2[1].1火災探測器分類,2.2感煙探測器

1、1 火災探測與控制工程 中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室 2005.7.28 2 第二章 火災探測器及其應用 注意參考趙英然書p166 3 主要內(nèi)容 o2.1火災探測器分類 o2.2感煙探測器 o2.3感溫探測器 o2.4火焰探測器 o2.5氣體傳感器 o2.6探測器的性能指標及工程應用 (參考陳南書p24） 4 o2.1 火災探測器分類 5 火災探測器分類 o 火災探測器的工作實質(zhì)是將火災中出現(xiàn)的質(zhì)量 流（可燃氣體、燃燒氣體、煙顆粒、氣溶膠） 和能量流（火焰光、燃燒音）等物理現(xiàn)象的特 征信號，利用傳感元件進行響應，并將其轉換 為另一種易于處理的物理量； o 根據(jù)對火災不同的響應信號特

2、征，可以將這些 火災探測器分為：氣敏型、感溫型、感煙型、 感光型和感聲型五大類型； o 根據(jù)保護面積和范圍分為點型和線型兩類； o 根據(jù)智能程度分為開關量,模擬量(類比式)和智 能化探測器. 6 火災探測器分類 7 火災探測器分類 感煙 式火 災探 測器 點型 線型 離子感煙 火災探測器 光電感煙 火災探測器 雙源式離子感煙火災探測器 單源式離子感煙火災探測器 減光式光電感煙火災探測器 散射式光電感煙火災探測器 激光感煙火災探測器 分離式紅外光束感煙火災探測器 8 火災探測器分類 可燃氣體 火災探測器 氣敏半導體可燃氣體探測器 催化燃燒型可燃氣體探測器 (有分鉑絲催化型和載體催化型兩種) 光電

3、式可燃氣體探測器 固定電介質(zhì)可燃氣體探測器 復合式火 災探測器 復合式感溫感煙火災探測器 復合式感溫感光火災探測器 復合式感溫感煙感光火災探測器 分離式紅外光束感溫感光火災探測器 感光式火 災探測器 紫外火災探測器 紅外火災探測器 圖象型火災探測系統(tǒng) 9 火災探測器分類 易熔合金定溫火災探測器 玻璃球膨脹型定溫火災探測器 雙金屬定溫火災探測器 水銀接點定溫火災探測器 熱電偶式定溫火災探測器 金屬薄片式定溫火災探測器 半導體定溫火災探測器 熱敏電阻定溫火災探測器 金屬模盒式差定溫火災探測器 雙金屬動圈式差定溫火災探測器 半導體差定溫火災探測器 熱敏電阻差定溫火災探測器 感溫式火災探測器感溫式火災

4、探測器 點型線性 (分布式) 定溫式 差溫式差定溫式 雙金屬差溫火災探測器 金屬模盒式差溫火災探測器 半導體差溫火災探測器 熱敏電阻差溫火災探測器 差溫式定溫式 可熔絕緣物線性定溫火災探測器 半導體線性定溫火災探測器 空氣管線性差溫火災探測器 熱電偶線性差溫火災探測器 膜盒式差定溫火災探測器 雙金屬差定溫火災探測器 熱敏電阻差定溫火災探測器 半導體差定溫火災探測器 差定溫式 10 o2.2 感煙探測器 n 火災煙霧屬性特征 n 感煙探測的基本原理 n 離子感煙探測器 n 光電感煙探測器 n 感煙探測器性能及選用原則 11 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 n 煙霧（煙氣）定義 n 煙霧顆粒的分

5、形凝并現(xiàn)象 n 煙霧顆粒平均尺寸 n 煙霧顆粒尺度分布 12 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 火災煙霧(煙氣)定義 n 燃燒產(chǎn)生的由多相物質(zhì)組成的氣溶膠(aerosol)， 通常包括可燃物熱解或燃燒產(chǎn)生的氣相燃燒產(chǎn)物、 卷吸進去的大量空氣、未完全燃燒的液、固相分 解物和微小顆粒。熱災害實驗診斷方法 n smoke. the airborne solid and liquid particulates and gases evolved when a material undergoes pyrolysis or combustion, together with the quantity o

6、f air that is entrained otherwise mixed into the mass.（nfpa 92b 2000edition) 13 感煙探測器 o 火災煙霧的屬性特征 n 煙顆粒是指人的肉眼可見的燃燒生成物，其粒 子直徑為0.0110m液體或固體微粒。煙霧 具有很大的流動性，它能潛入建筑物的任何空 間。煙霧具有毒性，它對人的生命具有特別大 的威脅。火災中約有70%的死者是由于燃燒氣 體或煙霧窒息造成的。 n 絕大多數(shù)物質(zhì)在燃燒的開始階段，首先產(chǎn)生煙 霧，因此要實現(xiàn)早期發(fā)現(xiàn)火災，減少火災損失， 在通常情況下利用感煙式火災探測器會有良好 效果。這種探測器可探測70%以上

7、的火災。感 煙火災探測器是目前世界上應用最普遍、數(shù)量 最多的探測器。 14 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 15 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象(fractal coagulation) 距離為每個粒子到凝團中心 i n i ig rr n r, 1 1 2 16 o 火災煙霧的屬性特征 n 煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象 感煙探測器 lnlnln(/) ffgp nkdrd 0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 lnn ln(rg/dp) df=1.17 kf=8.89 17 感煙探測

8、器 o火災煙霧的屬性特征 n 煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象 o 利用掃描電鏡或透射電鏡或原子力學顯微鏡等顯微 裝置觀察了燃燒煙霧中碳黑凝并產(chǎn)生的分形外貌， 通過對煙霧圖像進行分析處理，得到不同燃料燃燒 時煙霧碳黑的分形維數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，大多不同燃料 燃燒煙霧碳黑分形維數(shù)與燃料類型無關,趨于一致， 一般取1.8-2。 o 火災煙霧顆粒均由粒徑大約為30nm的均勻微小顆 粒聚合而成，呈鏈狀結構，具有明顯的分形特征， 聚合體平均直徑為1m； o 粉塵顆粒沒有規(guī)則的顆粒組成及粒徑分布特征，不 存在鏈狀分形結構，顆粒明顯較大，一般在10m 以上。 18 感煙探測器 平均直徑即用一個假想的尺寸均一的粒子群來代替

9、原來的實際的粒子群，而保持原來粒子群的某個特 征量不變。 最常用的有索太爾平均直徑、體積平均直徑和質(zhì)量 中間直徑 ddddd d d i d d i max 0 max 0 23 32 / o火災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒平均尺寸 索太爾平均直徑索太爾平均直徑d d32 32:保持總體積和 總表面積的比值不變 體積平均直徑體積平均直徑d d30 30:總體積和粒子總 數(shù)不變 質(zhì)量中間直徑質(zhì)量中間直徑d d43 43:在該直徑以上或 以下，粒子的累積質(zhì)量百分數(shù)相等 (即各占50) 19 感煙探測器 部分燃燒物不同燃燒狀況索太爾直徑 o火災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒平均尺寸 20 感煙探測器 o火

10、災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒尺度分布 p煙霧顆粒的尺寸分布是煙霧的基本特性參數(shù) 之一，火災煙霧的絕大部分粒子分布在0.01 1um,表示尺寸分布的最基本的方法，是求出某 一尺寸帶中粒子所占的質(zhì)量(或體積、表面積、 粒子數(shù)目)百分數(shù)。這樣的數(shù)稱為顆粒尺度分 布、或頻率分布或頻譜分布； p目前應用廣泛的粒子尺寸分布有羅辛-拉姆 勒(rosin-rammler)分布和上限對數(shù)正態(tài)分布, 其他還有正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布等。 21 感煙探測器 o 火災煙霧的屬性特征 n 煙霧顆粒尺度分布(r-r分布） 22 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒尺度分布(r-r分布） 相同不同k的r-r分布函數(shù)體

11、積頻度分布曲線 23 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒尺度分布(正態(tài)分布） 24 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 n 煙霧顆粒尺度分布(對數(shù)正態(tài)分布） 25 感煙探測器 o火災煙霧的屬性特征 n煙霧顆粒尺度分布（上限對數(shù)正態(tài)分布） 26 感煙探測器 o感煙探測的基本原理 n 對離子有俘獲和阻擋作用（離子型） n 對光線具有散射和吸收效應（光電散 射型、光電吸收型） n 微粒本身具有一定熱容量，使其在流 動過程中可保持相當?shù)臏囟?n 在高溫作用下，微粒本身帶有靜電荷 27 感煙探測器 o離子感煙探測器（王殊書） n 離子感煙探測器基本原理 n 離子感煙探測器結構 n 離子感煙探測器

12、電路 28 感煙探測器 o 離子感煙探測器（王殊書） n 離子感煙探測器基本原理 iii ii i 0 u is i 工作原理圖（雙極電離室） 工作曲線圖（工作在i區(qū)） 在離子感煙火災探測器中，利用同位素放射源，使電離室內(nèi)的空氣 產(chǎn)生電離，使電離室在電子電路中呈現(xiàn)電阻特性； 當煙霧進入電離室后，改變了空氣電離的離子數(shù)量，離子被煙霧粒 子俘獲，電離電流減小，極間阻值增大； i稱歐姆定律區(qū),ii稱中間 區(qū),iii稱飽和電流區(qū) 29 感煙探測器 單極電離室 雙源雙室離子探測器 單極電離室:相比雙極電離室,空間初始離子少,阻抗大,煙霧進入后, 引起電流變化大,探測更加靈敏; 實際探測器由兩個單極電離室

13、串聯(lián)而成,補償室阻止煙霧進入,檢測 室容許煙霧進入,從而補償因環(huán)境因素引起的變化. o離子感煙探測器 n離子感煙探測器基本原理 30 感煙探測器 當無煙霧進入,僅環(huán)境變化時,整個電路電流值下降,但兩個電離室電阻特 性曲線同時變化, 兩個電離室電壓變化差為v=0; 當有煙霧進入檢測室后，整個電路電離電流從正常的i1減少到i1，補 償室電阻不變,而檢測室阻抗增加，此時，檢測室兩端電壓從v2增加到 v2。增加電壓值：v= v2-v10; 當v增加到一定值時，發(fā)出報警 信號. o離子感煙探測器 n離子感煙探測器基本原理 31 感煙探測器 o離子感煙探測器 n 離子感煙探測器基本原理 由霍澤曼方程有 y

14、為電流相對強度,z為煙濃度,d為煙顆 粒平均直徑為電離室常數(shù); 同時,電流強度等于電離電流相對變化 值和電離室阻抗相對變化值之和。 00 r r i idz y 32 感煙探測器 o 離子感煙探測器 n 離子感煙探測器結構 33 感煙探測器 o離子感煙探測器 n 離子感煙探測器電路 由檢測電離室和補償電離室、信號放大回路、開關 轉換電路、火災模擬檢查回路、故障自動檢測回 路、確認燈回路等組成。 34 感煙探測器 o 離子感煙探測器 n離子感煙探測器電路 信號放大回路是在檢測電離室進入煙霧以后，電壓信號達到規(guī)定值以上時開 始動作，通過高輸入阻抗的mos型場效應型晶體管(fet)作為阻抗耦合后進

15、行放大; 開關轉換電路是用經(jīng)過放大后的信號觸發(fā)正反饋開關電路，將火災信號傳輸 給報警控制器。正反饋開關電路一經(jīng)觸發(fā)導通，就能自保持，起到記憶的作 用; 為了防止探測器至報警器間發(fā)生電路斷線，或者探測器安裝接觸不良，探測 器被取走等問題發(fā)生，故障自動檢測回路能夠及時發(fā)出故障報警信號，以便 及時進行檢查維修; 為了檢查電子元器件是否損壞，可以通過火災模擬檢查回路加入火災模擬信 號，若有問題可以及時維修。確認燈點亮表明探測器動作，以便在現(xiàn)場判定 已報警的探測器。為了在確認燈損壞時不影響探測器的正常工作，在確認燈 的二端并聯(lián)一電阻。 35 感煙探測器 o光電感煙探測器 n預備知識(電磁波譜) n光電感

16、煙探測器原理 n點型光電感煙探測器 n線型光電感煙探測器 36 感煙探測器 o光電感煙探測器 n 電磁波譜 37 感煙探測器 o 光電感煙探測器 n 光電感煙探測器原理 o 煙霧顆粒是多譜的,粒徑變化范圍0.01-1um; o 煙霧與光相互作用,發(fā)生兩種衰減過程:散射和 吸收. 散射:粒子以同樣的波長再輻射已接收的光能, 再輻射可在所有的方向上發(fā)生,但通常在不同方 向上強度不同; 吸收:將接收的光能轉變成其它形式的能,如化 學能,熱能或不同波長的光能. p 在可見光和近紅外光(0.35-1um)范圍,黑煙光衰 減以吸收為主;對于一般固體火災白煙或灰煙, 吸收和散射對光衰減均有影響. 38 感煙

17、探測器 o光電感煙探測器 n 光電感煙探測器原理(單粒子散射) ),( 4 22 2 f r i i p w ip iw散射光強 散射效率因子 g s s ddf k )/2( sin),( 2 減光效率因子 )()(吸收散射 xsj kkk 39 感煙探測器 o光電感煙探測器 n 光電感煙探測器原理(單粒子散射) o 根據(jù)煙顆粒與入射波長相對大小 布里卡爾散射區(qū)大粒徑 散射區(qū)中等粒徑 瑞利散射區(qū)小粒徑 :4, :41 . 0 , :1 . 0, p p p d mied d 煙霧顆粒粒徑為0.01-1um,入射波長如 為紅外0.75um,為小粒徑或中等粒徑， 服從瑞利散射或米氏散射. 40

18、感煙探測器 o光電感煙探測器 n光電感煙探測器原理(單粒子散射) 41 感煙探測器 o光電感煙探測器 n 光電感煙探測器原理(單粒子rayleigh散射) n 忽略折射率隨波長變化情況下，散射強度 正比與dp6/4； n 散射圖在前向和后向是對稱的，而且具有 最大值。 2 2 2 2 2 2 4 ) 2 1 im(4 ) 2 1 re( 3 8 r r rx r r rs irr m m dk m m dk immm 吸收效率 散射效率 復折射率 p r d d 42 感煙探測器 o光電感煙探測器 n 光電感煙探測器原理(單粒子mie散射) o 當入射光是平面偏振光時，散射光強為： 2 22

19、120 22 ( sincos) 4 s iiii r 43 感煙探測器 o光電感煙探測器 n光電感煙探測器原理(單粒子mie散射) n散射效率和減光效率是粒徑尺寸參數(shù)和折射率mr的函 數(shù); n粒子散射強度出現(xiàn)不對稱性,隨粒徑增大,前向散射增強, 很多散射原理探測器即采用較小的散射角. 44 感煙探測器 o光電感煙探測器 n 光電感煙探測器原理(單粒子幾何光學散射) o 前向散射強度極強,且在更多角度上呈極大極小值; o 在距離一個孤立的大粒子很遠處觀測該粒子造成的散 射，散射效率近似等于2，而在距離大粒子很近處該 粒子的散射效率因子為1。 o 在大粒子幾何橫截面確定的面積內(nèi)通過的光，一部分

20、被粒子表面所反射，一部分被折射。入射粒子的光線 經(jīng)過若干次內(nèi)反射和折射后，一部分重新射出，一部 分被吸收。散射能量和吸收能量等于被粒子橫截面所 截獲的能量，因此粒子的散射效率因子為1(近距離觀 察)。 o 在距離粒子遠處觀察結果就不同。由于衍射，光在粒 子的陰影區(qū)出現(xiàn)，此能量等于粒子橫截面截獲的光束 能量，所以粒子的散射效率因子為2 45 感煙探測器 o 光電感煙探測器 n 點型 減 光 型 散 射 型 46 感煙探測器 o 光電感煙探測器 n 點型 散射角及其類型 散射角：出射光線與散射光線 之間的夾角 47 感煙探測器 o光電感煙探測器 n點型 散射型 前向散射型 后向散射型 48 感煙探

21、測器 o光電感煙探測器（點型） n發(fā)射元件一般為砷化鎵gaas,砷鋁化鎵gaalas等材料制 成,接收元件主要是硅光敏二極管. 49 感煙探測器 臥式探測室 (a)發(fā)射與接收單元相對位置 (b)整體結構情況 o光電感煙探測器（點型） 50 感煙探測器 立式探測室 (a)發(fā)射與接收單元相對位置 (b)整體結構情況 o光電感煙探測器（點型） 51 感煙探測器 o 光電感煙探測器（點型） n 散射角選取原則 （1）對給定粒譜的氣溶膠有盡量大的散射強度； （2）散射強度在給定粒譜范圍內(nèi)要盡量均衡； （3）探測結構允許。 設計經(jīng)驗： （1）為45度時,可得到對粒譜特性敏感度較低且散射 強度較高;當角度過

22、小時,在結構上難以阻隔入射方 向光進入接收元件; （2）為83度或更大時,對黑煙有較高的散射強度; （3）大于90度時,接收元件容易收到光學暗室內(nèi)壁反 射回來的光，設計上可以利用光學陷阱。 52 感煙探測器 o光電感煙探測器（線型） n 光電感煙探測器原理(多譜氣溶膠粒子群散射) 53 感煙探測器 o光電感煙探測器（線型） n 光電感煙探測器原理(多譜氣溶膠粒子群散射) 減光效率因子是個無量綱量， 按mie 散射理論計算 ),( 32 dmqex km為比消光系數(shù),取決于入射光波 長,粒子粒徑及密度,折射率 ms為煙霧質(zhì)量濃度,g/m3 一般材料和塑料明火 km=7.6m2/g 熱解時煙霧 k

23、m=4.4m2/g 54 感煙探測器 o光電感煙探測器 n線型 u保護面積大，通常用于大廳、倉庫等場合； u接收單元與發(fā)射單元距離在1-200m，減光率達到10%-70% 時，接收單元發(fā)出火災信號； u在使用紅外光束時，視場角為0.005rad，而使用激光光束 時，視場角可以減小。 2 55 感煙探測器 o光電感煙探測器 n線型 56 感煙探測器 o 光電感煙探測器（線型） n 發(fā)射單元為紅外發(fā)光二極管,光源電路為脈沖 狀態(tài),頻率在1-50hz,在此范圍內(nèi),可抑制低 頻干擾信號,也可降低電源功耗.光線經(jīng)透鏡 匯聚成平行光束; n 接收單元光敏器件多為硅光敏二極管,接收單 元透鏡將平行光束聚焦在

24、光敏器件的光敏面 上. 57 感煙探測器 o 火災探測器性能指標參數(shù) n 響應閾值:火災探測器動作的最小參數(shù)值. n 感煙靈敏度:感煙探測器響應煙粒子數(shù)濃 度(1/cm3)的相對敏感程度 n 可靠性:適當條件下,火災探測器長期不間 斷運行期間隨時執(zhí)行其預定功能的能力 n 穩(wěn)定性:一個預定的周期時間內(nèi),以不變的 靈敏度重復感受火災的能力 n 維修性:對可以維修的探測器產(chǎn)品進行修 復難易程度或性質(zhì). 58 感煙探測器 o火災探測器性能指標參數(shù) n 點型光電感煙探測器響應閾值 減光系數(shù)m(db/m), n 點型離子感煙探測器響應閾值 煙粒子對電離室電離作用參數(shù), n 靈敏度確定 采用4種標準火和光學

25、煙密度計和離子 煙濃度計進行測量標定,確定 i i d m 0 log 10 00 r r i idz y 59 感煙探測器 o 感煙探測器響應煙的性能 n響應值為探測器的輸出電 壓減去背景噪聲電壓再除 以粒子數(shù)濃度,v.cm3 n0.050.15m粒徑范圍煙 粒足以引起離子感煙探測 器響應，但光電感煙探測 器不響應或響應小。 n粒徑小于0.3m,離子感煙 探測器有較大響應值，粒 徑大于0.3m條件下光電 探測器有較大響應 離子、光電探測器響應值與粒徑之間關系 60 感煙探測器 o 感煙探測器響應煙的性能 對不同類型煙的響應靈敏度 三種類型探測器在相同質(zhì)量濃度條件下，相對靈 敏度與粒徑的關系（

26、曲線在0.4m處相交） a、散射光型探測器 b、減光型探測器 c、離子感煙探測器 61 感煙探測器 散射光型和離子感煙探測器在質(zhì)量濃度相同 條件下,響應靈敏度與煙類型的定性關系 62 感煙探測器 o兩種探測器優(yōu)缺點比較 n 離子探測器 (1)離子感煙探測器對小粒子響應靈敏度高,光電感煙探 測器對大粒子響應靈敏度高; (2)離子感煙探測器，隨著煙的色帶由可見煙到不可見 煙的變化，相對響應靈敏度增加得很小，即離子感煙探 測器響應靈敏度與煙的顏色近似無關； (3)離子探測器優(yōu)點是靈敏度高,缺點是易受環(huán)境干擾, 且存在放射性污染; n 光電探測器 (1)散射光型探測器對灰色的可見煙具有較高的響應靈 敏度，由于黑煙對光的吸收作用而對其響應較遲鈍; (2)光電探測器優(yōu)點是不存在污染,缺點是對小粒子響應 小. 63 感煙探測器 o 感煙探測器性能檢驗 n 感煙探測器的性能檢驗要依據(jù)正確、合理的國 家標準進行。探測器產(chǎn)品技術性能要求和試驗 方法的國家標準是保證探測器性能一致、長期 工作