火灾探测器.ppt

1 火灾探测与控制工程 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室2005 7 28 2 第二章火灾探测器及其应用注意参考赵英然书P166 3 主要内容 2 1火灾探测器分类2 2感烟探测器2 3感温探测器2 4火焰探测器2 5气体传感器2 6探测器的性能指标及工程应用 参考陈南书P24 4 2 1火灾探测器分类 5 火灾探测器分类 火灾探测器的工作实质是将火灾中出现的质量流 可燃气体 燃烧气体 烟颗粒 气溶胶 和能量流 火焰光 燃烧音 等物理现象的特征信号 利用传感元件进行响应 并将其转换为另一种易于处理的物理量 根据对火灾不同的响应信号特征 可以将这些火灾探测器分为 气敏型 感温型 感烟型 感光型和感声型五大类型 根据保护面积和范围分为点型和线型两类 根据智能程度分为开关量 模拟量 类比式 和智能化探测器 6 火灾探测器分类 7 火灾探测器分类 8 火灾探测器分类 9 火灾探测器分类 易熔合金定温火灾探测器玻璃球膨胀型定温火灾探测器双金属定温火灾探测器水银接点定温火灾探测器热电偶式定温火灾探测器金属薄片式定温火灾探测器半导体定温火灾探测器热敏电阻定温火灾探测器 金属模盒式差定温火灾探测器双金属动圈式差定温火灾探测器半导体差定温火灾探测器热敏电阻差定温火灾探测器 感温式火灾探测器 点型 线性 分布式 定温式 差温式 差定温式 双金属差温火灾探测器金属模盒式差温火灾探测器半导体差温火灾探测器热敏电阻差温火灾探测器 差温式 定温式 可熔绝缘物线性定温火灾探测器 半导体线性定温火灾探测器 空气管线性差温火灾探测器 热电偶线性差温火灾探测器 膜盒式差定温火灾探测器 双金属差定温火灾探测器 热敏电阻差定温火灾探测器 半导体差定温火灾探测器 差定温式 10 2 2感烟探测器火灾烟雾属性特征感烟探测的基本原理离子感烟探测器光电感烟探测器感烟探测器性能及选用原则 11 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾 烟气 定义烟雾颗粒的分形凝并现象烟雾颗粒平均尺寸烟雾颗粒尺度分布 12 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征火灾烟雾 烟气 定义燃烧产生的由多相物质组成的气溶胶 aerosol 通常包括可燃物热解或燃烧产生的气相燃烧产物 卷吸进去的大量空气 未完全燃烧的液 固相分解物和微小颗粒 热灾害实验诊断方法 Smoke Theairbornesolidandliquidparticulatesandgasesevolvedwhenamaterialundergoespyrolysisorcombustion togetherwiththequantityofairthatisentrainedotherwisemixedintothemass NFPA92B2000Edition 13 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟颗粒是指人的肉眼可见的燃烧生成物 其粒子直径为0 01 10 m液体或固体微粒 烟雾具有很大的流动性 它能潜入建筑物的任何空间 烟雾具有毒性 它对人的生命具有特别大的威胁 火灾中约有70 的死者是由于燃烧气体或烟雾窒息造成的 绝大多数物质在燃烧的开始阶段 首先产生烟雾 因此要实现早期发现火灾 减少火灾损失 在通常情况下利用感烟式火灾探测器会有良好效果 这种探测器可探测70 以上的火灾 感烟火灾探测器是目前世界上应用最普遍 数量最多的探测器 14 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征 15 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒的分形凝并现象 Fractalcoagulation 16 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒的分形凝并现象 感烟探测器 17 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒的分形凝并现象利用扫描电镜或透射电镜或原子力学显微镜等显微装置观察了燃烧烟雾中碳黑凝并产生的分形外貌 通过对烟雾图像进行分析处理 得到不同燃料燃烧时烟雾碳黑的分形维数 研究发现 大多不同燃料燃烧烟雾碳黑分形维数与燃料类型无关 趋于一致 一般取1 8 2 火灾烟雾颗粒均由粒径大约为30nm的均匀微小颗粒聚合而成 呈链状结构 具有明显的分形特征 聚合体平均直径为1 m 粉尘颗粒没有规则的颗粒组成及粒径分布特征 不存在链状分形结构 颗粒明显较大 一般在10 m以上 18 感烟探测器 平均直径即用一个假想的尺寸均一的粒子群来代替原来的实际的粒子群 而保持原来粒子群的某个特征量不变 最常用的有索太尔平均直径 体积平均直径和质量中间直径 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒平均尺寸 索太尔平均直径D32 保持总体积和总表面积的比值不变体积平均直径D30 总体积和粒子总数不变质量中间直径D43 在该直径以上或以下 粒子的累积质量百分数相等 即各占50 19 感烟探测器 部分燃烧物不同燃烧状况索太尔直径 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒平均尺寸 20 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒尺度分布烟雾颗粒的尺寸分布是烟雾的基本特性参数之一 火灾烟雾的绝大部分粒子分布在0 01 1um 表示尺寸分布的最基本的方法 是求出某一尺寸带中粒子所占的质量 或体积 表面积 粒子数目 百分数 这样的数称为颗粒尺度分布 或频率分布或频谱分布 目前应用广泛的粒子尺寸分布有罗辛 拉姆勒 Rosin Rammler 分布和上限对数正态分布 其他还有正态分布和对数正态分布等 21 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒尺度分布 R R分布 22 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒尺度分布 R R分布 相同不同k的R R分布函数体积频度分布曲线 23 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒尺度分布 正态分布 24 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒尺度分布 对数正态分布 25 感烟探测器 火灾烟雾的属性特征烟雾颗粒尺度分布 上限对数正态分布 26 感烟探测器 感烟探测的基本原理对离子有俘获和阻挡作用 离子型 对光线具有散射和吸收效应 光电散射型 光电吸收型 微粒本身具有一定热容量 使其在流动过程中可保持相当的温度在高温作用下 微粒本身带有静电荷 27 感烟探测器 离子感烟探测器 王殊书 离子感烟探测器基本原理离子感烟探测器结构离子感烟探测器电路 28 感烟探测器 离子感烟探测器 王殊书 离子感烟探测器基本原理 I称欧姆定律区 II称中间区 III称饱和电流区 29 感烟探测器 单极电离室双源双室离子探测器 单极电离室 相比双极电离室 空间初始离子少 阻抗大 烟雾进入后 引起电流变化大 探测更加灵敏 实际探测器由两个单极电离室串联而成 补偿室阻止烟雾进入 检测室容许烟雾进入 从而补偿因环境因素引起的变化 离子感烟探测器离子感烟探测器基本原理 30 感烟探测器 当无烟雾进入 仅环境变化时 整个电路电流值下降 但两个电离室电阻特性曲线同时变化 两个电离室电压变化差为 V 0 当有烟雾进入检测室后 整个电路电离电流从正常的I1减少到I 1 补偿室电阻不变 而检测室阻抗增加 此时 检测室两端电压从V2增加到V 2 增加电压值 V V 2 V 1 0 当 V增加到一定值时 发出报警信号 离子感烟探测器离子感烟探测器基本原理 31 感烟探测器 离子感烟探测器离子感烟探测器基本原理由霍泽曼方程有y为电流相对强度 z为烟浓度 d为烟颗粒平均直径 为电离室常数 同时 电流强度等于电离电流相对变化值和电离室阻抗相对变化值之和 32 感烟探测器 离子感烟探测器离子感烟探测器结构 33 感烟探测器 离子感烟探测器离子感烟探测器电路 由检测电离室和补偿电离室 信号放大回路 开关转换电路 火灾模拟检查回路 故障自动检测回路 确认灯回路等组成 34 感烟探测器 离子感烟探测器离子感烟探测器电路信号放大回路是在检测电离室进入烟雾以后 电压信号达到规定值以上时开始动作 通过高输入阻抗的MOS型场效应型晶体管 FET 作为阻抗耦合后进行放大 开关转换电路是用经过放大后的信号触发正反馈开关电路 将火灾信号传输给报警控制器 正反馈开关电路一经触发导通 就能自保持 起到记忆的作用 为了防止探测器至报警器间发生电路断线 或者探测器安装接触不良 探测器被取走等问题发生 故障自动检测回路能够及时发出故障报警信号 以便及时进行检查维修 为了检查电子元器件是否损坏 可以通过火灾模拟检查回路加入火灾模拟信号 若有问题可以及时维修 确认灯点亮表明探测器动作 以便在现场判定已报警的探测器 为了在确认灯损坏时不影响探测器的正常工作 在确认灯的二端并联一电阻 35 感烟探测器 光电感烟探测器预备知识 电磁波谱 光电感烟探测器原理点型光电感烟探测器线型光电感烟探测器 36 感烟探测器 光电感烟探测器电磁波谱 37 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理烟雾颗粒是多谱的 粒径变化范围0 01 1um 烟雾与光相互作用 发生两种衰减过程 散射和吸收 散射 粒子以同样的波长再辐射已接收的光能 再辐射可在所有的方向上发生 但通常在不同方向上强度不同 吸收 将接收的光能转变成其它形式的能 如化学能 热能或不同波长的光能 在可见光和近红外光 0 35 1um 范围 黑烟光衰减以吸收为主 对于一般固体火灾白烟或灰烟 吸收和散射对光衰减均有影响 38 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子散射 Ip Iw 散射光强 散射效率因子 减光效率因子 39 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子散射 根据烟颗粒与入射波长相对大小 烟雾颗粒粒径为0 01 1um 入射波长如为红外0 75um 为小粒径或中等粒径 服从瑞利散射或米氏散射 40 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子散射 41 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子Rayleigh散射 忽略折射率随波长变化情况下 散射强度正比与dp6 4 散射图在前向和后向是对称的 而且具有最大值 42 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子Mie散射 当入射光是平面偏振光时 散射光强为 43 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子Mie散射 散射效率和减光效率是粒径尺寸参数 和折射率mr的函数 粒子散射强度出现不对称性 随粒径增大 前向散射增强 很多散射原理探测器即采用较小的 散射角 44 感烟探测器 光电感烟探测器光电感烟探测器原理 单粒子几何光学散射 前向散射强度极强 且在更多角度上呈极大极小值 在距离一个孤立的大粒子很远处观测该粒子造成的散射 散射效率近似等于2 而在距离大粒子很近处该粒子的散射效率因子为1 在大粒子几何横截面确定的面积内通过的光 一部分被粒子表面所反射 一部分被折射 入射粒子的光线经过若干次内反射和折射后 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横截面所截获的能量 因此粒子的散射效率因子为1 近距离观察 在距离粒子远处观察结果就不同 由于衍射 光在粒子的阴影区出现 此能量等于粒子横截面截获的光束能量 所以粒子的散射效率因子为2 45 感烟探测器 光电感烟探测器点型 减光型 散射型 46 感烟探测器 光电感烟探测器点型 散射角及其类型 散射角 出射光线与散射光线之间的夹角 47 感烟探测器 光电感烟探测器点型散射型 前向散射型 后向散射型 48 感烟探测器 光电感烟探测器 点型 发射元件一般为砷化镓GaAs 砷铝化镓GaAlAs等材料制成 接收元件主要是硅光敏二极管 49 感烟探测器 卧式探测室 a 发射与接收单元相对位置 b 整体结构情况 光电感烟探测器 点型 50 感烟探测器 立式探测室 a 发射与接收单元相对位置 b 整体结构情况 光电感烟探测器 点型 51 感烟探测器 光电感烟探测器 点型 散射角选取原则 1 对给定粒谱的气溶胶有尽量大的散射强度 2 散射强度在给定粒谱范围内要尽量均衡 3 探测结构允许 设计经验 1 为45度时 可得到对粒谱特性敏感度较低且散射强度较高 当角度过小时 在结构上难以阻隔入射方向光进入接收元件 2 为83度或更大时 对黑烟有较高的散射强度 3 大于90度时 接收元件容易收到光学暗室内壁反射回来的光 设计上可以利用光学陷阱 52 感烟探测器 光电感烟探测器 线型 光电感烟探测器原理 多谱气溶胶粒子群散射 53 感烟探测器 光电感烟探测器 线型 光电感烟探测器原理 多谱气溶胶粒子群散射 减光效率因子是个无量纲量 按Mie散射理论计算 Km为比消光系数 取决于入射光波长 粒子粒径及密度 折射率Ms为烟雾质量浓度 g m3一般材料和塑料明火Km 7 6m2 g热解时烟雾Km 4 4m2 g 54 感烟探测器 光电感烟探测器线型 保护面积大 通常用于大厅 仓库等场合 接收单元与发射单元距离在1 200m 减光率达到10 70 时 接收单元发出火灾信号 在使用红外光束时 视场角为0 005rad 而使用激光光束时 视场角可以减小 55 感烟探测器 光电感烟探测器线型 56 感烟探测器 光电感烟探测器 线型 发射单元为红外发光二极管 光源电路为脉冲状态 频率在1 50Hz 在此范围内 可抑制低频干扰信号 也可降低电源功耗 光线经透镜汇聚成平行光束 接收单元光敏器件多为硅光敏二极管 接收单元透镜将平行光束聚焦在光敏器件的光敏面上 57 感烟探测器 火灾探测器性能指标参数响应阈值 火灾探测器动作的最小参数值 感烟灵敏度 感烟探测器响应烟粒子数浓度 1 cm3 的相对敏感程度可靠性 适当条件下 火灾探测器长期不间断运行期间随时执行其预定功能的能力稳定性 一个预定的周期时间内 以不变的灵敏度重复感受火灾的能力维修性 对可以维修的探测器产品进行修复难易程度或性质 58 感烟探测器 火灾探测器性能指标参数点型光电感烟探测器响应阈值减光系数m dB m 点型离子感烟探测器响应阈值烟粒子对电离室电离作用参数 灵敏度确定采用4种标准火和光学烟密度计和离子烟浓度计进行测量标定 确定 59 感烟探测器 感烟探测器响应烟的性能 响应值为探测器的输出电压减去背景噪声电压再除以粒子数浓度 v cm30 05 0 15 m粒径范围烟粒足以引起离子感烟探测器响应 但光电感烟探测器不响应或响应小 粒径小于0 3 m 离子感烟探测器有较大响应值 粒径大于0 3 m条件下光电探测器有较大响应 离子 光电探测器响应值与粒径之间关系 60 感烟探测器 感烟探测器响应烟的性能对不同类型烟的响应灵敏度 61 感烟探测器 62 感烟探测器 两种探测器优缺点比较离子探测器 1 离子感烟探测器对小粒子响应灵敏度高 光电感烟探测器对大粒子响应灵敏度高 2 离子感烟探测器 随着烟的色带由可见烟到不可见烟的变化 相对响应灵敏度增加得很小 即离子感烟探测器响应灵敏度与烟的颜色近似无关 3 离子探测器优点是灵敏度高 缺点是易受环境干扰 且存在放射性污染 光电探测器 1 散射光型探测器对灰色的可见烟具有较高的响应灵敏度 由于黑烟对光的吸收作用而对其响应较迟钝 2 光电探测器优点是不存在污