Ολοκληρωμένος χημικός, οπτικός και ακουστικός έλεγχος εσωτερικών χώρων για την πρόληψη τεχνολογικών ατυχημάτων

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας η οποία θα ενσωματώνει το PSS-MS και την τεχνολογία ανάλυσης ήχου και εικόνας προκειμένου να είναι εφικτή η ολοκληρωμένη παρακολούθηση τόσο σε μοριακό όσο και μακροσκοπικό επίπεδο, του φαινομένου της καύσης στο εργαστήριο σε ελεγχόμενες συνθήκες, που θα προσομοιάζουν με το πεδίο εσωτερικών χώρων. Στην παρούσα διατριβή εφαρμόζεται ο συνδυασμός της φασματομετρία μάζας, με την οπτική και ακουστική ανάλυση. Πιο συγκεκριμένα, ένα εμπορικό MS (Mass Spectrometer) που συνδυάστηκε με το παλμικό δειγματοληπτικό σύστημα PSS (Pulsed Sampling System) πρωτότυπης τεχνολογίας ΕΜΠ χρησιμοποιήθηκε μαζί με οπτικό και ακουστικό αισθητήρα, δηλαδή μία κάμερα CCD οπτικού φάσματος και ένα κατευθυντικό πυκνωτικό μικρόφωνο για την παρακολούθηση και ανάλυση του φαινομένου της καύσης στο εργαστήριο. Επίσης, η μεθοδολογία αυτή περιλαμβάνει τις τεχνικές εκείνες που επιτρέπουν την αποτελεσματική συλλογή δεδομένων από τα αισθητήρια όργανα και την επεξεργασία τους. Η επεξεργασία των σημάτων των αισθητήρων που αναπτύχθηκε στην εργασία αυτή, είχε σαν σκοπό την εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων που αφορούν στην χρονική εξέλιξη του φαινομένου της καύσης αλλά και στην απόκτηση της κρίσιμης πληροφορίας, όπου με βάση αυτήν θα είναι εφικτός ο εντοπισμός και ο χαρακτηρισμός των μοναδικών χαρακτηριστικών των επεξεργασμένων σημάτων προκειμένου να ταυτοποιηθούν ιδιαίτερα στοιχεία της καύσης. Για την υλοποίηση των σκοπών της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε η κατάλληλη υποδομή και το κατάλληλο πειραματικό πρωτόκολλο για την πραγματοποίηση των πειραμάτων καύσης. Επιπλέον, τα τελικά πειράματα της παρούσας εργασίας πραγματοποιήθηκαν σε δύο σειρές στο εργαστήριο καθώς και ένα πείραμα μεγάλης κλίμακας στο πεδίο. Στην πρώτη σειρά πειραμάτων αναπτύχθηκαν δύο σενάρια που προσομοίαζαν διαφορετικές συνθήκες πεδίου. Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκε η απευθείας παρατήρηση της καύσης αλλά και η παρατήρηση με την παρεμβολή εμποδίων. Η παρεμβολή των εμποδίων επηρέαζε την μακροσκοπική παρατήρηση του φαινομένου. Ο σκοπός των πειραμάτων αυτών ήταν αφενός η διερεύνηση της δυνατότητας του PSS-MS για την on-line παρακολούθηση των VOCs που εκλύονται κατά την διάρκεια των πειραμάτων καύσης και αφετέρου εάν η δυνατότητα κάθε τεχνολογίας να λειτουργήσει συμπληρωματικά ή επιβεβαιωτικά στις άλλες δύο, στην παρατήρηση του φαινομένου της καύσης. Στην επόμενη σειρά πειραμάτων μελετήθηκε η καύση τριών διαφορετικών υλικών. Τα υλικά αυτά ήταν το βαμβακερό ύφασμα, το λευκό χαρτί εκτύπωσης και το αποξηραμένο ξύλο δρυς. Η καύση σ’ αυτά τα πειράματα πραγματοποιήθηκε με κλίση 30ο και χωρίς παρεμβολή εμποδίων, έτσι ώστε να προσομοιωθεί η καύση στο πεδίο με διαφοροποιημένες από την προηγούμενη σειρά πειραμάτων συνθήκες. Στα πειράματα αυτά η επιδίωξη ήταν να βελτιστοποιηθούν οι αλγόριθμοι επεξεργασίας των χημικών, οπτικών και ακουστικών σημάτων, έτσι ώστε να διερευνηθεί πλέον η αξιοπιστία της προτεινόμενης μεθόδου για την παρακολούθηση του φαινομένου καύσης διαφορετικών υλικών και που παρουσιάζουν διαφορές στην καύση τους. Επιπλέον επιδιώχθηκε να διερευνηθεί και να ελεχθεί η αναλυτική ικανότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας με την χρήση τεχνικών μοντελοποίησης. Η βελτίωση των αλγορίθμων διευκόλυνε την εξαγωγή γνώσης που στα προηγούμενα πειράματα δεν ήταν εφικτή. Επιπλέον η διαδικασία μοντελοποίησης με τα βελτιωμένα επεξεργασμένα σήματα εντόπισε μοναδικά χαρακτηριστικά από την καύση του κάθε υλικού. Για τα ακουστικά και τα οπτικά σήματα η μοντελοποίηση έγινε στη χρονική ακολουθία, ενώ η επεξεργασία των ακουστικών σημάτων έλαβε χώρα στο συχνοτικό φάσμα (frequency domain) έτσι ώστε να αναλυθούν στις αρμονικές τους και να αποκωδικοποιηθεί η χρήσιμη φέρουσα πληροφορία. Επιπρόσθετα, η διαδικασία της μοντελοποίησης αποτέλεσε ένα σημαντικό εργαλείου ελέγχου της αναλυτικής δυνατότητας της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Τα συμπεράσματα αυτής της διαδικασίας έδειξαν ότι με βάση τα επεξεργασμένα σήματα των αισθητήρων εντοπίσθηκαν και ταυτοποιήθηκαν μοναδικά χαρακτηριστικά της καύσης του κάθε υλικού. Πέραν των ανωτέρω, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο με τις ελεγχόμενες και σε μικρή κλίμακα φωτιές μεταφέρθηκε στο ανοιχτό πεδίο. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε η οπτική, χημική και ακουστική παρατήρηση της καύσης δασικής ύλης μεγάλης κλίμακας στο ανοιχτό πεδίο. Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόστηκε με διαφοροποίηση των αισθητηρίων οργάνων. Αυτό σημαίνει ότι η οπτική παρατήρηση πραγματοποιήθηκε με θερμογραφική κάμερα στο υπέρυθρο φάσμα αντί του οπτικού φάσματος που έγινε στο εργαστήριο με τον αισθητήρα CCD και η χημική ανάλυση βασίστηκε στα δεδομένα του αναλυτή καυσαερίων MRU Delta 1600V αντί του PSS-MS που έγινε στο εργαστήριο: παρά τις δυσκολίες, τελικά διαπιστώθηκε ότι και οι τρεις τεχνολογίες παρακολούθησαν το φαινόμενο με ακρίβεια και παρουσίασαν ευαισθησία στις μεταβολές του φαινομένου. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία παρουσίασε την δυνατότητα να παρακολουθεί αποτελεσματικά το φαινόμενο της καύσης τόσο στο εργαστήριο αλλά και στο πεδίο. Η αναλυτική δυνατότητα της συνδυαστικής δράσης των τριών τεχνολογιών είχε ως αποτέλεσμα, μέσω της διαδικασίας της επεξεργασίας σημάτων και της μοντελοποίησης, τον εντοπισμό ιδιαίτερων και μοναδικών στοιχείων της καύσης του κάθε υλικού. Οι προοπτικές που ανοίγονται από τα συμπεράσματα της παρούσας εργασίας, μέσω της περαιτέρω διερεύνησης, αφορούν σε νέες εφαρμογές παρακολούθησης του πεδίου για την έγκαιρη ανίχνευση και ταυτοποίηση επικίνδυνων φαινομένων στο πεδίο.

In the present doctoral thesis an integrated method proposed, where, PSS-MS, acoustic, and video sensing technologies were used for monitoring lab scale indoor fires under controlled field simulated conditions. In this work, mass spectrometry was combined with optical and acoustical analysis. In particular, a commercial MS (Mass Spectrometer) combined with the in-house developed PSS (Pulsed Sampling System) were used with an optical and an acoustic sensor in order to monitor lab scale burning. The optical sensor was a CCD (Charged Coupled Device) camera operating in visual spectrum. The acoustic sensor was a shotgun condenser microphone with frequency range 20 – 20000 Hz. In addition, the proposed method includes all the techniques used for efficient data acquisition, which collected from sensory equipment. The developed, for this work, signal processing had the aim to reach to conclusions regarding the burning evolution process. Besides the processing of raw data, a quite effective approach proceeds with the modelling of the signal waveform through curve fitting and the utilization of model parameters as characteristic features. In the modelling process, the effort was focused to explore model parameters for the various (chemical or physical) signals in order to select unique characteristics during the burning of each different material. For implementing the experimental section of this thesis, the appropriate experimental set-up and protocol were developed. The final fire monitoring experiments were performed in two lab series and a scale-up experiment in open field. In the first series, two types of fire experiments were carried out; direct and indirect fire monitoring experiments. The main objective of indirect fire monitoring experiments was to simulate the case where physical obstacles in the field prevent the microphone and the camera from direct fire monitoring. In these experiments, audio and video signals either reaffirmed the chemical detection inferences or they provided complementary information when limitations in chemical detection occurred. Similarly, chemical detection in molecular base but strongly related to macroscopic phenomena, supplemented audio and video monitoring when macroscopic scale observations were absent. Audio and video signals proved to provide useful information about the fire event even when physical obstacles prevented the direct audio and video monitoring of the fire. Reflected audio and video signals on metallic surfaces or audio signals from the interaction of the fire with the surrounding materials were recorded and combined with PSS-MS measurements in those cases. In the next series of fire monitoring experiments the burning of different common materials such as cotton textile, inkjet white paper, and oak wood was investigated in lab environment under controlled field-simulated conditions. The burning of combustible materials took place on an inclined metallic plate, with angular orientation 30o with the horizontal level. Integration of mass spectrometry with audio and video signals enabled combined monitoring of the event in both molecular and macroscopic scale. The synergistic effects of the three sensing technologies supplemented by signal processing and modelling appeared to be significant for studying the fire patterns of different materials. Chemical, video and acoustic signal processing took place as an exploratory work in order to identify modalities during burning process of different materials, through the modelling and curve fitting techniques. For the chemical and optical responses the temporal models with curve fitting were used, whereas for the acoustic signal the spectral analysis was used for quantifying harmonics. The extrapolations of this work were ensued with initial models, characteristic for each material studied. In the scale-up experiment the proposed method, developed for monitoring lab scale indoor fire, was applied to monitor a large scale fire of dried forest material in the open field. More specifically a large fire was on-site monitored by chemical, optical and acoustical sensors. The chemical analysis was performed by gas exhaust analyser MRU 1600V Delta, as well as video and acoustical signal were provided a thermographic camera and a shotgun condenser microphone, respectively. Despite difficulties, originated by field conditions, the proposed integrated method was successfully employed. In conclusion, the proposed method presented the capability to effectively monitor the burning process, under lab and field conditions. The analytical capability of the combined action of the three sensing technologies has effected by signal processing and modeling to identify unique characteristics of each material’s combustion. The promising potentials of the present work, with further elaboration, might find field monitoring applications regarding the early warning and identification of hazardous and unsafe conditions.