火災(zāi)探測技術(shù)及常見火災(zāi)探測器
自從人類有歷史以來,就不斷地在燃燒利用和火災(zāi)防治的邊緣徘徊,并且隨著人類文明的進(jìn)步,漸漸從被動的火災(zāi)撲救發(fā)展到主動的去探測預(yù)防火災(zāi),探測和撲救并行,以期將其扼殺在尚未造成太大破壞發(fā)生的早期。
火災(zāi)的物理特征
想要探測火災(zāi)，就必須先認(rèn)識火災(zāi)，通過火災(zāi)發(fā)生過程中的物理特征來預(yù)報火災(zāi)的發(fā)生?；馂?zāi)發(fā)生過程中主要有火焰、燃燒產(chǎn)物、燃燒音三大物理特征，但這三大特征并不必同時出現(xiàn)（如陰燃）。
1、火焰：火災(zāi)燃燒是復(fù)雜的放熱化學(xué)反應(yīng),燃燒火焰的溫度通常為900～ 1400℃ ,在這個過程中通常會產(chǎn)生大量的熾熱微粒。正是這些熾熱微粒的存在,使火焰發(fā)射出電磁波輻射,包括可見光,這些光學(xué)特性為遠(yuǎn)距離探測火災(zāi)提供了可行性。
（1）火焰輻射:其包括其能量輻射和輻射光譜,在可見光和紅外波段都有體現(xiàn),但在紅外波段尤為強烈,這是CO2共鳴的CO2原子團(tuán)發(fā)光光譜。
（2）火焰形狀:火焰中熾熱的發(fā)光微粒的集合就勾畫出火焰形狀。一般火災(zāi)中,由于燃燒狀況不穩(wěn)定,火焰邊緣通常表現(xiàn)鋸齒型,且在火災(zāi)發(fā)展過程中區(qū)域增大。
（3）火焰閃爍:火災(zāi)火焰具有閃爍的物理特性,這不僅表現(xiàn)在輻射強度以3～30Hz的頻率波動,而且也反映在火焰形狀的波動上。
2、燃燒產(chǎn)物：燃燒產(chǎn)物即通常所說煙氣,包括氣態(tài)燃燒產(chǎn)物和固態(tài)高溫產(chǎn)物,運動速度為每秒幾米到幾十米。
（1）氣態(tài)燃燒產(chǎn)物:主要成分為H2O、CO和CO2。由于環(huán)境濕度的影響,通常不把H2O作為火災(zāi)探測參數(shù)。一般情況下,空氣中CO和CO2的含量極低,而在火災(zāi)燃燒時才會大量出現(xiàn)使空氣中這兩種氣體含量急劇增加。氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的典型物理特征是氣體特征光譜、氣體濃度和氣體溫度。不過,針對氣體濃度和溫度的探測都很容易受到擴散流動的影響。
（2）固態(tài)高溫產(chǎn)物:固態(tài)高溫產(chǎn)物來源于可燃物中的雜質(zhì)以及高溫狀態(tài)下可燃物裂解所形成的物質(zhì),粒徑在0.025微米到100微米,溫度在數(shù)百到上千度。高溫微粒通常表現(xiàn)出來的物理特征有:①對光線的散射和吸收作用;②對離子的俘獲和阻擋作用;③在流動中保持相當(dāng)?shù)臏囟?④帶靜電荷。
3、燃燒音：燃燒過程產(chǎn)生的高溫會加熱周圍的空氣,使之膨脹形成壓力聲波,其頻率僅在數(shù)赫茲左右(次聲)。這種次聲是物質(zhì)燃燒的共同現(xiàn)象,而且在這個頻帶中日常雜音也很少,所以在這個頻帶進(jìn)行探測可以去除相當(dāng)大部分的噪聲干擾。由于燃燒現(xiàn)象通常是復(fù)雜的湍流流動,它在可聽域及超聲域也會產(chǎn)生聲波。然而,可聽域有很多日常噪聲干擾,且并非所有的燃燒都會產(chǎn)生超聲波。
火災(zāi)探測技術(shù)基本原理
火災(zāi)探測包含兩個層面的內(nèi)容:首先是針對某一(些)物理特征采用何種探測方法,其次是基于探測原理采用何種算法才能在環(huán)境中有效準(zhǔn)確的探測火災(zāi)。火災(zāi)探測技術(shù)可以說是傳感技術(shù)和火災(zāi)探測算法結(jié)合的產(chǎn)物,其實質(zhì)是將火災(zāi)中出現(xiàn)的物理特征,利用傳感器進(jìn)行接收,將其變?yōu)橐子谔幚淼奈锢砹?通過火災(zāi)探測算法判斷火災(zāi)的有無。火災(zāi)信號通常具有頻率特性、趨勢特性和持續(xù)時間特性,基于這些特性進(jìn)行分析處理的火災(zāi)探測算法則是火災(zāi)科學(xué)與計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)和自動化技術(shù)的相互交叉。
火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展是一個非常復(fù)雜的非平穩(wěn)過程,它除了自身的物理化學(xué)變化以外還會受到許多外界的干擾,火災(zāi)一旦產(chǎn)生便以接觸式(物質(zhì)流)和非接觸式(能量流)的形式向外釋放能量。接觸式形式包括可燃?xì)怏w、燃燒氣體和煙霧、氣溶膠等。非接觸式如聲音、輻射等?；馂?zāi)探測技術(shù)就是利用敏感元件將火災(zāi)中出現(xiàn)的物理化學(xué)特征轉(zhuǎn)換為另外一種易于處理的物理量。各種探測器對應(yīng)的火災(zāi)物理參量及探測器如圖1所示。
圖1 火災(zāi)探測器的分類
將火災(zāi)發(fā)生的物理特征通過傳感單元轉(zhuǎn)化為電信號以后的一個問題就是判斷是否報警,這就需要靠火災(zāi)探測算法來實現(xiàn)。根據(jù)對火災(zāi)物理參數(shù)探測方式的不同,可將探測算法分為接觸式火災(zāi)探測算法和非接觸式火災(zāi)探測算法兩類。其中接觸式火災(zāi)探測算法主要應(yīng)用于火災(zāi)探測傳感器中的感溫、感煙和氣體傳感器等。早期都是使用閾值法,就是在傳感器中設(shè)定一個閾值,如果檢測到的參數(shù)高于這個設(shè)定值,探測器就會發(fā)出報警信號。環(huán)境變化的影響會影響探測器的探測性能,固定的閾值探測算法顯然是不合理的,例如在氣溫高的時期和氣溫低的時期,對于溫度傳感器的報警溫度應(yīng)該有所不同,探測器長期暴露于空氣中,也會影響其判斷的靈敏度,基于這些因素產(chǎn)生了浮動式的判斷閾值算法。使用這種探測算法的探測器通過跟蹤環(huán)境影響的變化對閾值進(jìn)行自動調(diào)整,從而保證更高的正確報警率。
隨著火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了能夠輸出模擬量數(shù)據(jù)的火災(zāi)探測器,于是便產(chǎn)生了模擬量火災(zāi)探測算法,又稱過程法?；馂?zāi)的發(fā)生是有一定規(guī)律的,通過大量實驗可以找出它在發(fā)生過程中各種物理特征變化的規(guī)律,再將探測器探測得到的模擬量數(shù)據(jù)通過計算機分析與我們掌握的規(guī)律進(jìn)行對比,如果符合,就發(fā)出報警信號,反之,則說明沒有火災(zāi)發(fā)生。
非接觸式火災(zāi)探測算法主要應(yīng)用于圖像、火焰和聲音探測器等。它也是在模擬量探測輸出出現(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,與過程法相類似,都是通過對所得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來提取火災(zāi)特征,與實驗中得到的各種火災(zāi)情形特征比較判斷火災(zāi)的發(fā)生與否。不過非接觸式探測算法還有很多值得深入研究的方面,如通過煙氣的湍流效應(yīng)和火焰圖像等來建立火災(zāi)探測算法等，火災(zāi)探測算法分類如表1所示。
表1 火災(zāi)探測算法的分類
常見的火災(zāi)探測器 現(xiàn)實生產(chǎn)生活中最常見的即為感溫火災(zāi)探測器和感煙火災(zāi)探測器，感溫火災(zāi)探測器主要是利用熱敏元件來探測火災(zāi)，將溫度信號轉(zhuǎn)變成電信號，并進(jìn)行報警處理，其區(qū)別主要在于感溫元件的不同，這里著重介紹感煙火災(zāi)探測器。 目前，廣泛應(yīng)用的感煙火災(zāi)探測器可分為離子感煙火災(zāi)探測器和光電感煙火災(zāi)探測器。離子感煙火災(zāi)探測器利用放射源釋放的ａ射線將電離室中的空氣電離，并在電離室平板電極的作用下產(chǎn)生電離電流。如果有煙霧顆粒進(jìn)入電離室，那么顆粒物會吸附離子并阻礙α射線的電離能力，從而減小電離電流。探測器即通過監(jiān)測電離電流的變化而達(dá)到預(yù)警火災(zāi)的自的離子感畑探測器能夠均衡地響應(yīng)不同顏色的火災(zāi)煙霧，能夠穩(wěn)定響應(yīng)火災(zāi)早期的小粒子。但離子感煙探測器電離電流太弱,這對電路、結(jié)構(gòu)和工藝提出了較高的要求，生產(chǎn)工藝復(fù)雜；其次，離子感煙探測器易受濕度、空氣流速等因素的影響，誤報率、漏報率較高；最重要的是，由于采用了放射源，離子感煙探測器在報廢后需要專業(yè)處理，且對環(huán)境會造成污染。因此，離子感煙探測器逐漸淡出市場，被光電感煙探測器所取代。 1、離子感煙火災(zāi)探測器：離子感煙火災(zāi)探測器是通過檢測放射性元素241镅(241 Am)構(gòu)成的電離室的電壓變化來感知煙霧濃度的裝置。如圖2所示,241镅(241 Am)不斷放射出α射線,α離子高速運動撞擊空氣分子,從而使極板間空氣分子電離為正離子和負(fù)離子(電子),這樣電極之間原來不導(dǎo)電的空氣具有了導(dǎo)電性,從而形成電離室。如果在極板間加上一個電壓E,極板間原來做雜亂無章運動的正負(fù)離子,此時在電場的作用下,正離子向負(fù)極運動,負(fù)離子向正極運動,形成電離電流。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時,煙霧粒子進(jìn)入檢測電離室后,被電離的部分正離子和負(fù)離子吸附到煙霧離子上去。因此離子在電場中運動速度比原來降低,而且在運動過程中正離子和負(fù)離子互相中和的幾率增加,使得能夠到達(dá)電極的有效離子數(shù)更少;另外由于煙霧粒子的作用,α射線被阻擋,電離能力降低了很多,電離室內(nèi)產(chǎn)生的正負(fù)離子數(shù)就少,從而使得電離電流減少。 圖2 電離室示意圖 離子感煙火災(zāi)探測器按電離室可分為雙極性和單極性兩種。整個電離室全部被α射線所照射,電離室內(nèi)的空氣都被電離,這種電離室稱為雙極性電離室。所謂單極性電離室,是指電離室局部被α射線所照射,使一部分形成電離區(qū),而未被α射線所照射的部分則為非電離區(qū)。這樣在同一個電離室內(nèi)分為兩個性質(zhì)不同區(qū)域。實際使用的離子感煙探測器都采用兩個單極性電離室串聯(lián)的形式,一個作為檢測電離室,另一個作為補償電離室,這樣可以減少環(huán)境溫度、濕度、氣壓等自然條件變化對電離電流的影響,提高探測器的環(huán)境適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。離子感煙探測器采用的是傳統(tǒng)的接觸式煙霧探測方法,從理論上分析,離子感煙探測器對灰煙、黑煙以及各種粒徑大小的煙具有較平衡的探測性能,只存在響應(yīng)行為的數(shù)值差異。其中對有焰火產(chǎn)生的小顆粒煙粒子敏感,對于粒徑較大的陰燃煙霧粒子,響應(yīng)靈敏度則偏低,尤其是安裝高度的限制,粒徑大于1μm的煙霧粒子由于自身重力作用下沉,不易到達(dá)探測器引起響應(yīng)。離子感煙探測器生產(chǎn)成本較低,但由于電離室的設(shè)計中采用了放射性元素,其生產(chǎn)、儲運和報廢的過程有污染環(huán)境的危險。離子感煙探測器的濾網(wǎng)對于灰塵、飛蟲等有隔離作用,但探測器本身極易受濕度、風(fēng)速等環(huán)境干擾,故而通常都要避免在相對濕度高于95%的環(huán)境下使用,再者就是要安裝防風(fēng)罩以減少風(fēng)速對探測器探測性能的影響。 2、光電感煙探測器：光電感煙火災(zāi)探測器按其動作原理的不同,即煙霧粒子對光路遮擋和對光散射原理,可以分為減光型和散光型兩種。減光式光電感煙火災(zāi)探測器的檢測室內(nèi)裝有發(fā)光元件及受光元件。在正常情況下,受光元件接受到發(fā)光元件發(fā)出的一定光量;而在火災(zāi)時,探測器的檢測室內(nèi)進(jìn)入了大量煙霧,發(fā)光元件的發(fā)射光受到煙霧的遮擋,因而使受光元件接受的光線減少,光電流降低,探測器發(fā)出報警信號。原理示意圖如圖3所示。現(xiàn)在這種形式的探測器應(yīng)用較少。 圖3 減光型光電感煙探測器原理圖 目前世界各國生產(chǎn)的點型光電感煙火災(zāi)探測器多為散射型光電感煙探測器。此種探測器的檢測室內(nèi)亦裝有發(fā)光元件和受光元件。在正常情況下,受光元件是接受不到發(fā)光元件發(fā)出的光的,因此不產(chǎn)生光電流。在火災(zāi)發(fā)生時,當(dāng)煙霧進(jìn)入探測器的檢測室時,由于煙霧離子的作用,使發(fā)光元件發(fā)射的光產(chǎn)生漫射,這種漫射光被受光元件所接受,使受光元件阻抗發(fā)生變化,產(chǎn)生光電流。從而實現(xiàn)了將煙霧信號轉(zhuǎn)變成電信號的功能,探測器發(fā)出報警信號。原理示意圖如圖4所示。 圖4 散射型光電感煙探測器原理圖 火災(zāi)探測器的使用限制 每種火災(zāi)探測器都有其使用范圍，選用合適的火災(zāi)探測器可以提高火災(zāi)預(yù)報的質(zhì)量，反之將起不到火災(zāi)探測器應(yīng)有的作用。如感溫火災(zāi)探測器非常適用于一些產(chǎn)生大量的熱量而無煙或產(chǎn)生少量煙氣火災(zāi)的場所，而不適宜可能產(chǎn)生陰燃火或火災(zāi)報警不及時將造成重大損失的場所，因為其探測方式?jīng)Q定了其報警時火災(zāi)可能已達(dá)到發(fā)展階段。 離子感煙和光電感煙火災(zāi)探測器由于自身的特點和使用環(huán)境,現(xiàn)在哪一個也無法完全取代對方。離子感煙探測器對各種明火煙霧檢測效果較好,對陰燃煙霧也能檢測,但易受探測環(huán)境的影響,誤報率較高。同時,由于使用了放射源镅,易對環(huán)境造成污染。光電感煙探測器是利用紅外光散射的原理來進(jìn)行煙霧濃度的探測,對環(huán)境不存在污染問題,對陰燃火煙霧的探測性能明顯優(yōu)于離子探測器,但對某些黑煙探測效果較差,這也是光電探測器沒有完全取代離子感煙探測器的原因之一。 在探測區(qū)域內(nèi),周圍環(huán)境因生產(chǎn)作業(yè)造成的正常情況下,有大量粉塵、水霧、煙或其它氣溶膠存在(例如水泥廠、農(nóng)藥廠、面粉廠、染織廠的烘干車間等),可能引起煙感探測器誤報,此種場合不宜選用煙感探測器。在存在高頻電磁波干擾的場合不適合使用光電感煙探測器。