（安全技术及工程专业论文）基于COCO2标识性气体早期火灾探测的实验研究.pdf

a b s t r a c t a b s t ra c t w i t ht h ee m e r g e n c ea n da p p l i c a t i o no ff i r e ，t h es o c i e t yh a sm a d ea f u r t h e rp r o g r e s s b u ti nt h ee f f e c to faf i r et h e r ew i l lb eav e r yh e a v y c a l a m i t v t h e r e f o r e ，o n eo ft h ek e yd o i n t si nt h ef i e l do faf i r ed e t e c t i o n i sr e s e a r c ht h em e c h a n i s mo ff i f e a n dd is c o r e rf i r ea n dd e t e e ti ta c t i v e l v ， a ( c u r a t e l ya n dr e li a b l y f ir ed e t e c t i o ni n c l u d et h et w oc o n t e n t s ：o n eist h ed e t e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 y a n dr e s e a r c ho ff i r ec h a r a c t e r i s t i cp h y s i c a lp a r a m e t e r ，t h eo t h e ris a d o p tw h i c ha l g o t i t h m sc a nd e t e c tt h e f i r ea c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o n t r ，e o r y t h i sp a p e rs t r e s st h er e s e a r c ho fd e t e c t i o nm e t h o d c o n v e n t i o n a f i r ed e t e c t i o na r eh a s e do nt h em o s to b v i o u s p h y s i c a l t r a it s ，s u c ha ss m o k e ，f l a m e ，a n dh e a t ，e t c ，b u ti tc a nn o td e t e c tt h ee a r l v f i r ei nt e r m so ft h ec o n v e n t i o n a t e c h n o l o g y ，a n dt h e ya r ed i s t u r b e db y a m b i e n te a s i l y t h e r e f o r e ，t h ei d e ae m e r g e do fd e t e c t i n gt h eg a s e s ( c o ，c 0 2 ) r e l e a s e di nt h ec h e m i c a r e a c t i o nd u r i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s ，i tc a n d e t e c tt h ef i r ew h i c ha r e h a r d yd e t e c t e db y c o n v e n t i o n a l p h y s i c a l p a r a m e t e r s c oa n dc o ! a r et h em o s tc o m m o nf i r ep r o d u c t s t h e r e f o r e t h ei n f r a r e dg a s a n a l y z e rm a k eau s e f u lc o n t r i b u t i o nt od e t e c t i n gt h ef i r e a c c o r d i n gt o a 【o to fd o c u m e n t s ，c oa n dc 0 2a r et h eb e s tt a r g e tg a s e st od e t e c tf i r e t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb e t w e e ne o n c e n t r a t i o na n d t i m e ，t h el a wo fc oa n dc 0 2 c o n c e n t r a t i o no fai o to fm a t e r i a l sw h i c h p o s s e s s d i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n d t r a i t s ，t h ei n f l u e n c eo ft h ec o m b u s t i o ns p a c e c o n d i t i o n d e s i g n e dt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e sf o rg a sd e t e c t i o n ，d is c u s s e d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nf l a m i n ga n ds m o l d e r i n g ，t h ev a r i a t i o n a ll a wo f g a s c o q c e n t r a t i o nd u r i n gt h ed i f f u s em o b i i e c o n t r a s t f l a m i n gt os m 0 1 d e r i n g ， w ed i s c u s s e dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef i r ea n dn u i s a n c es o u r c e s i tc a nd e t e c tt h ef i r em o r ee l f i c i e n t l yi fw em a k eu s eo ft h ec o m p l e xd e t e c t i o n o fc oa n dc 0 2 【nv i e wo fo r i g i n a l s a m p l i n gs y s t e mc a nn o tt a k eap r a c t i c a ld e t e c t i o n b e c a u s eo fi t s1 i m i t e ds a m p l i n gp o w e r ，ah i g h p o w e r s a m p l i n gp i p e l i n ew a s p u tu p w ec a l c u l a t e dal o to fp a r a m e t e r so ft h ep i p e l i n e ，t h et h e o r ya n d e x p e r l m e n ti n d i c a r e dt h a tt h em e t h o dw a sp r a c t i c a b l e k e yw o r d ：g a sd e t e c t i o n ic a r b o nm o n o x i d e c a r b o nd i o x i d e ：c o m p l e xd e t e c t i o n 致谢 致谢 首先要感谢我的导师袁宏永教授，正是在他的悉心指导下，才得以使本文 能够顺利完成。在三年的研究生生涯中，袁老师渊博的学术知识、极强的创新 精神、以及对我的耐心教诲将使我永远铭刻在心。在平时的学习和工作过程中， 他不仅要求我学好扎实的理论知识，而且还经常鼓励我多加实践、多加创新。 在生活上，袁老师也给了我无微不至的关怀。所以借此机会，谨将我最崇高、 最真挚的谢意献给袁老师。 同时也要感谢火灾实验室的其他老师。王清安教授、吴龙标教授、廖光煊 教授、霍然教授、杨立中副教授等多位老师在平时的上课其问向我传授了宝贵 的专业知识，使我受益匪浅，所以也向他们表示衷心的感谢。 也要感谢师兄苏国锋、疏学明、陈涛等，他们在平时给了我不少的帮助， 和他们的交流也使我学到了不少东鹾。 感谢师弟谢启源、郑听、祝玉泉、倪震楚、胡君健等人，和他们的愉快相 处使我有一个良好的学习环境。 最后感谢我的家人一直对我的鼓励和支持，也感谢所有同学和朋友对我的 支持和帮助。 第一章绪论 第一章绪论 火灾是一种失去控制的燃烧过程。一旦发生火灾，就会给人类和社会带来巨 大的灾难。在最近的几十年里，由于城市化过程的加快和人口的迅速增长，火灾 发生的频率也逐渐增多，所造成的财产损失也越来越多，严重危害了人类社会的 发展，同时也造成了环境污染和生态平衡。据统计，八五期间，全国共发生各类 火灾约2 0 万起，死亡1 1 6 4 3 人，伤2 1 2 4 5 人，直接财产损失达4 6 7 亿元。 为了更好地防治火灾，就必须要对火灾的燃烧机理有一个更为详细的研究。 本世纪7 0 年代后期，一门以现代高科技手段研究火灾发生、发展、和防治的机 理与规律的新兴多学科交叉应用基础科学一一火灾科学应运而生，为火灾防 治提供了新的思想、理论和方法，从而促进了火灾研究的科学化、系统化、现代 化，促进了防火、灭火的进步。 随着社会的进步和科学技术的发展，火灾探测和火灾扑救对火灾探测科技者 也提出了越来越高的要求，例提高探测器的灵敏度和可靠性、及时有效地去扑灭 火灾、将人员伤亡减少到最低限度。 1 1 火灾产生的机理 众所周知，物质燃烧的基本条件是：可燃物、助燃物( 氧气) 、和足够的温 度。其中可燃物为气体时，根据它和空气混合方式的不同可以分成预混燃烧和扩 散燃烧两种。当可燃物是液体和固体时，因为它们难与空气均匀混合，所以它们 燃烧的基本过程是当外部提供一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出 可燃气体( 如c o 、h 2 等) ，同时还形成一些气溶胶。这些气相形式的可燃物与空 气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使液体 或固体的表面继续释放出大量的热量。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、 热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，这就是常说的火蔓延。火蔓延导 致了火势的扩大，形成了火灾。 根据火灾发生的场所不同，一般将火灾分成建筑火灾，森林火灾；根据燃烧 空间的不同可分为受限空间火灾和开放空间火灾。 典型的受限空间固体物质火灾点火源的发展都要经历三个阶段：早期、阴燃、 火焰和放热。图1 1 给出了火灾烟雾和温度变化曲线示意图w 。 第一章绪论 埘 餐 址 裂 晦 器 扎 彩 图1 1 火灾发展的阶段变化曲线图 时间 信号 信号 早期阴燃起火高温燃烧熄灭 时间 图1 2 火灾烟雾和温度变化曲线图 1 2 火灾探测技术的发展和现状 早在古代随着市镇的出现，人们就开始利用了望台的方法来报告和传递火灾 警报，以避免或减少火灾造成的损失，而且1 9 世纪英国就开始生产感温火灾自 动探测装置了，这是早期的火灾探测。而自2 0 世纪4 0 年代初瑞士研制成功了世 界上第一个离子感烟火灾探测器之后，火灾探测技术才真正逐步发展起来，一直 到2 0 世纪7 0 年代才出现了光电烟雾探测技术。在2 0 世纪8 0 年代随着计算机信 号处理技术和集成电路技术的飞速发展，又出现了一种特殊的信号处理理论和方 法火灾传感器信号处理方法。它通过最佳的火灾特征传感方法，再根据其信 号参数设计出最有效的处理算法，提高火灾探测的可靠性。 目前国际上，特别是欧洲、美国和日本，都有专门进行火灾探测及其信号处 理技术研究的机构或是在各大学里设置有专门的研究实验室。德国d u i s b u r g 大 学通信技术研究所的火灾探测实验室就是其中最著名的一个，世界上规模最大的 第一章绪论 火灾自动探测国际会议a u b e ，自1 9 7 5 年以来一直在d u i s b u r g 大学举行。 现有的火灾探测技术一般可以分为下面几种类型： 1 21 感烟式火灾探测方法 感烟火灾探测器是目前世界上应用较普遍、数量较多的探测器，它是一种响 应由燃烧或者热解而产生的固体或液体微粒的火灾探测器。除易燃、易爆物质起 火特别迅速以外，固体物质的火灾一般都要经过早期、阴燃、起火、高温燃烧、 熄灭等这样几个阶段。其中早期和阴燃过程在这几个阶段中是最长的阶段，一般 都在十几分钟以上。感烟火灾探测器主要用来探测阴燃阶段的烟雾，从而做到早 期报警。据了解，这种探测器可以探测到7 0 以上的火灾。 但是感烟火灾探测器也有其缺点。因为感烟探测器是用来探测火灾产生的烟 雾的，火灾发生后，温度较高的烟气向上运动，当安装在顶棚上的探测器探测到 烟气的浓度大于某一极限值，就会发出报警信号。但是，当用于高大空间时，由 于烟气在上升的过程中温度会降低，这样将导致烟气不能完全到达顶棚，或者说， 到达顶棚的烟气浓度很低，达不到报警的极限，感烟探头就不会产生报警信号。 另外，当被测空间中含有粉尘时，会引起感烟火灾探测器的误报。长期工作在较 大浓度粉尘环境中将会导致感烟探测器失效。c o o p e r “7 1 的研究表明，大约有3 3 的这种探测器不能正常工作。 ( 一) 离子感烟探测器 瑞士物理学家e m s t m e i l i 制造出了现代离子感烟探测器的雏形。1 。离子感 烟火灾探测器应用烟雾粒子改变电离室电流的原理来探测火灾。一般在电离室的 加有电压的二极板中放有放射性同位素2 “a j i 】，2 “a j i 】会不断放出a 粒子。当有火灾 发生时，烟雾粒子进入检测电离室后，由于烟粒子的重量比离子重得多，被电离 的部分正离子和负离子便吸附到烟雾粒子上去。因此就使得到达电极的有效粒子 更少了。而且，由于a 射线被烟雾粒子阻挡后电离室内产生的正负离子数就减少 了。当这些微观的变化反应在宏观上，就相当于是引起施加在两个电离室两端分 压比的变化。当检测室的电压增加到一定值时，响应的开关控制电路开始动作， 从而发出报警信号。 ( 二) 光电感烟探测器 光电式感烟火灾探测器采用烟雾粒子对光产生散射和衰减的原理探测烟雾 第一章绪论 进而达到火灾报警目的。它分为减光式和散射光式两种。 减光式探测器的检测室内装有发光和受光元件。在没有火灾的情况下，受光 元件接受到发光元件发出的光。当存在火灾时，就会有一定数量的烟雾进入检测 室从而遮挡住发光元件发出的光，这样一来受光元件接受到的光量就减少了，并 且引起光电流的降低，降低到一定值时，探测器就发出报警信号。 散射光型探测器是根据电磁波与气溶胶粒子间相互作用的原理研制而成的。 发光元件目前大多数采用大电流发光效率高的红外发光二极管；而受光元件大多 数采用半导体硅光电池。 ( 三) 图像感烟火灾探测器 随着科学技术的发展和进步，c c d 摄像机的应用已经普及，因此出现了图像 感烟火灾探测技术。它可应用于大范围、超常距离火灾探测，使获取信息的成本 大大降低，对有焰火和阴燃火灵敏度都有提高，误报率低，抗干扰能力强，适应 环境能力强，方便工程安装，可实现多层面立体安装，更具有智能化。 1 ，2 2 感温式火灾探测技术 物质在燃烧时，会释放出大量的热，使得环境温度升高，探测器中的热敏元 件发生物理变化，将物理变化转换成的电信号传输给火灾报警控制器，发出火灾 报警信号，所以它是种响应异常温度、温升速率的火灾探测器。 感温火灾探测器也有其缺点。由于空间高度或空气的流动等原因，使得火灾 高温气体无法到达顶棚时，感温火灾探测器将无法正常工作。当工作的环境温度 过高时，感温火灾探测器很容易产生误报。 ( 一) 定温火灾探测器 定温火灾探测器是一种当警戒范围中某一点周围的温度达到或超过预定值 时发出火灾报警信号的火灾探测器。像水银、双金属等等都可作为它的敏感元件。 用于一般火灾探测时，其动作温度范围为5 44 c 一- 7 8 。c 。定温火灾探测器一般用 于环境温度变化比较大的场所。 ( 二) 差温火灾探测器 差温火灾探测器是当警戒范围中某一点周围的温度上升速率超过预定值时 发出报警信号的感温火灾探测器。 ( 三) 差定温火灾探测器 第一章绪论 差定温火灾探测器兼有差温和定温两种功能。在某些火灾中，环境温度往往 以小于3 。c m i n 的温升速率缓慢上升。在这种情况下，即使温度上升到1 0 0 。c ， 差温火灾探测器也不会发出报警信号。所以在实际使用中，一般多采用差定温火 灾探测器。 123 感光火灾探测技术 感光探测器是靠探测火焰造成的电磁辐射来工作的。因为电磁辐射的传播速 度极快，感光型探测器对快速发生火灾( 像易燃、可燃液体火灾) 能够及时响应， 是对这类火灾早期报警的理想探测器。在实际应用中，一般利用的是紫外区和几 个较窄的红外区。而一般不应用在4 0 0 n m - 一7 ( 0 n m 之间的可见光辐射区，以免造 成难以对环境背景辐射和火灾辐射加以区分。s i v a t h a u 和g o r e ，l o l y de t a 1 提出用双波段近红外可以探测到不在可见区域内的火灾“。 ( 一) 紫外火焰探测器 响应波长低于4 0 0 n m 辐射能通量的探测器叫紫外火焰探测器，它是响应火焰 产生的紫外辐射而工作的。紫外火焰探测器具有对火焰反应速度快，可靠性较高 等优点。但是由于火焰中紫外光的强度很低，探测器的灵敏度必须要做的很高， 这洋一来就增加了由其他因素特别是电弧焊的紫外辐射造成误报的危险。另外， 探测器窗口的污染也会明显地降低它的灵敏度。 ( 二：) 红外火焰探测器 响应火焰产生的红外辐射工作的探测器称为红外火焰探测器。这种探测器具 有对火焰反应速度快、可靠性高的特点。但它的发展很大程度上受限于传感器。 1 3 基于c 0 、c 0 ：气体的火灾探测 任何技术的改进都是一个渐进的过程，火灾探测也不例外。正如摘要中提到 的那样，火灾产物中最直观的表征就是烟、光、热，因此很容易想到用这些物理 参数来作为是否存在火灾的判据，并且已经发展出了多种火灾探测技术，在实际 工作中发挥着重要的作用。但是这些方法都有其各自的缺点，用于探测早期火灾 均存在着各式各样的问题和缺陷。考虑到火灾本身就是一个物理和化学反应并存 的过程，因此在考虑到上述探测方法不足之时，人们便开始从火灾过程中的另外 一个特征，即以化学反应中产生的气体作为突破点来提高火灾探测的效率。本课 题j e 是利用燃烧产物中最主要的两种气体c o 和c o 。作为目标性气体，以它们作 第一章绪论 为! 火灾探测的主要特征来进行火灾探测的研究。 1 4 火灾探测的其他新方法和发展趋势 在火灾探测中，上面所提到的各种探测器虽然有其优越性，但是也存在着不 足，有时会受到空间高度、温度、湿度等因素的影响，从而造成误报和漏报。最 近的2 0 年来在传感器和信号处理方面取得了显著的进步“，人们一直在努力寻 求火灾探测的新原理和新方法，形成更加有效的火灾探测技术”1 。 ( 1 ) 利用智能算法。传统的火灾探测信号经过处理后通常还需要由门限比较来输 出火灾或非火灾逻辑判断，这种逻辑判断是根据信号的大小进行的，但是一些信 号的大小( 特别是烟雾浓度) 实际上是一个模糊概念，以其某个确定值作为报警 门限很难反映实际情况。而现在的智能火灾探测系统一般带有微处理器或微计算 机，它能根据现场环境自动调整运行参数，即具有自学习功能和自适应能力，同 时对其信号的处理、报警门限的确定和延迟时间的长短都应采用模糊的算法，以 更接近人的感观和实际情况。目前在火灾探测中用的较多的是模糊逻辑算法和神 经网络算法”1 “。 文献 5 0 表明：运用一些新的高级算法以后，使得火灾探测系统的性能水平 大大提高了。 ( 2 ) 采用更加精密的传感器，以提高探测器的精度。 ( 3 ) 智能火灾监控技术和智能防火系统。智能火灾监控技术是涉及火灾监控各方 面的一项综合性消防技术，是现代电子工程和计算机工程在消防应用中的产物。 它研究的主要内容是火灾参数的检测技术、火灾信息处理和自动报警技术，消防 设备联动等。而智能防火系统是以火灾为监控对象，根据防火要求和特点而设计、 构成和工作的，是种及时发现和通报火情，并采取有效措施控制扑灭火灾而设 置在建筑物中或其他对象与场所的自动消防设施。它可以将火灾消灭在萌芽状 态，是一种能最大限度地减少火灾危害的有力工具。 1 5 小结 本章首先介绍了火灾的定义以及火灾产生的机理，并回顾了火灾探测技术的 发展和现状。接着对现有的比较成熟的感烟、感温及感光式火灾探测方法的优缺 点进行了总结。介绍了以气体作为火灾探测参量的概念，最后列举了火灾探测的 其他一些新方法和发展趋势。 一篁三童丝壅堡型堡望丝篁堡! ! ! ! ! ! 塑塑塞茎型一二 第二章火灾探测标识性气体c o c o z 的确定基础 烟、光、热是火灾中最普通的燃烧产物，传统的火灾探测技术正是基于这些 最直观的物理参数而实现的。但是，大量的实验表明，光通过这些参数来实现探 测火灾是远远不够的，因此便产生了用燃烧过程中产生的气体作为火灾探测手段 的思想。考虑到c o 和c o 。是生成物中最主要的两种气体，因此便以c o 和c o z 作 为目标气体来探测火灾。 2 1c o c o ：作为气体探测的依据 21 1 火灾燃烧产物中c o c o ：的生成率 我们知道，火灾的发生过程实质上是一个复杂的物理、化学反应过程。除了 放出大量的热以及产生大量的烟雾、气溶胶以外，还会产生大量的气体，例如二 氧化碳、水蒸汽等。当不完全燃烧时则产生不完全氧化物如一氧化碳、以及各种 饱和和不饱和碳氢化合物( 链烃和环烃) 、氢、乙醇、多种有机酸及醛类。如果 可燃物中含有其他元素( 象s 、f 、c 1 、b r ) ，则还会产生些含s 的氧化物以及 卤素的化合物。 对于自然界的大多数物质来说，最基本的都含有c 、h 这两种元素，我们可 以用下面这个方程式来描述其在燃烧时发生的反应： ( ：。心+ 0 ：+ n ： 巴h ，+ a c o ：+ b c o + c h 2 0 + d n o 。 + e n ：o + f h + + g o h + + h o + + j n 2 + k h 。 ( 1 ) 从( 1 ) 式可以看出，燃烧产物中的主要成份是c o 。、c o 和h ：0 ，而且( 1 ) 式 也从理论上证明了燃烧产物中c o 、c o 。的存在性。 从文献 1 3 的实验中，我们也可以看出c o 。、c o 是火灾的主要燃烧产物， 在表2 l 中列出了有关数值。 可燃物y y y c 气体 乙烷2 9 0o o o lo o o l 丙烷 2 8 5 0 0 0 50 0 0 l 丁烷2 8 80 0 0 60 0 0 3 第二章火灾探测标识性气体c o c o t 的确定基础 8 乙烯2 8 6 o 0 1 3o 0 0 5 丙烯 2 8 0o 0 2 0 o 0 0 6 1 ，3 一丁二烯 2 4 lo 0 4 8 o 0 1 4 乙炔 2 5 7o ，0 4 50 0 1 3 一 液体 庚烷 2 8 60 0 l oo 0 0 4 辛烷2 8 4 o 0 1 1o 0 0 4 苯2 3 0o 0 6 50 0 1 8 苯乙烯 2 2 6o 0 6 7o 0 1 9 甲醇 1 3 0o o o l( o o o l 乙醇1 8 6o 0 0 2o 0 0 1 异丙醇 2 1 3o 0 0 20 0 0 1 丙酮 2 2 lo 0 0 2o o o l 固体 橡木 1 2 7o 0 0 4o o o l 衫木 1 3 lo 0 0 4o 0 0 l 松木 1 4 2o ，0 0 4 ( o o o l 聚氧化甲烯( p o m )1 4 0o 0 0 1( 0 0 0 l 有机玻璃( p m m a ) 2 1 2o 0 l o o o o l 聚乙烯( p e )2 7 60 0 2 4 0 0 0 7 聚丙烯( p p )2 7 90 0 2 40 0 0 6 聚苯乙烯 2 3 3 0 0 6 0o 0 1 4 硅酮o 9 60 0 2 l0 0 0 6 聚二甘醇丁二酸 1 6 5 0 ，0 7 00 0 2 0 酯 环氧树酯1 5 90 0 8 0 0 0 3 0 尼龙2 0 6 0 0 3 80 0 1 6 聚乙烯2 5 c 11 7 1 0 0 4 2o 0 1 6 聚乙烯3 6 c 10 8 30 0 5 l 0 0 1 7 第二章火灾探测标识性气体c o c o ：的确定基础 聚乙烯4 8 c 1 0 5 90 0 4 90 0 1 5 聚氯乙烯( p v c ) 0 4 60 0 6 30 0 2 3 含氟聚合物 o 3 0o 1 2 0 硬质聚氨酯泡沫 1 5 20 0 3 l0 0 0 3 塑料 软质聚氨酯泡沫 1 5 50 0 l o0 0 0 2 塑料 表2 1 实验测得的可燃物主要火灾产物组分的生成率 其中y c m 表不c o z 的生成率。 y 。表示c 0 的生成率。 y m 表示碳氢化合物h c 的生成率。 21 2c o c o i 作为气体探测的依据 我们知道，在没有火灾情况下的一般场所，空气中只含有极其微量的一氧化 碳( c o ) ，二氧化碳( c o z ) 的浓度大概在几百个p p m 的数量级。当发生火灾时， 环境中会产生一定数量的c o ，并且c 0 。的浓度也会急剧上升。那么针对c o 、c o ： 进行在线监测，根据这两种气体的浓度变化趋势，我们便可以在很大程度上判别 出是否有火灾发生。 从表2 1 中可以看出，常见可燃物的火灾中，c o 。、c o 都具有相当数量的生 成率，所以即使是缓慢发展的火灾也会使被测空间的c o 、c 0 。的含量有显著增加。 由于标准火在很大程度上具有代表性，p f i s t e r “、j a c k s o n 和k o b f n s 1 分别于 1 9 8 3 年和1 9 9 4 年测出了六种欧洲标准火中c o 的生成量。 22 吸气式c o c o ：作为气体探测的优越性 火灾中一般会产生大量的烟雾和火焰、并且燃烧空间温度也将随之升高。所 以传统的火灾探测正是利用了燃烧所产生的烟、热、火焰等原理来探测火灾的， 并且制成了感烟火灾探测器( 离子感烟和光电感烟) 、感温火灾探测器和火焰探 测器等等。但这几种传统的火灾探测器并不总是可以可靠地早期发现火灾，如感 烟火灾探测器无法探测酒精火，感温火灾探测器不易发现阴燃火等等。而且传统 的探测器还会受到探测环境的影响，例如，正象上面提到的那样，当空间尺度增 大后，感烟探测器就经常产生误报现象；当环境温度较高时，感温探测器也容易 第二章火灾探测标识性气体c o c o 。的确定基础 产生误报；感光探测器也容易对高功率热源或强光( 如点弧等) 产生误报现象。 但是我们知道，除了产生上述列举的一些产物外，几乎在所有的火灾中都会 产生一定数量的c o 。和c o 等气体。对于某些特定的有机物来说，在燃烧初期会 产生大量的c o 或c o ：，而且它们的产生要比烟雾和气溶胶来的早，也就是说，探 测燃烧过程中产生的c o 和c 0 。，可以可靠地更早地发现火灾。所以利用燃烧产生 的c 0 和c o 。来探测火灾是一种重要方法。文献 3 8 ，3 9 中也描述了在一些用传 统的物理参量很难判别出的火灾中，利用检测燃烧过程中释放的气体可以提高探 测效率。t e w a r s o n ”8 1 和j a c k s o n 、r o b i n “”发现气体浓度这种参量很容易在火灾 探测的过程中被使用。现在气体探测已经成为火灾探测中比较具有潜力的发展方 向。 从图2 1 可以看出气体探测器比其他几种探测器更能早期地发现火灾m 3 。 图2 i 火灾探测与火灾早期发展的对应关系 一笙三童坐壅堡型堡望：堕墨堡! ! ! ! 垒堕塑塞茎型 一旦 而且c o 分子主要是通过扩散方式由火源传播到探测器的，因而不太可能象 烟雾探测器那样因空气对流不利而造成不报警。 为了评价c 0 探测器对各种火的广泛适应性，i r 夕i - 人员用欧洲标准e n 5 4 规定 的6 种试验火对c o 探测器、感温探测器和光束式感烟等7 种探测器做了对照实 验。表2 2 和表2 3 给出了实验结果“1 ： 试验火 t f lt f 2t f 3 t f 4t f 5t f 6 点型感温 夺 夺夺 光束感温 夺夺 夺夺夺 点型光电感 夺夺夺 烟 点型离子感 夺夺夺 夺夺 烟 光束感烟 夺夺夺夺夺 紫外火焰 夺夺夺 夺 一氧化碳 夺夺夺夺夺夺 表2 2 各种探测器对6 种试验火的适应 离子感烟信光电感烟信温度( m 3 ， c o 信号 c o 浓度 传感器输出 ( m 2 ，m 6 ) 号( h 1 4 v ) 号( f 1 4 v )m 9 ) c( 最大值) v t f l 0 一l o 3 6 o 一7 0 0 62 3 ，1 0 “ t f 23 1 10 60 7 00 25 + 1 0 一。 t f 3l l l l 一6o 一7 0 0 63 + 1 0 4 t f 4l l l2 6 o 一5 0 o 11 5 + 1 0 - t f 5 o 一1 1 1 6 o 一9 0 o l1 5 + 1 0 1 t f 6 8 一l l 5 6o 一一9 00 一一l5 + 1 0 1 表2 36 种试验火中传感器的输出信号范围 其中表2 2 中的符号表示响应。 表中使用了离子感烟( h 1 4 ) ，光电感烟( f 1 4 ) ，温度( m 3 ，m 9 ) 和c o ( m 2 ， m 6 ) 传感器。从表2 2 中也可以看出，只有一氧化碳探测器能够对6 种试验火都 作出响应。 下图给出了对6 种火的响应曲线。 笙三童坐壅堡型堑望堡墨堡! ! ! ! ! ：塑堕塞茎堕一旦 v ( 矗) t l n 吐n 勉 1 4 j 越 骚警蜷煳 如) v 焉、 m 6 沁 i 擎磊爹 气 啕嘲h h q “甲 o 弋。 c b ) t i r e ( d t l “t i t z i n b t ( e ( 图2 2 对6 种火的响应曲线图 而工作在吸气方式( 又称主从式方式) 的c o c o ：气体探测则更具有其独特 的优越性。火灾探测的目的就是要实现早期状态的探测，判别出是否有火灾存在。 而要实现超早期的火灾探测，普通的气体探测器的效果很不理想。主要有两个原 因： ( 1 ) 普通的气体探测器工作在被动方式，等待燃烧产物中的气体的到来并进 行探测。在火灾的早期，通常气体的扩散速度较慢，而且浓度较低，需经过一定 第二章火灾探烈橡擐挂气体c o c a l t 9 确定基戳 的时问才能到达探渊器，搽溯嚣无法实现翠期的火灾探测。 ( 2 ) 酱通气体探测器的灵敏度不高，达小到早期火灾探溺报警的要求。 而吸气式c o c o 。探测技术就不一祥了，宅改被动的工作方式为主韵方式， 主动抽取空气样本进行e 0 ，谍铡。这祥一束鞔大大提高了必灾探测的军甥性 和可靠性。 考虑到春j l 娄甥必躲潜榜失的0 0 浓震i 手 较漤，爝c 0 徽为探测气体会达苇 裂羰期懿器懿狂要求，霹它粒。数浓度较高，且土井速率较恢，辨戬一般考虑 用c 0 积c o ：的复合摄测来提离火灾攥测准礁蛙。 23 小结 从燃烧反应的一组方程式和火灾早期产物的生成出发，确立了鞋e o 和c 侥 气体作为火灾擦测手段的合理性。接麓对比了传统的感烟、感湿、感光式攥测方 法的局限性，并通过文献总结和对国夕 些研究情况的分析，逢述了气体探测的 优点所在。 第三章红外吸气式c o c o 。探测技术的原理 第三章红外吸气式c o c o 。探测技术的原理 31 红外光谱简介 由于物体内部带电粒子的不断运动，当物体具有一定温度时，就不断地辐射 出电磁波，如图3 1 1 所示。我们通常把电磁波谱中间隔为o 7 6 1 0 0 0 微米的 区域叫做红外光谱区。虽然红外线是一种看不见的光线，但其本质与可见光或无 线电波没有多大差别，它在真空中也可以以光速进行传播，并且也具有波粒二象 性。 图3 1 电磁波谱图 为了便于研究各种不同波长的红外光的性质，图3 1 下方把红外光谱分成四 个区域：近红外( o 7 6 3 微米) ；中红外( 3 6 微米) ：中远红外( 6 2 0 微米) ： 远红外( 2 0 1 0 0 0 微米) 。 在0 7 6 2 0 微米之间包含有三个大气窗口：2 2 6 微米；3 - - 5 微米：8 - - 1 4 微米。 箜三童堑丛婴墨墨! ! ! 坠堡型垫查塑垦堡堡 图3 1 中的各种波长单位间的换算关系如下： 1 微米= 1 0 。3 毫米= 1 0 “厘米= i 0 “米= 1 0 1 公里； l 微米- 1 0 3 毫微米= 1 0 4 埃= 1 07 毫埃。 图3 2 “”中给出了c 0 对红外线的吸收特性。从图中可以看出c o 对4 6 5 1 1m 波长的红外光有强烈的吸收，而对其它波长的红外光不具有吸收能力，即c o 的 特征吸收峰波长为4 6 5pm 。 孚 碡 塞； 焖 手 瓣 摈 蝴 ，p l m 图3 2c o 、c o ：对红外光线的吸收特性 图3 2 中也给出了c o ：对红外线的吸收特性。从图中同样可以得出，c o ：对 2 7t lm 、4 2 6um 、1 4 5pm 波长的红外光有强烈的吸收，而对其它波长的红外 光不具有吸收能力，即c o 。的特征吸收峰波长分别为2 7 | lm 、4 2 6 um 、1 4 5um 。 所以实际中通常选用c o 和c o ：的特征吸收峰波长分别作为测量波长的，而把其 它的波长作为参考波长。而且对于一些具有对称结构的、无极性的双原子分子气 体例n ：等，它们在红外线波段内没有特征吸收峰，所以利用红外气体分析仪来 探测c o 、c o ：的浓度时不会受到这些气体的干扰。 3 2 现有的气体探测原理和方法 红外吸收法。2 “：来自黑体辐射源的射线使气体分子激发到振荡态，因 而在相应的特征频率上被吸收。具体地说，它是利用l a m b e r t b e e r 定律，对两 第三章红外吸气式c o c o z 探测技术的原理 1 6 个分子以上的气体照射红外光，使其分子的动能发生变化，吸收特定的波长。它 的信号探测部分主要由发射器、探测室和接收器组成，在正常情况下，发射器发 送检测气体对应特定吸收波长的脉冲红外光束，经过气体探测器照射到接收器的 光敏元件上。对于特定的气体来说，它的红外光吸收系数是一定的，而仪器中的 气室长度也是确定的，因此当被测气体进入到探测室时，只要测出光强前后发生 的衰减就可以测出气体的浓度。用滤波器可使探测器调谐到指定的气体如c o ：或 者c o 的吸收带上。 它的优点是可以检测到多种气体，气体选择性好，可靠性好，响应速度比较 快。并且具有高振抗能力和抗污染能力，与计算机相结合可以连续2 4 小时地测 试分析气体，并且能够实现自动矫正、自动运行的功能。 而且由于具有对称结构的、无极性的双原子分子气体如h ：、n 。在红外线波段 内没有特征吸收峰，因此用红外吸收法来检测气体的浓度时，不会受这些气体的 干扰。 跟其他同类仪器相比，红外线气体分析仪的寿命比较长，一般可以达到1 0 年以上。而下面提到的电化学传感器一般只能在卜3 年。 综合考虑到上面的各种优点，因此采用红外吸收的原理来探测火灾产物中 c o 和c o ：的浓度是首选的方法。 不过为了获得比较高的探测灵敏度，它的机械加工精度必须要做的很高，所 以造价比较高。 电化学传感器：它可以分为原电池式、定电位式、电量式、离子电离式这四 种。其中定电位传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体浓度的，它需要 由外界施加特定的电压才能工作。电离式传感器通过被测气体与电解质反应产生 的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器则主要是通过测量离子极化电 流来检测气体浓度的。一般这种电化学传感器可以被广泛地应用于探测各种危险 气体的火灾。由于其精度比较高，所以完全可以用于探测c o 、n o 、s o ：等各种气 体。 不过这种气体传感器的缺点是寿命比较短，一般只有1 - - 3 年。而且它的另 外一个缺点是电极上积累的灰尘将使探测器的响应速度变慢。 金属氧化物：经贵重金属铂( p t ) 、钯( p d ) 等处理过的金属氧化物s n o ：、 第三章红外吸气式c o c o ：探测技术的原理 w o 。以及f e 。0 。等在高温( 1 5 0 。c - 一5 0 0 。c ) 环境下，遇到c o 这类还原性气体时， 其阻值会明显下降。这种探测器现已成功地用于燃烧过程中产生的c 0 探测。 3 3 红外气体分析的思想和原理 红外气体分析仪是根据l a m b e r t b e e r 定律和气体对红外线的选择性吸收原 理设计而成的。图3 3 为单色平行光束沿x 方向通过均匀媒质的情况。设红外光 源的原始强度为i ，当通过厚为d x 的一层媒介时强度由原来的i 变为了i d i 。 实验表明，在相当广阔的光强范围内，一d i 正比于i 和d x ，即有： 一d i = k d x f 1 ) 关系成立。其中i 为原始光强，k 是与光强无关的比例系数，称之为吸收系数。 为了便于积分，可以把( 1 ) 式改写成( 2 ) 式： d i i = 一k d x ( 2 1 假设通过的路径为l 时，则在o - l 内对x 积分，可以得出 il ：i o e 。 ( 3 ) 式称为l a m b e r t 定律。“。其中i 。和i 。分别是x = o 和x = l 时的光强。k 的 量纲是长度的倒数，k 1 的物理意义是光强因吸收而减到原来的e 1 3 6 时所穿过 媒质的厚度。该式是光强i 的线性微分方程，因此l a m b e r t 定律是光的吸收的线 性规律。当气室中含有吸收红外光的气体( 如c o 或c o 。) ，则吸收系数k 与气体 的浓度c 成正比，即有 k = h c r 4 ) 代入( 3 ) 式得： i ，= i 。e “ ( 5 ) ( j ) 式称为b e e r 定律。“。其中a 是气体的红外光吸收系数，c 是被测气体的浓 度，l 是气室的长。根据( 5 ) 式可知，当气体的种类和气室的长度一定时，则 公式中的a 和l 也就定了。因此只要测出光强i 的大小就测出了气体的浓度。红 外气体分析仪正是根据这两条定律来工作的。图3 3 给出了光的红外吸收示意 图。 一 蔓三童堑丛堕墨壅! ! ! ! ! ! 塑型垫查塑堕堡一竖 l 图3 3 光的红外吸收示意图 3 4c o ：和c 0 作为气体探测的基本思想 上面曾经提到过，在无火灾发生情况下的一般场所，c o ：的浓度一般在几百 个p p m 的数量级，而c o 的含量几乎没有。它们的浓度曲线应该是一条水平线， 如图3 4 所示。从第二章的叙述可以知道，几乎任何的火灾都会产生一定数量的 c ( ) 和c o 。，而且大多数火灾发生时c o 和c o 。的变化率很明显。由第四章的实验可 以知道，明火时c o ：浓度上升非常快，曲线比较陡。有些阴燃火的c 0 浓度超过 豇= ：常大气压中甚至是c o 浓度较高场所的含量。 - c o c 0 2 05 010 015 0 t s 图3 4 正常环境中的c 0 2 、c o 浓度 在图3 4 中，为了避免c 0 。和c 0 的曲线重合，所以保留了c 0 ：的初始值 即空气中c o z 的含量，其值为3 7 0 p p m 。 0 o 0 0 0 0 0 o 0 o 0 0 0 0 0 5 0 5 o 5 0 5 3 3 2 2 1 1 gnd蜊蜒d望ou 第三章红外吸气式c o c o z 探测技术的原理 图3 5 所示为从u l 2 6 8 标准实验火焰得到的c 0 。浓度的瞬时数据”，分别选 用了木材、聚苯乙烯、纸、汽油这四种材料。 图3 5 u l 2 6 8 中标准实验火焰的c 0 2 浓度 图3 6 5 “中显示了特华森实验中c o 。和c o 浓度的变化。 产率c 0 ( g g ) 图3 6 特华森产率数据 第三章红外吸气式c o c o z 探测技术的原理 2 0 图3 5 和图3 6 体现了不同的可燃物生成的c o 和c o ：浓度随时间变化的规 律，那么针对c o ( c o ：) 进行在线监测，根据这两种气体浓度变化的趋势，我们便 可以在很大程度上判别出是否有火灾发生。 35c o 。和c 0 复合探测 3 4 节表明，从理论上来说，通过探测被测环境中的c o 或c o 。浓度的变化趋 势就可以辨别出是否有火灾存在。但是要考虑到几类特殊情况。一种是在某些通 风状况不佳，室内人员而又较多的情况下，c 0 。仍然会有上升的趋势，如图3 7 所 示。图中曲线是由4 个人在离探点较近的位置随机呼气所产生的。很明显，这种 情况并不属于火灾。因此单用c o ：的浓度作为参考量来判别是否存在火灾就会引 起误报。但是我们从图3 7 中可以看出在这种情况下的c 0 浓度并没有发生变化， 所以同时考虑c o ：和c o 就能把这种情况