Ολοκληρωμένος Χημικός, Οπτικός Και Ακουστικός Έλεγχος Εσωτερικών Χώρων Για Πρόληψη Τεχνολογικού Ατυχήματος

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 PSSMS 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 xvi 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.