火灾探测技术及常见火灾探测器
自从人类有历史以来,就不断地在燃烧利用和火灾防治的边缘徘徊,并且随着人类文明的进步,渐渐从被动的火灾扑救发展到主动的去探测预防火灾,探测和扑救并行,以期将其扼杀在尚未造成太大破坏发生的早期。
火灾的物理特征
想要探测火灾，就必须先认识火灾，通过火灾发生过程中的物理特征来预报火灾的发生。火灾发生过程中主要有火焰、燃烧产物、燃烧音三大物理特征，但这三大特征并不必同时出现（如阴燃）。
1、火焰：火灾燃烧是复杂的放热化学反应,燃烧火焰的温度通常为900～ 1400℃ ,在这个过程中通常会产生大量的炽热微粒。正是这些炽热微粒的存在,使火焰发射出电磁波辐射,包括可见光,这些光学特性为远距离探测火灾提供了可行性。
（1）火焰辐射:其包括其能量辐射和辐射光谱,在可见光和红外波段都有体现,但在红外波段尤为强烈,这是CO2共鸣的CO2原子团发光光谱。
（2）火焰形状:火焰中炽热的发光微粒的集合就勾画出火焰形状。一般火灾中,由于燃烧状况不稳定,火焰边缘通常表现锯齿型,且在火灾发展过程中区域增大。
（3）火焰闪烁:火灾火焰具有闪烁的物理特性,这不仅表现在辐射强度以3～30Hz的频率波动,而且也反映在火焰形状的波动上。
2、燃烧产物：燃烧产物即通常所说烟气,包括气态燃烧产物和固态高温产物,运动速度为每秒几米到几十米。
（1）气态燃烧产物:主要成分为H2O、CO和CO2。由于环境湿度的影响,通常不把H2O作为火灾探测参数。一般情况下,空气中CO和CO2的含量极低,而在火灾燃烧时才会大量出现使空气中这两种气体含量急剧增加。气态燃烧产物的典型物理特征是气体特征光谱、气体浓度和气体温度。不过,针对气体浓度和温度的探测都很容易受到扩散流动的影响。
（2）固态高温产物:固态高温产物来源于可燃物中的杂质以及高温状态下可燃物裂解所形成的物质,粒径在0.025微米到100微米,温度在数百到上千度。高温微粒通常表现出来的物理特征有:①对光线的散射和吸收作用;②对离子的俘获和阻挡作用;③在流动中保持相当的温度;④带静电荷。
3、燃烧音：燃烧过程产生的高温会加热周围的空气,使之膨胀形成压力声波,其频率仅在数赫兹左右(次声)。这种次声是物质燃烧的共同现象,而且在这个频带中日常杂音也很少,所以在这个频带进行探测可以去除相当大部分的噪声干扰。由于燃烧现象通常是复杂的湍流流动,它在可听域及超声域也会产生声波。然而,可听域有很多日常噪声干扰,且并非所有的燃烧都会产生超声波。
火灾探测技术基本原理
火灾探测包含两个层面的内容:首先是针对某一(些)物理特征采用何种探测方法,其次是基于探测原理采用何种算法才能在环境中有效准确的探测火灾。火灾探测技术可以说是传感技术和火灾探测算法结合的产物,其实质是将火灾中出现的物理特征,利用传感器进行接收,将其变为易于处理的物理量,通过火灾探测算法判断火灾的有无。火灾信号通常具有频率特性、趋势特性和持续时间特性,基于这些特性进行分析处理的火灾探测算法则是火灾科学与计算机技术、信号处理技术和自动化技术的相互交叉。
火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程,它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的干扰,火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式(能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1所示。
图1 火灾探测器的分类
将火灾发生的物理特征通过传感单元转化为电信号以后的一个问题就是判断是否报警,这就需要靠火灾探测算法来实现。根据对火灾物理参数探测方式的不同,可将探测算法分为接触式火灾探测算法和非接触式火灾探测算法两类。其中接触式火灾探测算法主要应用于火灾探测传感器中的感温、感烟和气体传感器等。早期都是使用阈值法,就是在传感器中设定一个阈值,如果检测到的参数高于这个设定值,探测器就会发出报警信号。环境变化的影响会影响探测器的探测性能,固定的阈值探测算法显然是不合理的,例如在气温高的时期和气温低的时期,对于温度传感器的报警温度应该有所不同,探测器长期暴露于空气中,也会影响其判断的灵敏度,基于这些因素产生了浮动式的判断阈值算法。使用这种探测算法的探测器通过跟踪环境影响的变化对阈值进行自动调整,从而保证更高的正确报警率。
随着火灾探测技术的发展,出现了能够输出模拟量数据的火灾探测器,于是便产生了模拟量火灾探测算法,又称过程法。火灾的发生是有一定规律的,通过大量实验可以找出它在发生过程中各种物理特征变化的规律,再将探测器探测得到的模拟量数据通过计算机分析与我们掌握的规律进行对比,如果符合,就发出报警信号,反之,则说明没有火灾发生。
非接触式火灾探测算法主要应用于图像、火焰和声音探测器等。它也是在模拟量探测输出出现的基础上发展起来的,与过程法相类似,都是通过对所得到的大量数据进行分析来提取火灾特征,与实验中得到的各种火灾情形特征比较判断火灾的发生与否。不过非接触式探测算法还有很多值得深入研究的方面,如通过烟气的湍流效应和火焰图像等来建立火灾探测算法等，火灾探测算法分类如表1所示。
表1 火灾探测算法的分类
常见的火灾探测器 现实生产生活中最常见的即为感温火灾探测器和感烟火灾探测器，感温火灾探测器主要是利用热敏元件来探测火灾，将温度信号转变成电信号，并进行报警处理，其区别主要在于感温元件的不同，这里着重介绍感烟火灾探测器。 目前，广泛应用的感烟火灾探测器可分为离子感烟火灾探测器和光电感烟火灾探测器。离子感烟火灾探测器利用放射源释放的ａ射线将电离室中的空气电离，并在电离室平板电极的作用下产生电离电流。如果有烟雾颗粒进入电离室，那么颗粒物会吸附离子并阻碍α射线的电离能力，从而减小电离电流。探测器即通过监测电离电流的变化而达到预警火灾的自的离子感畑探测器能够均衡地响应不同颜色的火灾烟雾，能够稳定响应火灾早期的小粒子。但离子感烟探测器电离电流太弱,这对电路、结构和工艺提出了较高的要求，生产工艺复杂；其次，离子感烟探测器易受湿度、空气流速等因素的影响，误报率、漏报率较高；最重要的是，由于采用了放射源，离子感烟探测器在报废后需要专业处理，且对环境会造成污染。因此，离子感烟探测器逐渐淡出市场，被光电感烟探测器所取代。 1、离子感烟火灾探测器：离子感烟火灾探测器是通过检测放射性元素241镅(241 Am)构成的电离室的电压变化来感知烟雾浓度的装置。如图2所示,241镅(241 Am)不断放射出α射线,α离子高速运动撞击空气分子,从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子(电子),这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性,从而形成电离室。如果在极板间加上一个电压E,极板间原来做杂乱无章运动的正负离子,此时在电场的作用下,正离子向负极运动,负离子向正极运动,形成电离电流。当有火灾发生时,烟雾粒子进入检测电离室后,被电离的部分正离子和负离子吸附到烟雾离子上去。因此离子在电场中运动速度比原来降低,而且在运动过程中正离子和负离子互相中和的几率增加,使得能够到达电极的有效离子数更少;另外由于烟雾粒子的作用,α射线被阻挡,电离能力降低了很多,电离室内产生的正负离子数就少,从而使得电离电流减少。 图2 电离室示意图 离子感烟火灾探测器按电离室可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被α射线所照射,电离室内的空气都被电离,这种电离室称为双极性电离室。所谓单极性电离室,是指电离室局部被α射线所照射,使一部分形成电离区,而未被α射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。实际使用的离子感烟探测器都采用两个单极性电离室串联的形式,一个作为检测电离室,另一个作为补偿电离室,这样可以减少环境温度、湿度、气压等自然条件变化对电离电流的影响,提高探测器的环境适应能力和稳定性。离子感烟探测器采用的是传统的接触式烟雾探测方法,从理论上分析,离子感烟探测器对灰烟、黑烟以及各种粒径大小的烟具有较平衡的探测性能,只存在响应行为的数值差异。其中对有焰火产生的小颗粒烟粒子敏感,对于粒径较大的阴燃烟雾粒子,响应灵敏度则偏低,尤其是安装高度的限制,粒径大于1μm的烟雾粒子由于自身重力作用下沉,不易到达探测器引起响应。离子感烟探测器生产成本较低,但由于电离室的设计中采用了放射性元素,其生产、储运和报废的过程有污染环境的危险。离子感烟探测器的滤网对于灰尘、飞虫等有隔离作用,但探测器本身极易受湿度、风速等环境干扰,故而通常都要避免在相对湿度高于95%的环境下使用,再者就是要安装防风罩以减少风速对探测器探测性能的影响。 2、光电感烟探测器：光电感烟火灾探测器按其动作原理的不同,即烟雾粒子对光路遮挡和对光散射原理,可以分为减光型和散光型两种。减光式光电感烟火灾探测器的检测室内装有发光元件及受光元件。在正常情况下,受光元件接受到发光元件发出的一定光量;而在火灾时,探测器的检测室内进入了大量烟雾,发光元件的发射光受到烟雾的遮挡,因而使受光元件接受的光线减少,光电流降低,探测器发出报警信号。原理示意图如图3所示。现在这种形式的探测器应用较少。 图3 减光型光电感烟探测器原理图 目前世界各国生产的点型光电感烟火灾探测器多为散射型光电感烟探测器。此种探测器的检测室内亦装有发光元件和受光元件。在正常情况下,受光元件是接受不到发光元件发出的光的,因此不产生光电流。在火灾发生时,当烟雾进入探测器的检测室时,由于烟雾离子的作用,使发光元件发射的光产生漫射,这种漫射光被受光元件所接受,使受光元件阻抗发生变化,产生光电流。从而实现了将烟雾信号转变成电信号的功能,探测器发出报警信号。原理示意图如图4所示。 图4 散射型光电感烟探测器原理图 火灾探测器的使用限制 每种火灾探测器都有其使用范围，选用合适的火灾探测器可以提高火灾预报的质量，反之将起不到火灾探测器应有的作用。如感温火灾探测器非常适用于一些产生大量的热量而无烟或产生少量烟气火灾的场所，而不适宜可能产生阴燃火或火灾报警不及时将造成重大损失的场所，因为其探测方式决定了其报警时火灾可能已达到发展阶段。 离子感烟和光电感烟火灾探测器由于自身的特点和使用环境,现在哪一个也无法完全取代对方。离子感烟探测器对各种明火烟雾检测效果较好,对阴燃烟雾也能检测,但易受探测环境的影响,误报率较高。同时,由于使用了放射源镅,易对环境造成污染。光电感烟探测器是利用红外光散射的原理来进行烟雾浓度的探测,对环境不存在污染问题,对阴燃火烟雾的探测性能明显优于离子探测器,但对某些黑烟探测效果较差,这也是光电探测器没有完全取代离子感烟探测器的原因之一。 在探测区域内,周围环境因生产作业造成的正常情况下,有大量粉尘、水雾、烟或其它气溶胶存在(例如水泥厂、农药厂、面粉厂、染织厂的烘干车间等),可能引起烟感探测器误报,此种场合不宜选用烟感探测器。在存在高频电磁波干扰的场合不适合使用光电感烟探测器。