t i b i l -i t y t o f a l s e a l a r ms f r o m v i b r a t i o n o r j a r r i n g , p a r t i c u l a r l y a s t h e r a t e d t e m-p e r a t u r e i s a p p r o a c h e d , f o r e x a mp l e , d u r i n g p e r i o d s o f t r a n s i e n t h i g h a mb i e n tt emp e r a t u r e s t h a t a r e b e l o w t h e a l a r m p o i n t .T h e o p e r a t i n g e l e me n t o f a s n a p - d i s c d e v i c e i s a b i me t a l d i s c f o r me d i n t oa c o n c a v e s h a p e i n i t s u n s t r e s s e d c o n d i t i o n ( f i g . 3 ) . A s t h e d i s c i s h e a t e d ,t h e s t r e s s e s d e v e l o p e d c a u s e i t t o r e v e r s e c u r v a t u r e s u d d e n l y a n d b e c o me c o n -v e x . T h i s p r o v i d e s a r a p i d p o s i t i v e a c t i o n , wh i c h a l l o ws t h e a l a r m c o n t a c t st o c l o s e . T h e d i s c i t s e l f i s n o t u s u a l l y p a r t o f t h e e l e c t r i c a l c i r c u i t .S n a p - d i s c d e v i c e s a r e n o t a s s e n s i t i v e t o f a l s e o r i n t e r mi t t e n t a l a r ms a s t h eb i me t a l s t r i p s d e s c r i b e d a b o v e .A d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n o f t h e t h e r ma l e x p a n s i o n p r o p e r t i e s o f me t a l s i sf o u n d i n t h e r a t e c o mp e n s a t i o n d e t e c t o r s , wh i c h u s e me t a l s o f d i f f e r e n t t h e r ma le x p a n s i o n r a t e s t o c o mp e n s a t e f o r s l o w c h a n g e s i n t e mp e r a t u r e wh i l e r e s p o n d i n gwi t h a n a l a r m f o r r a p i d r a t e s o f t e mp e r a t u r e r i s e a n d a t a f i x e d ma x i mu m t e m-p e r a t u r e a s we l l . F o r a f u r t h e r d i s c u s s i o n o f t h i s d e v i c e , s e e t h e s e c t i o n o n

C o mb i n a t i o n De t e c t o r s .A l l t h e r ma l d e t e c t o r s u s i n g b i me t a l o r e x p a n d i n g me t a l e l e me n t s h a v e t h ed e s i r a b l e f e a t u r e o f a u t oma t i c r e s t o r a t i o n a f t e r o p e r a t i o n wh e n t h e a mb i e n tt e mp e r a t u r e d r o p s b e l o w t h e o p e r a t i n g p o i n t .

R a t e - o f - R i s e De t e c t o r sOn e e f f e c t t ha t a f i r e h a s o n t h e s u r r o u n d i n g e n v i r o n me n t i s t o g e n e r a t ea r a p i d i n c r e a s e i n a i r t e mp e r a t u r e i n t h e a r e a a b o v e t h e f i r e . Wh i l e f i x e d -t emp e r a t u r e h e a t d e t e c t o r s mu s t wa i t u n t i l t h e g a s t emp e r a t u r e n e a r t h e c e i l i n gr e a c h e s o r e x c e e d s t h e d e s i g n a t e d o p e r a t i n g p o i n t b e f o r e s o u n d i n g a n a l a r m,t h e r a t e - o f - r i s e d e t e c t o r wl 1 1 f u n c t i o n wh e n t he r a t e o f t emp e r a t u r e c h a n g ee x c e e d s a p r ed e t e r mi n e d v a l u e , t y p i c a l l y a r o u n d 8 . 3 C ( 15 OF ) p e r mi n u t e .De t e c t o r s o f t h e r a t e - o f - r i s e t y p e a r e d e s i g n e d t o c o mp e n s a t e e i t h e r me c h a n -i c a l l y o r e l e c t r i c a l l y f o r n o r ma l c h a n g e s i n a mb i e n t t emp e r a t u r e t ha t a r ee x p e c t e d u n d e r n o n f i r e c o n d i t i o n s .T h e i n c r e a s e d p r e s s u r e o f g a s wh e n h e a t ed i n a c l o s e d s y s t e m c a n b e u s e dt o g e n e r a t e a me c h a n i c a l f o r c e t ha t wi l l o p e r a t e a l a r m c o n t a c t s i n a p n e u ma t i cf i r e d e t e c t i o n d e v i c e . I n a c o mp l e t e l y c l o s e d s y s t e m, a c t u a t i o n wi l l o c c u rs t r i c t l y f r o m a s l o w c h a n g e i n a mb i e n t t e mp e r a t u r e , r e g a r d l e s s o f t h e r a t e o f

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t e mp e r a t u r e c h a n g e . T h e p n e u ma t i c d e t e c t o r s i n u s e t o d a y p r o v i d e a s ma l lo p e n i n g t o v e n t t h e p r e s s u r e t h a t b u i l d s u p d u r i n g s l o w c h a n g e s i n t e mp e r a t u r e .T h e v e n t s a r e s i z e d s o t h a t wh e n t h e t e mp e r a t u r e c h a n g e s r a p i d l y , s u c h a s i n af i r e s i t u a t i o n , t h e p r e s s u r e c h a n g e e x c e e d s t h e v e n t i n g r a t e a n d t h e s y s t e m i sp r e s s u r i z e d . T h e s e s y s t e ms a r e g e n e r a l l y s e n s i t i v e t o r a t e s o f t e mp e r a t u r er 1 s e e x c e e d i n g 8 . 3 C ( 1 5 OF ) p e r mi n u t e . T h e p r e s s u r e 1 5 c o n v e r t e d t o me c h a n -i c a l a c t i o n b y a f l e x i b l e d i a p h r a g m. A g e n e r a l i z e d s c h e ma t i c o f a p n e u ma t i ch e a t d e t e c t i o n s y s t e m i s s h o wn i n f i gu r e 4 .P n e u ma t i c h e a t d e t e c t o r s a r e a v a ' l a b l e f o r b o t h l i n e a n d s p o t a p p l i c a -t i o n s . T h e l i n e s y s t e ms c o n s i s t o f me t a l t u b i ng i n a l o o p c o n f i gu r a t i o na t t a c h e d t o t h e c e i l i n g o f t h e a r e a t o b e p r o t e c t e d . E x c e p t wh e r e s p e c i f 1 c a l l ya p p r o v e d , U n d e r wr i t e r s ' L a b o r a t o r i e s r e q u i r e s t h a t l i n e s o f t u b i n g b e s p a c e dn o t mo r e t h a n 9 . 1 m ( 3 0 f t ) a p a r t a n d t h a t n o s i n g l e c i r c u i t e x c e e d 3 0 S m( 1 0 0 0 f t ) i n l e n g t h . Z o n i n g c a n b e a c h i e v e d b y s e l e c t e d s i t i n g o f l i n e s o r b yi n s u l a t i ng t h o s e p o r t i o n s o f a c i r c u i t t h a t p a s s t h r o u g h a r e a s f r o m wh i c h as i g n a l i s n o t d e s i r e d .F o r s p o t a p p l i c a t i o n s a n d i n s ma l l a r e a s wh e r e l i n e s y s t e ms mi gh t n o t b ea b l e t o g e n e r a t e s u f f i c i e n t p r e s s u r e s t o a c t u a t e t h e a l a r m c o n t a c t s , h e a t c o l -l e c t i n g a i r c h a mb e r s o r r o s e t t e s a r e o f t e n u s e d . T h e s e u n i t s a c t l 1 k e a s p o t -t y p e d e t e c t o r b y p r o v i d i ng a l a r g e v o l u me o f a i r t o b e e x p a n d e d a t a s i n g l el o c a t i o n .T h e p n e u ma t i c p r i n c i p l e i s a l s o u s e d t o c l o s e c o n t a c t s wi t h i n s p o t d e t e c -t o r s o f t h e c o mb i n e d r a t e - o f - r i s e / f i x e d - t e mp e r a t u r e t y p e . l h e s e d e v 1 c e s a r ed i s c u s s e d i n t h e f o l l o wi n g s e c t i o n .

C o mb i n a t i o n De t e c t o r sS e v e r a l d e v i c e s a r e a v a i l a b l e t h a t u s e mo r e t h a n o n e o p e r a t i n g me c h a n i s m

a n d wi l l r e s p o n d t o mu l t i p l e f i r e s i gn a l s wi t h a s i ng l e u n i t . l h e c o mb i n a t i o nd e t e c t o r s ma y b e d e s i g n e d t o a l a r m e 1 t h e r f r o m a n y o n e o f s e v e r a l f i r e s i g n a l so r o n l y wh e n a l l t h e s i g n a l s a r e p r e s e n t a t p r e d e t e r mi n e d l e v e l s .S e v e r a l h e a t d e t e c t i o n d e v i c e s a r e a v a i l a b l e t h a t o p e r a t e o n b o t h t h er a t e - o f - r i s e a n d f i x e d - t e mp e r a t u r e p r i n c i p l e s . T h e a d v a n t a g e o f u n i t s s u c h a st h e s e i s t h a t t h e r a t e - o f - r i s e e l eme n t s wi l l r e s p o n d q u i c k l y t o r a p i d l y d e v e l -o p i n g f i r e s , wh i l e t h e f i x e d - t e mp e r a t u r e e l e me n t s wi l l r e s p o n d t o s l o wl yd e v e l o p i n g s mo l d e r i n g f i r e s wh e n t h e d e s i g n a l a r m t e mp e r a t u r e i s r e a c h e d . T h emo ~t c o mmo n t y p e u s e s a v e n t e d h e mi s p h e r i c a l a i r c h a mb e r a n d a f l e x i b l e d i a -p h r a g m f o r t h e r a t e - o f - r i s e f un c t i o n . T h e f i x e d - t e mp e r a t u r e e l e me n t ma y b ee i t h e r a b i me t a l s t r i p ( f i g . S ) o r a l e a f s p r i n g r e s t r a i n e d b y a e u t e c t i c me t a l( f i g . 6 ) . Wh e n t h e d e s i g n e d o p e r a t i n g t e mp e r a t u r e i s r e a c h e d , e i t h e r t h e

b i me t a l s t r i p f l e x e s t o t h e c o n t a c t p o i n t o r t h e e u t e c t i c me t a l f u s e s , r e l e a s -i n g t h e s p r i n g wh i c h c l o s e s t h e c o n t a c t s .A s e c o n d d e v i c e t h a t c a n b e c l a s s i f i e d a s c o mb i n a t i o n r a t e - o f - r i s e / f i x e d -t e mp e r a t u r e i s t h e r a t e - c o mp e n s a t i o n d e t e c t o r . T h i s d e t e c t o r u s e s a me t a lc y l i n d e r c o n t a i n i n g t wo me t a l s t r u t s . T h e s e s t r u t s a c t a s t h e a l a r m c o n t a c t sa n d a r e u n d e r c o mp r e s s i o n i n a n o r ma l l y o p e n p o s i t i o n ( f i g . 7 ) . l h e o u t e rs h e l l ; s ma d e o f a ma t e r i a l wi t h a h i gh c o e f f i c i e n t o f t h e r ma l e x p a n s i o n ,u s u a l l y a l u mi n u m, wh i l e t h e s t r u t s , u s u a l l y c o p p e r , h a v e a l o we r e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t . Wh e n e x p o s e d t o a r a p i d c h a n g e i n t e mp e r a t u r e , t h e s h e l l e x p a n d s

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r a p i d l y , r e l i e v i ng t h e f o r c e o n t h e s t r u t s a n d a l l owi ng t h e m t o c l o s e . U n d e rs l o wl y i n c r e a s i n g t e mp e r a t u r e c o n d i t i o n s b o t h t h e s h e l l a n d s t r u t s e x p a n d .l h e c o n t a c t s r e ma i n o p e n u n t i l t h e c y l i n d e r , wh i c h e x p a n d s a t a g ~~a t e r r a t e ,h a s e l on g a t e d s u f f i c i e n t l y t o a l l o w t h e m t o c l o s e . T h i s c l o s u r e o c c u r s a t t h ef i x e d - t e mp e r a t ur e r a t i n g o f t he d e v i c e .T h e r mo e l e c t r i c De t e c t o r s

V a r i o u s t he r mo e l e c t r i c p r o p e r t i e s o f me t a l s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e di n d e v i c e s f o r h e a t d e t e c t i o n . Op e r a t i o n i s b a s e d e i t h e r o n t h e g e n e r a t i on o fa v o l t a g e b e t we e n b i me t a l l i c j u n c t i o n s ( t h e r mo c o u p l e s ) a t d i f f e r e n t t emp e r a -t u r e s o r v a r i a t i o n s i n r a t e s o f r e s i s t i v i t y c h a n g e wi t h t e mp e r a t u r e .T h e s e s p o t - t y p e d e v i c e s , wh i c h o p e r a t e i n t h e v o l t a g e - ge n e r a t i n g mo d e ,u s e t wo s e t s o f t h e r mo c o u p l e s . On e s e t i s e x p o s e d t o c h a n g e s i n t h e a t mo s -p h e r i c t e mp e r a t u r e a n d t h e o t h e r i s n o t . Du r i n g p e r i o d s o f r a p i d t e mp e r a t u r ec h a n g e a s s o c i a t e d wi t h a f i r e , t h e t e mp e r a t u r e o f t h e e x p o s e d s e t i n c r e a s e sf a s t e r t h a n t h e u n e x p o s e d s e t a n d a n e t p o t e n t i a l i s g e n e r a t e d . T h e v o l t a g ei n c r e a s e a s s o c i a t e d wi t h t h i s p o t e n t i a l i s u s e d t o o p e r a t e t h e a l a r m c i r c u i t .

S MOK E DE T EC l i ONT y p e s

S mo k e d e t e c t o r s a r e mo r e c o s t l y t h a n h e a t d e t e c t o r s b u t p r o v i d e c o n s i d e r -a b l y f a s t e r d e t e c t i o n t i me s a n d s u b s e q u e n t l y h i g h e r f a l s e a l a r m r a t e s d u e t ot h e i r i n c r e a s e d s e n s i t i v i t y . Wh i l e s mo k e d e t e c t o r s a r e v e r y e f f e c t i v e f o rl i f e s a f e t y a p p l i c a t i o n s , t h e y a r e a l s o mo r e d i f f i c u l t t o l o c a t e p r o p e r l y ,s i n c e a i r c u r r e n t s , wh i c h mi gh t a f f e c t t h e d i r e c t i o n o f s mo k e f l ow, mu s t b et a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n .S mo k e d e t e c t o r s a r e c l a s s i f i e d a c c o r d i n g t o t h e i r o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n da r e o f t wo ma i n t y p e s : i o n i z a t i o n a n d p h o t o e l e c t r i c . S mo k e d e t e c t o r s o p e r a t -i n g o n t h e p h o t o e l e c t r i c p r i n c i p l e g i v e s o me wh a t f a s t e r r e s p o n s e t o t h ep r o d u c t s g e n e r a t e d b y f i r e s o f l o w e n e r g y ( s mo l d e r i n g ) a s t h e s e f i r e s g e n e r a l l yp r o d u c e l a r g e q u a n t i t i e s o f v i s i b l e ( l a r g e r p a r t i c l e ) s mo k e . S mo k e d e t e c t o r su s i n g t h e i o n i z a t i o n p r i n c i p l e p r o v i d e s o me wh a t f a s t e r r e s p o n s e t o f i r e s o fh i g h e n e r g y ( o p e n f l a mi n g ) a s t h e s e f i r e s p r o d u c e t h e s ma l l e r s mo k e p a r t i c l e st h a t a r e mo r e e a s i l y d e t e c t e d b y t h i s t y p e o f d e t e c t o r .S mo k e d e t e c t o r s s h o u l d b e u s e d t o p r o t e c t a r e a s o f h i g h v a l u e a n d a r e a swh e r e l i f e s a f e t y a n d f a s t r e s p o n s e t i me s a r e d e s i r e d . S mo k e d e t e c t o r s c a no p e r a t e wi t h l n s e c o n d s o f f i r e i g n i t i o n .S mo k e d e t e c t o r s a r e a l s o i n s t a l l e d i n r e t u r n a i r d u c t s o f v e n t i l a t i n g( HV A C ) s y s t e ms i n l a r g e b u i l d i n g s t o p r e v e n t r e c i r c u l a t i o n o f s mo k e t h r o u g ht h e HV A C s y s t e m f r o m a f i r e wi t h i n t h e b u i l d i ng . U p o n d e t e c t i o n , t h e a s s o c i -a t e d c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d t o a u t o ma t i c a l l y s h u t d o wn t h e c i r c u l a t i n gb l o we r s o r t o c h a n g e t h e m o v e r t o a s mo k e e x h a u s t mo d e . S mo k e - a c t i v a t e dd e v i c e s a r e a l s o u s e d t o a u t o ma t i c a l l y c l o s e s mo k e d o o r s i n l a r g e b u i l d i ng s i no r d e r t o l i mi t t h e s p r e a d o f s mo k e i n c a s e o f f i r e . T h i s ma y b e d o n e wi t hs e p a r a t e c o r r i d o r - c e i l i n g mo u n t ed s mo k e d e t e c t o r s c o n n e c t e d t o

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e l e c t r i c a l l y - o p e r a t e d h o l d - o p e n d e v i c e s o n t h e d o o r s o r s mo k e d e t e c t o r s t h a ta r e b u i l t i n t o t h e d o o r c l o s u r e u n i t s t h e ms e l v e s .I o n i z a t i o n De t e c t o r s

I o n i z a t i o n c h a mb e r s h a v e b e e n u s e d f o r ma n y y e a r s a s l a b o r a t o r y i n s t r u -me n t s f o r d e t e c t i n g m\ c r o s c o p i c p a r t i c l e s . I n 1 9 3 9 t r n s t Me i l i , a S wi s s p h y s -i c i s t , d e v e l o p e d a n i o n i z a t i o n c h a mb e r d e v i c e f o r t h e d e t e c t i o n o f c o mb u s t i b l eg a s e s i n mi n e s ( r e f . 11) . T h e ma j o r b r e a k t h r o u g h i n t h e f i e l d r e s u l t e d f r o mMe i l i ' s i n v e n t i o n o f a s p e c i a l c o l d - c a t h o d e t u b e , wh i c h wo u l d a mp l i f y t h e s ma l ls i g n a l p r o d u c e d b y t h e h i g h i mp e d a n c e d e t e c t i o n c i r c u i t s u f f i c i e n t l y t o t r i g g e ra n a l a r m c i r c u i t . T h i s r e d u c e d t h e e l e c t r o n i c s r e q u i r e d a n d r e s u l t e d i n ap r a c t i c a l d e t e c t o r . I n mo s t mo d e l s t o d a y , t h e c o l d - c a t h o d e t u b e h a s b e e nr e p l a c e d wi t h s o l i d s t a t e c i r c u i t r y , wh i c h f u r t h e r r e d u c e s t h e s i z e and c o s t .T h e b a s i c d e t e c t i o n me c h a n i s m o f a n i o n i z a t 1 o n d e t e c t o r c o n s i s t s o f a na l p h a o r b e t a r a d i a t i o n s o u r c e i n a c h a mb e r c o n t a i n i n g p o s i t i v e a n d n e g a t i v ee l e c t r o d e s . A l p h a r a d i a t i o n s o u r c e s a r e c o mmo n l y a me r i c i u m- 24 1 o r r a d i u m- 2 2 6 ,

a n d t h e s t r e n g t h o f t h e s o u r c e s g e n e r a l l y r a n g e f r o m 2000 t o 3 000 000 d i s -i n t e g r a t i o n s p e r s e c o n d ( 0. 05 t o 80 ~C i ) . T h e a l p h a r a d i a t i o n i n t h e c h a mb e ri o n i z e s t h e o x y g e n a n d n i t r o g e n mo l e c u l e s i n t h e a i r b e t we e n t h e e l e c t r o d e sc a u s i n g a s ma l l c u r r e n t ( o f t h e o r d e r o f 10-11 A ) t o f l o w wh e n v o l t a g e i sa p p l i e d ( f i g . 8 ) .Wh e n a s mo k e a e r o s o l e n t e r s t h e c h a mb e r , i t r e d u c e s t he mo b i l i t y o f t h ei o n s , a n d t h e r e f o r e t h e c u r r e n t f l o w b e t we e n t h e e l e c t r o d e s (fig. 9 ) . T h er e s u l t i ng c h a n g e i n t h e c u r r e n t i n t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t i s u s e d t o t r i g g e ra n a l a r m a t a p r e d e t e r mi n e d l e v e l o f s mo k e i n t h e c h a mb e r . T h e i o n i z a t i o nc h a mb e r d e t e c t o r r e a c t s t o b o t h v i s i b l e a n d i n v i s i b l e c o mp o n e n t s o f t h e p r o d -u c t s o f c o mb u s t i o n . I t r e s p o n d s b e s t t o p a r t i c l e s i z e s b e t we e n 0. 01 a n d

1.0 ~mDe p e n d i n g o n t h e p l a c e me n t o f t h e a l p h a s o u r c e , t wo t y p e s o f c h a mb e r s ,u n i p o l a r o r b i p o l a r , ma y b e p r o d u c e d . A u n i p o l a r c h a mb e r i s c r e a t e d b y u s i n ga t i g h t l y c o l l i ma t e d a l p h a s o u r c e p l a c e d c l o s e t o t h e n e g a t i v e e l e c t r o d e , t h u si o n i z i n g o n l y a s ma l l p a r t o f t h e c h a mb e r s p a c e ( f i g . 10) . Wi t h t h i s c o n f i g -u r a t i o n , mo s t o f t h e p o s i t i v e i o n s a r e c o l l e c t e d o n t h e c a t h o d e , l e a v i n g ap r e d o mi n a n c e o f n e g a t i v e i o n s f l o wi n g t h r o u g h t h e c h a mb e r t o t h e a n o d e . T h eb i p o l a r c h a mb e r h a s t h e a l p h a s o u r c e c e n t r a l l y l o c a t e d s o t h a t t h e e n t i r ec h a mb e r s p a c e i s s u b j e c t t o i o n i z a t i o n ( f i g . 11) . T h e u n i p o l a r c h a mb e r i st h e o r e t i c a l l y a u n i p o l a r a n d b i p o l a r c h a mb e r i n s e r i e s ( f i g s . 10 a n d 12).T h a t i s , t h e r e i s a p u r e l y u n i p o l a r s e c t i o n a n d a s e c t i o n wh i c h c o n t a i ns i o n so f b o t h p o l a r i t i e s .A c o mp a r i s o n o f t h e r e l a t i v e me r i t s o f t h e t wo t y p e s o f c h a mb e r d e s i g ni n d i c a t e s t h a t t h e u n i p o l a r c h a mb e r h a s a p p r o x i ma t e l y t h r e e t i me s t h e s e n s i -t i v i t y o f t h e b i p o l a r c o n f i g u r a t i o n . T h e r e a s o n f o r t h e i n c r e a s e d s e n s i t i v i t yi s b e l i e v e d t o b e d u e t o t h e f a c t t h a t t h e r e i s l e s s l o s s o f i o n c a r r i e r s b yr e c o mb i n a t i o n , 1 . e . n e u t r a l i z a t i o n o f i o n s o f o p p o s i t e s i g n s , wh i c h o c c u r s i nt h e b i po l a r c h a mb e r . T h i s r e s u l t s i n a h i g h e r s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o a n d as t r o n g e r a l a r ~~1 g n a l t o t h e a mp l i f i e r c i r c u i t .T h e a l a r m s i g n a l i n a n i o n c h a mb e r d e t e c t o r i s g e n e r a t e d b y a v o l t a g es h i f t a t t h e j u n c t i o n b e t we e n a r e f e r e n c e c i r c u i t a n d t h e me a s u r i n g c h a mb e r .

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l h e v o l t a g e s h i f t r e s u l t s f r o m a c u r r e n t d e c r e a s e i n t h e me a s u r i n g c h a mL e rwh e n p r o d u c t s o f c o mb u s t i o n a r e p r e s e n t . T h e r e f e r e n c e c i r c u i t ma y b e e i t h e re l e c t r o n i c o r a s e c o n d i o n c h a mb e r o n l y p a r t i a l l y o p e n t o t h e a t m- o s - p h e r e( f i g . 1 3 ) . T h e s e c i r c u i t s a r e r e f e r r e d t o a s s i n g l e c h a mb e r a n d d u a l c h a mb e r ,r e s p e c t i v e l y . T h e d u a l c h a mb e r h a s a n a d v a n t a g e i n t h e r e d u c t i o n o f f a l s ea l a r ms d u e t o c h a n g e s i n a mb i en t c o n d i t i o n s . l he r e f e r e n c e c h a mb e r wi l l t e n dt o c o mp e n s a t e f o r s l o w c h a n g e s i n t e mp e r a t u r e , p r e s s u r e , a n d h u mi d i t y .

I t s h o u l d b e n o t e d t h a t s o me i on c h a mb e r d e t e c t o r d e s i gn s a r e s u b j e c t t oc h a n g e s i n s e n s i t i v i t y wi t h v a r y i n g v e l o c i t y o f a i r e n t e r i ng t h e s a mp l i n gc h a mb e r . De t e c t o r s wi t h u n i p o l a r c h a mb e r d e s i g n s mo v e s l i gh t l y a wa y f r o m a l a r ma s v e l o c i t y i n c r e a s e s a n d a r e t h e mo s t s t a b l e o v e r wi de v a r i a t i o n s i n a i r f l ow.De t e c t o r s wi t h b i p o l a r c h a mb e r d e s i g n s mo v e t o wa r d a l a r m a s v e l o c i t y i n c r e a s e s ,a n d s o me ma y s h i f t s u f f i c i e n t l y i n t h e mo r e s e n s i t i v e d i r e c t i o n t o t r i g g e r af a l s e a l a r m. C a r e mu s t b e t a k e n t o c h o o s e t h e a p p r o p r i a t e d e s i g n f o r t h e a r e at o b e s u p e r v i s ed .T e s t s h a v e i nd i c a t e d t h a t i o n c h a mb e r d e t e c t o r s a r e n o t s u i t a b l e f o r u s ei n a p p l i c a t i o n s wh e r e h i g h a mb i e n t r a d i o a c t i v i t y l e v e l s a r e t o b e e x p e c t e d .

T h e e f f e c t o f r a d i a t i o n i s t o r e d u c e t h e s e n s i t i v i t y . T e s t s a l s o i n d i c a t et h a t f a l s e a l a r ms c a n b e t r i gg e r e d b y t h e p r e s e n c e o f o z o n e o r a mmo n i a .I o n c h a mb e r d e t e c t o r s a r e a v a i l a b l e f o r b o t h i n d u s t r i a l a n d d o me s t i c u s e .Mo d e l s a r e p r o d u c e d f o r b o t h s i ng l e s t a t i o n a n d s y s t e m a p p l i c a t i o n s . P o we rs u p p l y r e q u i r e me n t s v a r y f r o m 240 a n d 120 V a c o r 6 t o 24 V d c f o r u s e wi t hf i r e a l a r m s y s t e ms t o b a t t e r y p o we r e d u n i t s u s i n g 9 t o 1 3 . 5 V d c f o r r e s i d e n -t i a l u s e .

P h o t o e l e c t r i c De t e c t o r sT h e p r e s e n c e o f s u s p e n d e d s mo k e p a r t i c l e s g e n e r a t e d d u r i n g t h e c o mb u s t i o np r o c e s s a f f e c t s t h e p r o p a g a t i on o f a l i g h t b e a m p a s s i n g t h r o u g h t h e a i r . T h i s

e f f e c t c a n b e u t i l i z e d t o d e t e c t t h e p r e s e n c e o f a f i r e i n t wo wa y s :( 1 ) a t t e n u a t i on o f t h e l i g h t i n t e n s i t y o v e r t h e b e a m p a t h l e n g t h , a n d( 2 ) s c a t t e r i n g o f t h e l i g h t b o t h i n t h e f o r wa r d d i r e c t i o n a n d a t v a r i o u s a n g l e st o t h e b e a m p a t h .T h e t h e o r y o f l i gh t a t t e n u a t i o n b y a e r o s o l s d i s p e r s e d i n a me d i um i sd e s c r i b e d b y t h e L a mb e r t - B e e r L a w. I t s t a t e s t h a t t h e a t t e n u a t i o n o f l i g h t i sa n e x p o n e n t i a l f u n c t i o n o f t h e b e a m p a t h l en g t h ( 1 ) , t h e c o n c e n t r a t i o n o fp a r t i c l e s ( c ) , a n d t h e e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e p a r t i c l e s ( k ) . T h i sr e l a t i o n s h i p ; s e x p r e s s e d a s f o l l o ws ( r e f . 1 2) :

I 0: I e - k c lowh e r e I i s t h e t r a n s mi t t e d i n t e n s i t y a t l e n g t h( c l e a r a i r ) i n t e n s i t y o f t h e l i g h t s o u r c e . a n d 1 0 i s t h e i n i t i a l

S mo k e d e t e c t o r s t h a t u t i l i z e a t t e n u a t i o n c o n s i s t o f a l i g h t s o u r c e , al i g h t b e a m c o l l i ma t i n g s y s t e m, a n d a p h o t o s e n s i t i v e c e l l ( f i g . 14) . I n mo s ta p p l i c a t i o n s , t h e l i g h t s o u r c e i s a n i nc a n d e s c e n t b u l b , b u t l a s e r s a n d l i g h te mi t t i n g d i o d e s ( L E D' s ) a r e a l s o u s e d i n n e we r p h o t o e l e c t r i c a e r o s o l d e t e c t o r s .L i g h t e mi t t i n g d i o d e s a r e a r e l i a b l e l o n g l i f e s o u r c e o f i l l u mi n a t i o n wi t h l o wc u r r e n t r e q u i r e me n t s . P u l s e d L E D' s c a n g e n e r a t e s u f f i c i e n t l i g h t i n t e n s i t yf o r u s e i n d e t e c t i o n e q u i p me n t .17


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T h e p h o t o s e n s 1 t 1 v e d e v 1 c e ma y b e e i t h e r a p h o t o v o l t a i c o r p h o t o r e s i s t i v ec e l l . T h e p h o t o v o l t a i c c e l l s a r e u s u a l l y s e l e n i u m o r s i l i c o n c e l l s , wh i c hp r o d u c e a v o l t a g e wh e n e x p o s e d t o l i g h t . T h e s e h a v e t h e a d v a n t a g e t h a t n ob i a s v o l t a g e 1 s n e e d e d , b u t , i n mo s t c a s e s , t h e o u t pu t s i g n a l i s l o w a n d a na mp l i f i c a t i o n c i r c u i t i s r e q u i r e d . T h e s e u n i t s a l a r m wh e n t h e p h o t o c e l l o u t pu ti s r e d u c e d b y a t t e n u a t i o n o f t h e l i g h t a s it a s s e s t h r o u g h t he s mo k e i n t h ea t mo s ph e r e b e t we e n t h e l i g h t s o u r c e a n d t he p h o t o c e l l . P h o t o r e s i s t i v e c e l l sc h a n g e r e s i s t a n c e a s t h e i n t e n s i t y o f t h e i n c i d e n t l i g h t v a r i e s . C a d mi u m s u l -f i d e c e l l s a r e mo s t c o mmo n l y e mp l o y e d . T h e s e c e l l s a r e o f t e n u s e d a s o n e l e go f a Wh e a t s t o n e b r i d g e , a n d a n a l a r m i s t r i g g e r e d wh e n t h e v o l t a g e s h i f t i n t h eb r i d g e c i r c u i t r e a c h e s a p r e d e t e r mi n e d l e v e l r e l a t e d t o t h e l i g h t a t t e n u a t i o nd e s i r e d f o r a l a r m.

I n p r a c t i c e , mo s t l i g h t a t t e n t u a t i o n o r p r o j e c t e d b e a m s mo k e d e t e c t i o ns y s t e ms a r e u s e d t o p r o t e c t l a r g e o p e n a r e a s a n d a r e i n s t a l l e d wi t h t h e l i g h ts o u r c e a t o n e e n d o f t h e a r e a t o b e p r o t e c t e d a n d t he r e c e i v e r ( p h o t o c e l l / r e l a ya s s e mb l y ) a t t h e o t h e r e n d . I n s o me a p p l i c a t i o n s , t he e f f e c t i v e b e a m p a t hl e n g t h i s i n c r e a s e d b y t h e u s e o f mi r r o r s . P r o j e c t ed b e a m d e t e c t o r s a r e g e n -e r a l l y i n s t a l l e d c l o s e t o t h e c e i l i n g , wh e r e t h e e a r l i e s t d e t e c t i o n i s p o s s i b l ea n d f a l s e a l a r ms r e s u l t i n g f r o m i n a d v e r t e n t b r e a k i n g o f t h e b e a m a r e mi n i mi z e d .A l t h o u g h mo s t s y s t ems e mp l o y a l o n g p a t h l e n g t h a n d s e p a r a t i o n o f t h el i g h t s o u r c e a n d t he r e c e i v e r , t h e r e a r e s p o t - t y p e d e t e c t o r s wh i c h o p e r a t e b yl i g h t a t t e n u a t i o n . On e s u c h u n i t u s e s a D . l 9 - m ( 7 . 8 - i n . ) l i g h t p a t h wi t h as e a l e d r e f e r e n c e c h a mb e r a n d a n o p e n s a mp l i n g c h a mb e r , e a c h c o n t a i n i n g a p h o t o -c e l l . P r e s e n c e o f s mo k e i n t h e s a mp l i n g c h a mb e r r e s u l t s i n a v o l t a g e r e d u c t i o nf r o m i t s s e l e n i u m p h o t o c e l l , wh i c h i s me a s u r e d b y a b r i d g e c i r c u i t c o n t a i n i n gt h e p h o t o c e l l f r o m t h e r e f e r e n c e c h a mb e r ( f i g . 15).T h e r e a r e s e v e r a l p r o b l e ms a s s o c i a t e d wi t h p r o j e c t e d b e a m d e t e c t i o n .

S i n c e t h e s e d e v i c e s a r e e s s e n t i a l l y l i n e d e t e c t o r s , s mo k e mu s t t r a v e l f r o m t h ep o i n t o f g e n e r a t i o n i n t o t h e p a t h o f t h e l i g h t b e a m. T h i s ma y t a k e t i me a n da l l o w t he f i r e t o d e v e l o p h e a d wa y b e f o r e t h e a l a r m i s s o u n d e d . I n a d d i t i o n ,f o r l a r g e p r o t e c t e d a r e a s wh e r e l o n g b e a m p a t h l e n g t h s a r e n e c e s s a r y , c o n s i d -e r a b l e s mo k e mu s t b e g e n e r a t e d i n a n y s ma l l s e g me n t o f t h e b e a m i n o r d e r f o rs u f f i c i e n t a t t e n u a t i o n t o b e a c h i e v e d . T wo c o mmo n wa y s o f i n c r e a s i n g t h e s e n -s i t i v i t y o f t h e s y s t e m a r e b y t h e u s e o f mu l t i p l e b e a ms o r r e f l e c t i n g mi r r o r st h a t wo u l d p a s s t h e b e a m t h r o u g h t h e s mo k e mo r e t h a n o n c e . F i n a l l y . c o n t i n u o u se x p o s u r e t o l i g h t c a n d a ma g e o r a c c e l e r a t e t h e a g i n g o f p h o t o c e l l s . r e s u l t i n gi n i n c r e a s e d ma i n t e n a n c e a n d p o s s i b l e s y s t e m f a i l u r e .S c a t t e r i n g r e s u l t s wh e n l i g h t s t r i k e s a e r o s o l p a r t i c l e s i n s u s p e n s i o n .S c a t t e r e d l i g h t r e a c h e s i t s ma x i mu m i n t e n s i t y a t a n a n g l e o f a b o u t 2 7 f r o m

t h e p a t h o f t h e b e a m i n b o t h t h e f o r wa r d a n d b a c k wa r d d i r e c t i o n s a n d t h es c a t t e r e d l i g h t i n t e n s i t y i s a t a mi n i mu m i n a d i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o t h eb e a m p a t h . T h e i n t e n s i t y o f s c a t t e r e d l i g h t 1 s a l s o r e l a t e d t o p a r t i c l e s i z ea n d t h e wa v e l e n g t h o f t h e i n c i d e n t l i g h t . T h i s i n t e n s i t y , a s d e s c r i b e d b yR a y l e i g h ' s t h e o r y f o r p a r t i c l e s wi t h d i a me t e r s l e s s t h a n 0 . 1 t i me s t h e wa v e -l e n g t h o f t h e i n c i d e n t l i g h t . 1 s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s q u a r e o f t h ep a r t i c l e v o l u me a n d i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e f o u r t h p o we r o f t h e wa v e -l e n g t h . T h e t h e o r y o f s c a t t e r i n g f o r l a r g e r p a r t i c l e s , f r o m 0 . 1 t o 4 t i me st h e wa v e l e n g t h o f t he i n c i d e n t l i g h t , h a s b e e n d e f i n e d b y Mi e . T h e s e t h e o r i e so f l i g h t s c a t t e r i n g a r e v a l i d o n l y f o r 1 s o t r o p i c s p h e r i c a l p a r t i c l e s a n d a r ev e r y c o mp l e x . Ho we v e r , s mo k e p a r t i c l e s f r o m a f i r e c o n s i s t o f a n o n h o mo g e n e o u s

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mi x t u r e o f p a r t i c l e s , wh i c h a r e o f t e n n e i t h e r s p h e r i c a l n o r i s o t r o p i c , a n ds c a t t e r i n g i n t e n s i t i e s mu s t b e d e t e r mi n e d e mp i r i c a l l y f o r e a c h a e r o s o l mi x t u r e .S mo k e d e t e c t o r s u t i l i z i n g t h e s c a t t e r i n g p r i n c i p l e o p e r a t e o n t h e f o r wa r ds c a t t e r i n g o f l i g h t wh i c h o c c u r s wh e n s mo k e p a r t i c l e s e n t e r a c h a mb e r o r l a b y -r i n t h . T h e p r e s e n c e o f s mo k e wi l l i n c r e a s e t h e f o r wa r d s c a t t e r i n g o f l i g h tf r o m 1 0 t o 1 2 t i me s , b u t t h e i n t e n s i t y o f t h e s c a t t e r e d l i gh t wi l l d e c r e a s e a s

t h e a n g l e b e t we e n t h e b e a m p a t h a n d t h e p h o t o c e l l i n c r e a s e s b e y o n d 27 . T h ep h o t o c e l l s u s e d i n t h e s e d e t e c t o r s ma y b e e i t h e r p h o t o v o l t a i c , o r p h o t o r e s i s -t i v e . T y p i c a l c o mp o n e n t c o n f i g u r a t i o n s a r e s h o wn i n f i g u r e 16. T h e s e u n i t sa r e o f t h e s p o t t y p e a n d ma y b e u s e d a s s i ng l e s t a t i o n d e v i c e s wi t h s e l f -c o n t a i n e d p o we r s u p p l y a n d a l a r m o r a s p a r t o f a n i n t e g r a t e d s y s t e m wi t h r e mo t ep o we r s u p p l y , a l a r m, a n d z o n e - i n d i c a t i n g h a r dwa r e .

F L A M E D E T E C T IO NT y p e s

F l a me d e t e c t o r s o p t i c a l l y s e n s e e i t he r t he u l t r a v i o l e t (UV) o r i n f r a r e d( IR) r a d i a t i o n g i v e n o f f by f l a me s o r g l o wi n g e mb e r s . F l a me d e t e c t o r s h a v et h e h i gh e s t f a l s e a l a r m r a t e a n d t h e f a s t e s t d e t e c t i o n t i me s o f a n y t y p e o ff i r e d e t e c t o r . De t e c t i o n t i me s f o r f l a me d e t e c t o r s a r e g e n e r a l l y me a s u r e d i nmi l l i s e c o n d s f r o m f i r e i g n i t i o n .F l a me d e t e c t o r s a r e g e n e r a l l y o n l y u s e d i n h i g h h a z a r d a r e a s s u c h a s f u e ll o a d i n g p l a t f o r ms , i n d u s t r i a l p r o c e s s a r e a s , h y p e r b a r i c c h a mb e r s , h i g h c e i l i n ga r e a s , a n d a n y o t h e r a r e a s wi t h a t mo s p h e r e s i n wh i c h e x p l o s i o n s o r v e r y r a p i df i r e s ma y o c c u r . F l ame d e t e c t o r s a r e " l i n e o f s i gh t " d e v i c e s a s t h e y mu s t b ea b l e t o I I s e e " t h e f i r e , a n d t h e y a r e s u b j e c t t o b e i n g b l o c k e d b y o b j e c t s p l a c e di n f r o n t o f t h e m. Ho we v e r , t h e i n f r a r e d t y p e o f f l ame d e t e c t o r h a s s o me c a p a -b i l i t y f o r d e t e c t i ng r a d i a t i o n r e f l e c t e d f r o m wa l l s . I n g e n e r a l , t h e u s e o f

f l a me d e t e c t o r s i s r e s t r i c t e d t o " No S mo k i n g " a r e a s o r a n y wh e r e wh e r e h i g h l yf l amma b l e ma t e r 1 a l s a r e s t o r e d o r u s e d .I n f r a r e d De t e c t o r s

I n f r a r e d d e t e c t o r s b a s i c a l l y c o n s i s t o f a f i l t e r a n d l e n s s y s t e m t o s c r e e no u t u n wa n t e d wa v e l e n g t h s a n d f o c u s t h e i n c o mi n g e n e r g y o n a p h o t o v o l t a i c o rp h o t o r e s i s t i v e c e l l s e n s i t i v e t o t h e i n f r a r e d . I n f r a r e d r a d i a t i o n c a n b ed e t e c t e d b y a n y o n e o f s e v e r a l p h o t o c e l l s s u c h a s s i l i c o n , l e a d s u l f i d e ,i n d i um a r s e n i d e , a n d l e a d s e l e n i d e . T h e mo s t c o mmo n l y u s e d a r e s i l i c o n a n dl e a d s u l f i d e . T h e s e d e t e c t o r s c a n r e s p o n d t o e i t h e r t h e t o t a l I R c o mp o n e n t o ft h e f l ame a l o n e o r i n c o mb i n a t i o n wi t h f l ame f l i c k e r i n t h e f r e q u e n c y r a n g e o f5 t o 3 0 Hz .I n t e r f e r e n c e f r o m s o l a r r a d i a t i o n i n t h e i n f r a r e d r e g i o n c a n b e a ma j o rp r o b l em i n t h e u s e o f i n f r a r e d d e t e c t o r s r e c e i v i n g t o t a l I R r a d i a t i o n s i n c et h e s o l a r b a c k g r o u n d 1 n t e n s 1 t y c a n b e c o n s i d e r a b l y l a r g e r t h a n t h a t o f a f l a mes i gn a l f r o m a s ma l l f i r e . T h i s p r o b l em c a n b e p a r t i a l l y r e s o l v e d b y c h o o s i n gf i l t e r s wh i c h e x c l u d e a l l I R e x c e p t i n t h e 2 . 5 t o 2 . 8 ~m a n d / o r 4 . 2 t o 4 . 5 ~mr a n g e s . T h e s e r e p r e s e n t a b s o r p t i o n p e a k s f o r s o l a r r a d i a t i o n d u e t o t h e p r e s -e n c e o f C 0 2 a n d wa t e r i n t h e a t mo s p h e r e . I n c a s e s wh e r e t h e d e t e c t o r s a r et o b e u s e d i n l o c a t i o n s s h i e l d e d f r o m t h e s u n , s u c h a s i n v a u l t s , t h i s

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f i l t e r i ng i s n o t n e c e s s a r y . A n o t h e r a p p r o a c h t o t h e s o l a r 1 n t e r f e r e n c e p r o b -l e m i s t o e mp l o y t wo d e t e c t i o n c i r c u i t s . On e c i r c u i t i s s e n s i t i v e t o s o l a rr a d i a t i o n i n t h e 0 . 6 t o 1 . 0 ~m r a n g e a n d i s u s e d t o i n d i c a t e t h e p r e s e n c e o fs u n l i g h t . T h e s e c o n d c i r c u i t i s f i l t e r e d t o r e s p o n d t o wa v e l en g t h s b e t we e n2 a n d 5 urn, A s i g n a l f r o m t h e s o l a r s e n s o r c i r c u i t c a n b e u s e d t o b l o c k t h eo u t p u t f r o m t h e f i r e s e n s i ng c e l l , g i v i n g t h e d e t e c t 1 0 n u n 1 t t h e a b 1 1 1 t y t od i s c r 1 mi n a t e a g a i n s t f a l s e a l a r ms f r o m s o l a r s o u r c e s . T h i s i s o f t e n r e f e r r e dt o a s a " two c o l o r " s y s t e m. F o r mo s t a p p l i c a t i o n s , f l a me f l i c k e r s e n s o r c i r -c u i t s a r e p r e f e r r e d s i n c e t h e f l i c k e r o r mo d u l a t i o n c h a r a c t e r 1 s t \ c o f f l ami ngc o mb u s t i o n i s n o t a c o mp o n e n t of e i t n e r s o l a r o r ma n - ma d e i n t e r f e r e n c e s o u r c e s .l h i s r e s u l t s i n a n i mp r o v e d s l g n a l - t o - n o i s e r a t i o . T h e s e d e t e c t o r s u s ef r e q u e n c y - s e n s i t i v e a mp l i f i e r s wh o s e i n p u t s a r e t u n e d t o r e s p o n d t o a n a l t e r -n a t i ng c u r r e n t s i gn a l i n t h e f l ame f l i c k e r r a n g e (5 t o 3 0 Hz ) .F l ame d e t e c t o r s a r e d e s i gn e d f o r v o l ume s u p e r v i s i o n a n d ma y us e e i t h e r af i x e d o r s c a n n 1 n g mo d e . l he f i x e d u n i t s c o n t i nu o u s l y o b s e r v e a c o n i c a l v o l umel i mi t e d b y t h e v i e wi n g a n g l e o f t h e l e n s s y ~t e m a n d t h e a l a r m t h r e S h o l d . T h ev i ewi ng a n g l e s r a n g e f r o m 1 5 t o 1 7 0 " f o r t y p i c a l ' C o mme r c i a l u n i t s . On e s c a n -n i ng d e v i c e h a s a 1 2 0 - m (400 f t ) r a n g e a n d u s e s a mi r r o r r o t a t i n g a t 6 r p mt h r o u g h 360 h o r i z o n t a l l y wi t h a 1 0 0 v i e wi n g a n g l e . l h e mi r r o r s t o p s wh e n as i g n a l i s r e c e i v e d . T o s c r e e n o u t t r a n s i e n t s , t h e u n i t a l a r ms o n l y i f t h es i gn a l p e r s i s t s f o r 1 5 s e c .T h e r e a r e a l s o d e t e c t o r s o f t h i s t y p e d e s i gn e d t o r e s p o n d t o p a s s i ngs p a r k s o r f l a me f r o n t s i n p i p i n g s u c h a s i n t e x t i l e mi l l s . T h e d e t e c t o r l o o k sf o r g l o wi n g l i n t f i b e r s i n a i r d u c t i n g , wh i c h mi g h t c a u s e f i r e s i n t h e d o wn -s t r e a m f i l t e r s . T h e d e t e c t o r t u r n s o n a wa t e r s p r a y , wh i c h e x t i n g u i s h e s t h eg l o wi n g f i b e r b e f o r e i t r e a c h e s t h e f i l t e r . Of c o u r s e , t h e s e d e t e c t o r s wo u l dn o t c o n t a i n t h e f l i c k e r c i r c u i t .

U l t r a v i o l e t De t e c t o r sT h e u l t r a v i o l e t c o mp o n e n t o f f l ame r a d i a t i o n i s a l s o u s e d f o r f i r e d e t e ct i o n . T h e s e n S i n g e l e me n t ma y b e a s o l i d s t a t e d e v i c e s u c h a s i l i c o n c a r b l d eo r a l u mi n u m n , t r i d e , o r a g a s - f i l l e d t u b e i n wh i c h t h e g a s i s i o n i z e d b y UVr a d i a t i o n a n d b e c o me s c o n d u c t i v e , t h u s s o u n d 1 n g t h e a l a r m. T h e o p e r a t i n gwa v e l e n g t h r a n g e o f UV d e t e c t o r s i s i n t h e 0.11 t o 0 . 3 0 ~m r e g l o n a n d i n t h a tr e g i o n t h e y a r e e s s e n t i a l l y i ns e n s i t i v e t o b o t h s u n l i g h t a n d a r t i f l c i a l l i g h t .T h e UV d e t e c t o r s a r ~ a l s o v o l ume d e t e c t o r s a n d h a v e v i ewi n g a n g l e s f r o m 90 o rl e s s t o 1 8 0 .T h e c o mb i n a t i o n o f UV- I R s e n s i n g h a s b e e n a p p 1 ' ed t o a p p l i c a t i o n s i n a i r -c r a f t a n d h y p e r b a r 1 c c h a mb e r f i r e p r o t e c t i o n . T h e s e c o mp l e x d e v i c e s a l a r m

wh e n t h e r e i s a p r e d e t e r mi n e d d e v i a t i o n f r o m t h e p r e s c r i be d a mb i e n t UV I R d l s c r i mi na t i o n l e v e l i n c o n j un c t i o n wi t h a s i gn a l f r o m a c o n t i nu o u s wi r e o v e r h e a td e t e c t o r , t h e a n a l y s i s b e i n g p e r f o r me d b y a n o n b o a r d mi n i c o mp u t e r .

S UBMI C ROMl l l R P A R l l C L E COUNl l NG Ol [ E C 1 0 R SDu r i ng t h e ~a r l i e s t s t a g e s o f t h e r ma l d e c o mp o s , t i o n , i n t h e p y r o l y s i s o rp r e c o mb u s t i o n s t a g e , l a r g e n u mb e r s o f s u b mi c r o me t e r s i z e p a r t i c l e s a r e p r o -d u c e d . T h e s e p a r t i c l e s f a l l l a r g e l y i n t h e s i z e r a n g e b e t we e n 0 . 0 0 5 a n d0 . 0 2 ~m. A l t h o u g h a mb i en t c o n d i t i o n s n o r ma l l y f i nd s u c h p a r t i c l e s i n

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c o n c e n t r a t i o n s f r o m s e v e r a l t h o u s a n d p e r c u b i c c e n t i me t e r i n a r u r a l a r e a t os e v e r a l h u n d r e d t h o u s a n d p e r c u b i c c e n t i me t e r i n a n i n d u s t r i a l a r e a , t h e p r e s -e n c e o f a n i n c i p i e n t f i r e c a n r a i s e t h e s u b mi c r o me t e r p a r t i c l e c o n ~e n t r a t i o ns u f f i c i e n t l y a b o v e t h e b a c k g r o u n d l e v e l s t o b e u s e d a s a f i r e s i g n a l .C o n d e n s a t i o n n u c l e i a r e l i q u i d o r s o l i d s u b mi c r o me t e r ( 0 . 0 0 1 t o 0 . 1 ~m)

p a r t i c l e s wh i c h c a n a c t a s t h e n u c l e u s f o r t h e f o r ma t i o n o f a wa t e r d r o p l e t .B y u s e o f a n a p p r o p r i a t e t e c h n i q u e , s u b mi c r o me t e r p a r t i c l e s c a n b e ma d e t o a c ta s c o n d e n s a t i o n n u c l e i o n a o n e p a r t i c l e - o n e d r o p l e t b a s i s , a n d t h e c o n c e n t r a -t i o n o f p a r t i c l e s i s me a s u r e d b y p h o t o e l e c t r i c me t h o d s . A me c h a n i s m f o r p e r -f o r mi n g t h i s f u n c t i o n i s s h o wn s c h e ma t i c a l l y i n f i g u r e 1 7 . A n a i r s a mp l ec o n t a i n i n g s u b mi c r o me t e r p a r t i c l e s i s d r a wn t h r o u g h a h u mi d i f i e r wh e r e i t i sb r o u g h t t o 1 0 0 p e r c e n t r e l a t i v e h u mi d i t y . T h e s a mp l e t h e n p a s s e s t o a n e x p a n -s i o n c h a mb e r wh e r e t h e p r e s s u r e ; s r e d u c e d wi t h a v a c u u m p u mp . T h i s c a u s e sc o n d e n s a t i o n o f wa t e r o n t h e p a r t i c l e s . T h e d r o p l e t s q u i c k l y r e a c h a s i z ewh e r e t h e y c a n s c a t t e r l i g h t . T h e d a r k f i e l d o p t i c a l s y s t e m i n t h e c h a mb e rwi l l a l l o w l i g h t ~t o r e a c h t h e p h o t o mu l t i p l i e r t u b e o n l y wh e n t h e wa t e r d r o p l e t sa r e p r e s e n t t o s c a t t e r l i g h t . T h e o u t p u t v o l t a g e f r o m t h e p h o t o mu l t i p l i e rt u b e i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e n u mb e r o f d r o p l e t s ( i . e . , t h e n u mb e r o fc o n d e n s a t i o n n u c l e i ) p r e s e n t .

T h e s y s t e m u s e s a me c h a n i c a l v a l v e a n d s wi t c h i n g a r r a n g e me n t t o a l l o ws a mp l i n g f r o m u p t o 4 d e t e c t i o n z o n e s wi t h a s ma n y a s 1 0 s a mp l i n g h e a d s p e rz o n e . E a c h z o n e i s s a mp l e d o n c e p e r s e c o n d f o r 1 5 s e c . A l l f o u r z o n e s a r es a mp l e d e a c h mi n u t e . T h e s y s t e m i s n o mi n a l l y s e t t o a l a r m a t c o n c e n t r a t i o n se x c e e d i n g 8 x 1 0 1 l p a r t i c l e s p e r c u b i c me t e r , a l t h o u g h i t i s p o s s i b l e t o s e l e c td i f f e r e n t t h r e s h o l d s f o r e a c h z o n e d e p e n d i n g o n t h e b a c k g r o u n d n o i s e a n d t h es e n s i t i v i t y r e q u i r e d . I t i s a l s o p o s s i b l e t o h a v e t h e s e n s i t i v i t y v a r y f o rc o n d i t i o n s d i f f e r i n g wi t h t i me o f d a y . T h e s y s t e m d e s i g n i s s u c h t h a t , wi t ht h e ma x i mu m s a mp l e t r a v e l d i s t a n c e f r o m t h e mo s t r e mo t e s a mp l i n g h e a d , f i r ewi l l b e d e t e c t e d wi t h i n 2 mi n o f t h e t i me t h e p r o d u c t s o f c o mb u s t i o n f i r s tr e a c h a s a mp l i n g h e a d .

S E L E C T I ON OF DE T [ C T OR SWhen l a y i n g o u t a f i r e d e t e c t i o n s y s t e m, t h e d e s i g n e n g i n e e r mu s t k e e p i nmi n d t h e o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e i n d i v i d u a l d e t e c t o r t y p e a s t h e yr e l a t e t o t h e a r e a p r o t e c t e d . S u c h f a c t o r s a s t y p e a n d q u a n t i t y o f f u e l , p o s -s i b l e i g n i t i o n s o u r c e s , r a n g e s o f a mb i e n t c o n d i t i o n s , a n d v a l u e o f t h e p r o t e c -t e d p r o p e r t y a r e c r i t i c a l i n t h e p r o p e r d e s i g n o f t h e s y s t e m. I n t e l l i g e n ta p p l i c a t i o n o f d e t e c t i o n d e v i c e s u s 1 n g s u c h f a c t o r s wi l l r e s u l t i n t h e ma x i mi -z a t i o n o f s y s t e m p e r f o r ma n c e . T a b l e I i s a s u mma r y o f f i r e d e t e c t o r a p p l i c a -t i o n c r i t e r i a a s t h e y a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n .He a t d e t e c t o r s h a v e t h e l o we s t c o s t a n d f a l s e a l a r m r a t e b u t a r e t h e s l o w-e s t i n r e s p o n s e . S i n c e h e a t t e n d s t o d i s s i pa t e f a i r l y r a p i d l y ( f o r s ma l lf i r e s ) , h e a t d e t e c t o r s a r e b e s t a p p l i e d i n c o n f i n e d s p a c e s , o r d i r e c t l y o v e rh a z a r d s wh e r e f l a mi n g f i r e s c o u l d b e e x p e c t e d . He a t d e t e c t o r s a r e g e n e r a l l yi n s t a l l e d o n a g r i d p a t t e r n a t e i t h e r t h e i r r e c o mme n d e d s p a c i n g s c h e d u l e o r a tr e d u c e d s p a c i n g wh e r e b e a ms o r j o i s t s ma y i mp e d e t h e s p r e a d o f t h e h o t g a sl a y e r , f o r f a s t e r r e s p o n s e . T h e o p e r a t i n g t e mp e r a t u r e o f a h e a t d e t e c t o r i su s u a l l y s e l e c t e d a t l e a s t 1 4 C ( 2 5 OF ) a b o v e t h e ma x i mu m e x p e c t e d a mb i e n tt e mp e r a t u r e i n t h e a r e a p r o t e c t e d . P n e u ma t i c h e a t d e t e c t i o n s y s t e ms h a v e a

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d e v ' c e k n o wn a s a " b l o we r h e a t e r c o mp e n s a t o r , " wh i c h 1 s u s e d t o p r e v e n t f a l s ea l a r ms d u e t o t h e s h a r p i n i t i a l h e a t f r o m c e i l i ng - mo u n t ed u n 1 t h e a t e r s .S mo k e d e t e c t o r s a r e h i gh e r i n c o s t t h a n h e a t d e t e c t o r s b u t a r e f a s t e r 1 nr e s p o n d i ng t o f i r e s . Du e t o t h e g r e a t e r s e n s i t i v i t y o f t h e s e d e t e c t o r s , f a l s ea l a r ms c a n b e mo r e f r e q u e n t , e s p e c i a l l y i f t h e d e t e c t o r s a r e n o t p r o p e r l y

l o c a t e d . S mo k e d e t e c t o r s d o n o t h a v e a s p e c 1 r 1 c s p a c e r a t i n g e x c e p t f o r a 9 - m( 3 0 - f t ) ma x i mu m g u i d e d e r i v e d f r o m t h e U l f u l l - s c a l e a p p r o v a l t e s t s wh i c h t h e ymu s t p a s s . G r i d t y p e l ns t a l 1a t i o n l a y o u t s a r e u s u a l l y n o t u s e d , s i nc e s mo k et r a v e l i s g r e a t l y a f f e c t e d b y a i r c u r r e n t s i n t h e p r o t e c t e d a r e a . T h u s , s mo k ed c l e c t o r s a r e u s u a l l y p l a c e d b y e n g i n e e r i n g j u d g me n t b a s e d o n p r e v a i l i n g c o n -d i t i o n s .S i n c e s mo k e d o e s n o t d i s s i p a t e a s r a p i d l y a s h e a t , s mo k e d e t e c t o r s a r eb e l t e r s u i t e d t o t h e p r o t e c t i o n o f l a r g e , o p e n s p a c e s t h a n h e a t d e t e c t o r s .S mo k e d e t e c t o r s a r e mo r e s u b j e c t t o d a ma g e b y c o r r o s I o n , d u s t , a n d e n v i r o n me n -t a l e x t r e me s t h a n t h e s i mp l e r h e a t d e t e c t o r s b e c a u s e s mo k e d e t e c t o r s c o n t a i ne l e c t r o n i c c i r c u i t r y . l h e y a l s o c o n s u me p o we r , s o t h e n u mb e r o f s mo k e d e t e c -

t o r s wh i c h c a n b e c o n n e c t e d t o a c o n t r o l u n i t ma y b e l 1 m' L ~d b y t h e p o we rs u p p l y c a p a b i l i t y .P h o t o e l e c t r i c s mo k e d e t e c t o r s a r e p a r t i c u l a r l y s u 1 t i l b l c wh e r e s mo l d e r i n gf i r e s o r f i r e s i n v o l v i n g l o w t e mp e r a t u r e s p y r o l y s i s o f P V C wi r e i n s u l a t i o n ma yb e e x p e c t e d . I o n i z a t i o n s mo k e d e t e c t o r s a r e p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e wh e r e f l a mi n g f i r e s i n v o l v i n g a n y o t h e r ma t e r i a l s wo u l d b e t h e c a s e . t h e p a r t i c l e c a u nt e r d e t e c t o r r e s p o n d s t o a l l p a r t i c l e s i z e s e q u a l l y , s o i t ma y b e u s e d wi t h o u tr e g a r d t o t h e t y p e o f f i r e e x p e c t e d . T h e s e s y s t e ms , h o we v e r , a r e f a 1 r l ye x p e n s i v e a n d c o mp l e x t o i ns t a l l a n d ma i n t a i n . l h e d e s ' gn a n d l a y o u t o f t h es a mp l 1n g t u b e s ; s c r i t i c a l a n d mu s t b e d o n e b y s o me o n e f a mi l i a r wi t h t h ee q u i p me n t .F l a me d e t e c t o r s a r e e x t r e me l y f a s t r e s p o n d i n g b u t wi l l a l a r m t o a n y s o u r c eo f r a d 1 a t i o n i n t h e i r s e n s i t i v i t y r a n g e , s o f a l s e a l a r m r a t e s a r e h1gh i f t h e ya r e i mp r o p e r l y a p p l i e d . F l ame d e t e c t o r s a r e u s u a l l y u s e d i n h y p e r b a r i c c h a mb e r s a n d f l amma b l e ma t e r i a l s t o r a g e a r e a s wh e r e n o f l ame s o f a n y s o r t a r ea l l o wa b l e .F l a me d e t e c t o r s a r e " l i n e o f S i g h t " d e v i c e s , s o c a r e mu s t b e t a k e n t oe n s u r e t h a t t h e y c a n " s e e " t h e e n t i r e p r o t e c t e d a r e a a n d t h a t t h e y wi l l n o t b ea c c 1 d e n t a l l y b l o c k e d b y s t a c k e d ma t e r i a l o r e q u i pme n t . T h e i r s e n s i t i v i t y i s af u n c t i o n o f f l ame s i z e a n d d i s t a n c e f r o m t h e d e t e c t o r , a n d s o me d e t e c t o r s c a nb e a d j u s t e d t o i g n o r e a s ma l l f l a me a t f l o o r l e v e l . T h e i r c o s t i s r e l a t i v e l yh i g h , b u t t h e y a r e we l l s u i t e d f o r a r e a s wh e r e e x p l o s i v e o r f l amma b l e v a p o r so r d u s t s a r e e n c o u n t e r e d a s t h e y a r e u s u a l l y a v a i l a b l e i n " e x p l o s i o n p r o o f "

h o us i n g s .F 1 R f MODE I . S

Ov e r t h e p a s t d e c a d e , c o n s i ~e r a b l e p r o g r e s s h a s b e e n ma d e i n u n d e r s t a n d i n gt h e p r o c e s s e s - 0- ( f i r e . Wh i l e t h e r e i s s t i l l mu c h t o b e l e a r n e d , t h e c u r r e n tu n d e r s t a n d i ng ; s s u c h t h a t f a i r l y a c c u r a t e p r e d i c t i o n s o f t h e i mp a c t o f a f i r ei n a c o mp a r t me n t c a n b e ma d e u s i n g c o mp u t e r s i mu l a t i o n t e c h n i q u e s . T h e s e f i r emo d e l s c a n p r e d i c t t h e p r o d u c t i o n a n d d i s t r i b u t i o n o f e n e r g y a n d ma s s wi t h i n

2 2


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a s e r i e s o f i n t e r c o n n e c t e d c o mp a r t me n t s o v e r t i me , a n d t h e e f f e c t o f e x p o s u r et o t h e s e c o mb u s t i o n p r o d u c t s o n o c c u p a n t s , e q u i p me n t , a n d t h e s t r u c t u r e i t s e l f .T h u s , o n e p o s s i b l e u s e o f t h e s e mo d e l s i s t o e v a l u a t e t h e r e s p o n s e o f d e t e c t i o nd e v i c e s r e q u i r e d t o p r o v i d e t h e d e s i r e d l e v e l o f s a f e t y t o o c c u p a n t s o r c r i t i -c a l e q u i p me n t wi t h o u t b e i n g s o s e n s i t i v e t h a t e x c e s s i v e f a l s e a l a r ms a r ee x p e r i e n c e d .l h e c o n c e p t o f d e s i g n i n g a d e t e c t i o n s y s t em s u c h t h a t i t r e s p o n d s p r i o rt o t h e f i r e r e a c h i n g a s p e c i f i e d e n e r g y r e l e a s e r a t e wa s r e c e n t l y i n t r o d u c e di n t o t h e Na t i o n a l F i r e P r o t e c t i o n A s s o c i a t i o n S t a n d a r d o n De t e c t i o n De v i c e s( 7 2 E ) . He r e , a mo d e l wa s u s e d t o d e v e l o p a s e t o f c u r v e s f o r d e t e c t o r a c t i v a -t i o n a s a f u n c t i o n o f i n s t a l l e d s p a c i n g f o r v a r i o u s c e i l i n g h e i g h t s , f i r eg r owt h r a t e s , a n d d e t e c t o r c h a r a c t e r i s t i c s ( e . g . , t h e r ma l t i me c o n s t a n t ) . T h ed e s i g n e r d e c i d e s o n a f i r e s i z e ( e n e r g y o u t p u t ) a t a c t i v a t i o n f o r t h e a n t i c i -p a t e d f i r e wi t h i n t h e p r o t e c t e d s p a c e a n d d e t e r mi n e s t h e d e t e c t o r s p a c i n gn e c e s s a r y f o r t h e a c t u a l c o mp a r t me n t c e i l i n g h e i g h t .

T A B L E I . - S UMMA R Y OF DE 1 ~C T OR A P P L I C A T I O N C ONS I D E R A l l ONSDe t e c t o r R e s po n s e F a l s e a l a r m C o s t A p p l i c a t i o nt y p e s p e e d r a t eH e a t S l o w L o w L o w C o n f i n e d s p a c e sS mo k e F a s t Me d i u m Me d i u m Op e n o r c o n f i n e d s p a c e sF l a me V e r y f a s t H i g h H i g h F l a mma b l e ma t e r i a l s t o r a g eP a r t i c l e F a s t Me d i u m H i g h Op e n s p a c e s - h i g h v a l u e

23


16/21

STEEL WIRES

CELLOPHANETHERMOPLASTIC'--I-I:~:::---~INSULATION

F i g u r e 1 . - L i n e - t y p e f i r e d e t e c t i o n c a b l e u s i n g i n s u l a t e d p a r a l l e l wi r e s .

IMPREGNATED GLASSSEMICONDUCTOR

lClplll __ COAXIAL CENTERCONDUCTOR

STEEL CAPILLARY TUBE

F i g u r e 2 . - L i n e - t y p e f i r e d e t e c t i o n c a b l e u s i n g a g l a s s s e mi c o n d u c t o r .

24


17/21

NORMALLY OPENALARM CONTACTS

CONTACT CLOS"I'N~Gqh~~~SPRING -NONCONDUCTING -j;~~~~~STANDOFF RETAINING RING

SNAP DISCF i g u r e 3 . - B i me t a l s n a p - d i s c h e a t d e t e c t o r .

EXPANDINGDIAPHRAGM ALARM CONTACTS.....,I;;1-- _

VENT ORIFICE ---"

F i g u r e 4 . - P n e u ma t i c - t y p e h e a t d e t e c t o r .

CONTACT~ IVENT

PIAPHRAt;MI TI

B IMETAL . gTRIP BR~S$HEMIS'PIIERF i g u r e 5 . _ R a t e o f r i s e f i x e d - t e mp e r a t u r e d e t e c t o r u s i n g a b i me t a l e l e me n t .

25


18/21

VENT\ ALARM CONTACTS

EUTECTIC METAL

- DIAPHRAGMSPRING

F i g u r e 6 . - R a t e o f r i s e f i x e d t e mp e r a t u r e d e t e c t o r u s i n g a e u t e c t i c me t a l .

CYLINDRICAL OUTER SHELL

ELECTRICALWIRES

STRUTS CONTACTSF i g u r e 7 . R a t e - c o mp e n s a t i o n d e t e c t o r .

+ -F i g u r e 8 . - I o n i z a t i o n o f c h a mb e r a i r s p a c e .

26


19/21

-F i g u r e 9 . - E f f e c t o f a e r o s o l i n i o n i z e d c h a mb e r .

UNIPOLAR REGION

__ BIPOLAR REGIONSPACE CHARGE

F i g u r e 1 0 . - U n i p o l a r i o n c h a mb e r .

F i g u r e 1 1 . - B i p o l a r ' o n c h a mb e r .


20/21

. . . . . . . .

bipolar unipolar

F i g u r e 1 2 . Un i p o l a r i o n c h a mb e r c o n s i s t i n g o f t h e o r e t i c a l u n i p o l a r a n db i p o l a r i o n c h a mb e r s i n s e r i e s .

1------11-- COLD CATt40DE TUBE

___ -4---- REFERENCEliAMBER

~-- SAMPLING CHAMBER

F i gu r e 1 3 . - C o n f i gu r a t i o n o f a d u a l i o n c h a mb e r d e t e c t o r .

LENS~~- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~~OTOCELLLI GHTSOURCE

F i g u r e 1 4 . - B e a m- t y p e l i g h t a t t e n u a t i o n s mo k e d e t e c t o r .28


21/21

a.OSED CHAMBER INCANlESCEHT LAMP--+--i------------i--f--- --- - ----- - = - - = = - = = - - = - t - = - - = - - - - = - = = - = = -

SMOKE CHAMBER LENSa.ENIUM CELL

F 1 g u r e 1 5 . - s p o t - t y p e l 1 g h t a t t e n u a t 1 0 n s mo k e d e t e c t o r .

PHOTOCELLF O R WA R D S C A TT E R IN G W S IDE S C AT TE R IN GLIGHT _ . . k - - I LIGHT~.k. - :. l PHOTOCELLSOURC~'" souRcr;E- ~J- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~~ ~S TANDBY S TANDBY

F 1 g u r e 1 6 . - L 1 g h t - s c a t t e r 1 n g s mo k e d e t e c t o r s .

L I G H T SOURCE

DA RK fiE L DO P T I C S E X P A N S IO N C H A M B E R

~VACUU"P U M P

'NA-lSOOAS TR IP R E CO RDE R

I, '.~ - - - - - - - - - - - - - - ~ - - - - ~ IE AD OU TF i g u r e 1 7 . - S c h e ma t 1 c o f c o n d e n s a t ' o n n u c l e 1 p a r t i c l e d e t e c t o r .

Techniques for Fire Detection

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