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火灾探测技术及发展趋势
摘要: 本文论述了当前探测技术的特点,并指出了今后可能的发展方向。 关键词:火灾探测 感烟 感温 CPU 智能 控制 火灾的探测主要是通过探测物质燃烧过程中所产生的各种物理、化学现象来实现,目的是早期发现火情,有利于减少火灾的损失,保护人们生命财产的安全。物质燃烧过程中产生的各种气、烟、热、光(火焰)是表征火灾信号的物理、化学参量。因此各种火灾探测器的基本功能是:对火灾参量--气、烟、热、光等作出有效响应,并转化为计算机可接收的电信号,供计算机分析处理。 国际标准ISO7240--1《火灾探测和报警系统》中对火灾探测器作如下定义:火灾探测器是火灾自动探测报警系统的组成部分,它至少含有一个能连续或以一定频率周期监视与火灾有关的至少一个适合的物理和化学现象的传感器,并且至少能向控制和指示设备提供一个适合的信号,是否报火警或操作自动消防设备,可由探测器或控制和指示设备作出判断。 因此,火灾探测器一般由敏感元件/传感器、处理单元和判断及指示电路组成,其中敏感元件/传感器可以对一个或几个火灾参量起监视作用,作出有效响应,然后经过电子或机械方式进行处理,并转化为电信号,由火灾探测器对处理后的信号直接作判断报警后再传输给火灾报警控制器的为开关量报警信号,此类探测器为开关量探测器。处理后的信号以模拟值形式传输给火灾报警控制器的为模拟量信号,此类探测器为模拟量探测器。而内置CPU的探测器自己本身即可作出火灾判定,其内置有火灾试验数据,并同报警控制器完成信息交换,此类探测器为分布智能型探测器。 衡量火灾探测器产品质量好坏的技术指标主要有:火灾探测器的灵敏度既响应火灾参量的敏感程度,火灾探测器的可靠性,火灾探测器的稳定性和抗干扰能力,因为使用现场的环境千差万别,各种各样的干扰源都可能存在,如振动,电压波动,辐射电磁场,雷击,温湿度的变化,腐蚀等。所有的技术指标国家技术监督局都颁布了相应的国家标准:如GB4715-93《点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法》,GB4716-93《点型感温火灾探测器技术要求及试验方法》等。其中科大创新股份有限公司天安消防分公司的各种探测器和报警控制器全部都通过了国家消防电子产品质量监督检验中心的检验。 (一) 火灾探测器的分类 根据监测的火灾特性不同,火灾探测器可分为感烟、感温、感光、复合和可燃气体等五种类型,每个类型又可根据其工作原理的不同而分为若干种,具体分类见图三所示: 同时根据感应元件的结构不同,可划分为: ① 点型火灾探测器:警戒范围为空间某一点周围,其对探测器所在位置周围附近火灾参数作出响应。 ② 线型火灾探测器:警戒范围为空间某一连续线路周围,其对空间某一连续线路周围的火灾参数作出响应。
(二) 火灾探测器的选用 在设计火灾自动报警控制系统时,对于不同的场合应选择不同的探测器,一般应符合下列要求: ① 对火灾初期有阴燃阶段,产生大量的烟和少量的热,很少或没有火焰辐射的场所,应选择感烟探测器。 ② 对火灾发展迅速,可产生大量热、烟和火灾辐射的场所,可选择感烟探测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。 ③ 对火灾发展迅速,有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所,应选择火焰探测器。 ④ 对火灾形成特征不可预料的场所,可根据模拟试验的结果选择探测器。 ⑤ 对使用、生产或聚集可燃气体或可燃气体蒸气的场所,应选择可燃气体探测器。 ⑥ 装有联动装置、自动灭火系统以及用单一探测器不能有效确认火灾的场合,宜采用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器的组合即复合探测器。 ⑦ 电缆隧道、竖井、夹层、桥梁和各种皮带传送装置、配电开关、变压器等场所,宜选择缆式线型定温探测器。 ⑧对相对湿度大于95%的场合,在正常情况下有烟和水蒸汽的场合,如厨房,锅炉房,洗衣房等宜选用感温探测器。 ㈢火灾探测器的安装 火灾自动报警控制系统的良好运行,除了与产品质量有关外,还与安装的质量有很大的关系,点型火灾探测器的安装应符合下列规定: ① 探测器至墙、梁的水平距离应大于0.5米,其周围0.5米内不应有遮挡物。 ② 探测器至空调送风口的水平距离应大于1.5米,至多孔送风顶棚孔口的水平距离应大于0.5米。 ③ 在宽度小于3米的内走道顶棚上设置探测器时,应居中安装。感温探测器的安装间距不应超过10米,感烟探测器的安装间距不应超过15米,探测器距端墙的距离不大于探测器安装间距的一半。 ④ 探测器应水平安装,当必须倾斜安装时,倾斜角不大于45度。 ⑤ 探测器的底座应固定牢固,其导线必须可靠压接或焊接,探测器的外接导线,应留有不小于15cm的余量,入端处应有明显标志。 ⑥ 探测器的确认灯应面向容易观察的主要入口方向。导线在管内或线槽内,不应有接头或扭结。导线的接头应在接线盒内焊接或用接线端子连接。 (三):火灾探测器的工作原理 探测器种类较多, 每种不同的探测器适合不同的场所, 下面就几种常用探测器的工作原理做一简要介绍: (一)感烟探测器 该种探测器主要响应燃烧或热解产生的固体液体微粒即烟雾粒子的探测器, 主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。可分为离子 型,光电型,激光型和红外线束型四种。 ①离子感烟探测器: 它主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的火灾探测器。探测器内部装有а放射源的电离室为传感器件,现今使用大多为单源双室结构(补偿室,测量室),再配上相应的电子电路或CPU芯片所构成。 探测器内部的а放射源是由镅-241(Am241)发出。 物质的放射性来自原子核 的自发衰变过程如下:Am241->237Np+42He 由于а粒子比电子重得多,且带两个单位正电量,其穿透能力很弱。能量为5MeV的а粒子在空气中的射程为3.5cm, 而金属中射程为2.06*10cm, 所以屏蔽遮挡很容易, 同时а粒子的电离能力很强,当它穿过物质时,每次与物质分子或原子碰撞而打出一个电子,约失33eV能量,一个能量为5MeV的а粒子,在它完全静止前,大约可以电离15万个左右的分子或原子。采用放射源Am241的优点,除了电离能力强,射程短以外,其半衰期长,成本也较低。 图四所示是单源双室结构的离子感烟探测器原理框图:
图四
在单源双室结构的电离室正极板上放置有а放射源AM241,其放射源可以在上百年的时间里不断地放射出а粒子, а粒子不断地撞击空气分子,引起电离,产生大量带正,负电荷的离子,从而使极间空气具有导电性,两个电离室分别称为补偿室和检测室。当在电离室的正负极间加上12V的工作电压时(实险测得:12V 工作电压时电离室线性度最佳),可使原来做无序运动的正负离子在电场作用下做有规则的定向运动,正离子向负极运动,负离子向正极运动,从而形成电离电流。电离电流的大小与电离室的结构尺寸,放射源的特性,施加电压的大小,以及空气的密度,温度,湿度和气流等多种因素有关, 施加的电压越高,电离电流越大,但当电压达到一定值时, 施加电压再高, 电离电流也不会再增加,此时达到饱和工作区。 设计时保证离子室工作于线性区。 当火灾发生时,烟雾粒子进入测量室,部分正负离子会被吸附到比离子重许多倍的烟雾粒子上。一方面将使离子在电场中的速度降低了,另一方面增加了正负离子互相复合的几率,其结果是电离电流减小,相当于测量室的空气等效阻抗增加了。补偿室结构上几乎是封闭的, 烟雾粒子很难进入,空气可以缓慢进入。测量室结构上是敞开的,烟雾粒子很容易进入,这样补偿室的阻抗几乎未变,其结果是测量电极上的电压因分压比而发生变化,经高阻抗的场效应管取样后放大整形。 单源双室结构同双源双室结构完全不同,双源双室结构利用两个放射源形成 两个电离室。单源双室结构简单,节省上了一块放射源,环境的变化对电离室的影响基本相同,提高了探测器对环境的适应性,增加了抗潮湿能力。 信号放大拾取整形电路将电离室里的微弱电流信号转变成较大的电压信号,通过高输入阻抗的场效应管进行耦合放大,地址码预置及信号解码处理电路如是开关量探测器直接将其电压变化与阈值电压进行比较, 判别是否报警,如是模拟量探测器, 则将电压变化传到报警控制器,如探测器内置有CPU芯片,则其自身可以进行智能处理,利用内置的智能算法进行判断, 同时探测器至报警器间发生电路断线, 探测器安装接触不良或探测器内部电路元件损坏等都能够发出故障报警信号。滤波整形稳压电路是给离子源、集成电路和CPU等芯片提供直流工作电压,总线上发送的各种编码信息需经编码信号变换电路处理后发送给解码电路,并将解码电路发送的状态信息和值(烟雾浓度)传至总线上供报警器接收处理。 ②光电感烟探测器 它是应用烟雾粒子对光线产生散射,吸收或遮挡的原理而制成的一种探测器。其工作原理主要有两种:减光型光电感烟火灾探测器和散射型光电感烟探测器。散射型探测器利用红外线光束在烟雾中产生散射光的原理探测火灾初期阴燃阶段产生的烟雾。它由光学系统,信号处理电路等部分所组成,当烟雾进入光学暗室后,由红外线光源发出的光束,在烟粒子表面散射,受光器的光敏二极管接收到散射光,产生光电信号电流,其电流大小与烟雾的变化成比例,经信号处理电路处理后完成报警功能。 (3)激光型感烟探测器 主要是应用烟雾粒子吸收激光光束原理制成的线型感烟火灾探测器,激光器在脉冲电源的激发下发出同一束脉冲激光, 在正常情况下控制报警器不发出报警, 但如在激光束经过的途中被大量的烟雾遮挡而减弱到一定程度时,光电接收信号减弱,便会发出报警信号。 (4)红外光束型感烟探测器 该种探测器主要包括一个光源,一套光线照准装置和一个接收装置,它是应用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理进行工作。一般用于保护大面积大空间。 ㈡感温探测器 该种探测器主要是利用热敏元件来探测火灾的。在火灾初始阶段,一方面有大量烟雾产生,另一方面物质在燃烧过程中释放出大量的热量,周围环境温度急剧上升。探测器中的热敏元件发生物理变化,从而将温度信号转变成电信号,并进行报警处理。 感温火灾探测器种类较多,根据其感热效果和结构型式可分为定温式,差温式及差定温式三种。电子差定温探测器在设计中一般取两个性能相同的热敏电阻进行搭配,一个放置在金属屏蔽罩内,另一个放在外部,外部的热敏电阻感应速度快,内部的由于隔热作用感应速度慢。利用它们的变化差异来达到差温报警,同时外部热敏电阻设置在某一固定温度(62℃为一级灵敏度,70℃为二级灵敏度,78℃为三级灵敏度),达到定温报警的目的。除信号拾取放大整形外,其它的电路组成基本和离子感烟探测器相同。 通过以上的叙述,可以看出探测技术涉及电子,核物理,光学,机械结构等多学科,其将来的发展趋势为超薄,流线型,多参数复合,灵敏度较高。且内置计算机芯片,采用软地址技术,特别是生产上普扁使用贴片技术,将使探测器的质量得到明显的提高。
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