火災探測技術及常見火災探測器
自從人類有歷史以來,就不斷地在燃燒利用和火災防治的邊緣徘徊,并且隨著人類文明的進步,漸漸從被動的火災撲救發展到主動的去探測預防火災,探測和撲救并行,以期將其扼殺在尚未造成太大破壞發生的早期。
火災的物理特征
想要探測火災，就必須先認識火災，通過火災發生過程中的物理特征來預報火災的發生。火災發生過程中主要有火焰、燃燒產物、燃燒音三大物理特征，但這三大特征并不必同時出現（如陰燃）。
1、火焰：火災燃燒是復雜的放熱化學反應,燃燒火焰的溫度通常為900～ 1400℃ ,在這個過程中通常會產生大量的熾熱微粒。正是這些熾熱微粒的存在,使火焰發射出電磁波輻射,包括可見光,這些光學特性為遠距離探測火災提供了可行性。
（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,但在紅外波段尤為強烈,這是CO2共鳴的CO2原子團發光光譜。
（2）火焰形狀:火焰中熾熱的發光微粒的集合就勾畫出火焰形狀。一般火災中,由于燃燒狀況不穩定,火焰邊緣通常表現鋸齒型,且在火災發展過程中區域增大。
（3）火焰閃爍:火災火焰具有閃爍的物理特性,這不僅表現在輻射強度以3～30Hz的頻率波動,而且也反映在火焰形狀的波動上。
2、燃燒產物：燃燒產物即通常所說煙氣,包括氣態燃燒產物和固態高溫產物,運動速度為每秒幾米到幾十米。
（1）氣態燃燒產物:主要成分為H2O、CO和CO2。由于環境濕度的影響,通常不把H2O作為火災探測參數。一般情況下,空氣中CO和CO2的含量極低,而在火災燃燒時才會大量出現使空氣中這兩種氣體含量急劇增加。氣態燃燒產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）固態高溫產物:固態高溫產物來源于可燃物中的雜質以及高溫狀態下可燃物裂解所形成的物質,粒徑在0.025微米到100微米,溫度在數百到上千度。高溫微粒通常表現出來的物理特征有: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在流動中保持相當的溫度;④帶靜電荷。
3、燃燒音：燃燒過程產生的高溫會加熱周圍的空氣,使之膨脹形成壓力聲波,其頻率僅在數赫茲左右(次聲)。這種次聲是物質燃燒的共同現象,而且在這個頻帶中日常雜音也很少,所以在這個頻帶進行探測可以去除相當大部分的噪聲干擾。由于燃燒現象通常是復雜的湍流流動,它在可聽域及超聲域也會產生聲波。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生超聲波。
火災探測技術基本原理
火災探測包含兩個層面的內容: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境中有效準確的探測火災。火災探測技術可以說是傳感技術和火災探測算法結合的產物,其實質是將火災中出現的物理特征,利用傳感器進行接收,將其變為易于處理的物理量,通過火災探測算法判斷火災的有無。火災信號通常具有頻率特性、趨勢特性和持續時間特性,基于這些特性進行分析處理的火災探測算法則是火災科學與計算機技術、信號處理技術和自動化技術的相互交叉。
火災的發生和發展是一個非常復雜的非平穩過程,它除了自身的物理化學變化以外還會受到許多外界的干擾,火災一旦產生便以接觸式(物質流)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氣體、燃燒氣體和煙霧、氣溶膠等。非接觸式如聲音、輻射等。火災探測技術就是利用敏感元件將火災中出現的物理化學特征轉換為另外一種易于處理的物理量。各種探測器對應的火災物理參量及探測器如圖1所示。
圖1 火災探測器的分類
將火災發生的物理特征通過傳感單元轉化為電信號以后的一個問題就是判斷是否報警,這就需要靠火災探測算法來實現。根據對火災物理參數探測方式的不同,可將探測算法分為接觸式火災探測算法和非接觸式火災探測算法兩類。其中接觸式火災探測算法主要應用于火災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,就是在傳感器中設定一個閾值,如果檢測到的參數高于這個設定值,探測器就會發出報警信號。環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境影響的變化對閾值進行自動調整,從而保證更高的正確報警率。
隨著火災探測技術的發展,出現了能夠輸出模擬量數據的火災探測器,于是便產生了模擬量火災探測算法,又稱過程法。火災的發生是有一定規律的,通過大量實驗可以找出它在發生過程中各種物理特征變化的規律,再將探測器探測得到的模擬量數據通過計算機分析與我們掌握的規律進行對比,如果符合,就發出報警信號,反之,則說明沒有火災發生。
非接觸式火災探測算法主要應用于圖像、火焰和聲音探測器等。它也是在模擬量探測輸出出現的基礎上發展起來的,與過程法相類似,都是通過對所得到的大量數據進行分析來提取火災特征,與實驗中得到的各種火災情形特征比較判斷火災的發生與否。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和火焰圖像等來建立火災探測算法等，火災探測算法分類如表1所示。
表1 火災探測算法的分類
常見的火災探測器 現實生產生活中最常見的即為感溫火災探測器和感煙火災探測器，感溫火災探測器主要是利用熱敏元件來探測火災，將溫度信號轉變成電信號，并進行報警處理，其區別主要在于感溫元件的不同，這里著重介紹感煙火災探測器。 目前，廣泛應用的感煙火災探測器可分為離子感煙火災探測器和光電感煙火災探測器。離子感煙火災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生電離電流。如果有煙霧顆粒進入電離室，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。探測器即通過監測電離電流的變化而達到預警火災的自的離子感畑探測器能夠均衡地響應不同顏色的火災煙霧，能夠穩定響應火災早期的小粒子。但離子感煙探測器電離電流太弱,這對電路、結構和工藝提出了較高的要求，生產工藝復雜；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處理，且對環境會造成污染。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、離子感煙火災探測器：離子感煙火災探測器是通過檢測放射性元素241镅(241 Am)構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離子(電子),這樣電極之間原來不導電的空氣具有了導電性,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離子,此時在電場的作用下,正離子向負極運動,負離子向正極運動,形成電離電流。當有火災發生時,煙霧粒子進入檢測電離室后,被電離的部分正離子和負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離子互相中和的幾率增加,使得能夠到達電極的有效離子數更少;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,電離室內產生的正負離子數就少,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,而未被α射線所照射的部分則為非電離區。這樣在同一個電離室內分為兩個性質不同區域。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,提高探測器的環境適應能力和穩定性。離子感煙探測器采用的是傳統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,只存在響應行為的數值差異。其中對有焰火產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,不易到達探測器引起響應。離子感煙探測器生產成本較低,但由于電離室的設計中采用了放射性元素,其生產、儲運和報廢的過程有污染環境的危險。離子感煙探測器的濾網對于灰塵、飛蟲等有隔離作用,但探測器本身極易受濕度、風速等環境干擾,故而通常都要避免在相對濕度高于95%的環境下使用,再者就是要安裝防風罩以減少風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探測器的檢測室內裝有發光元件及受光元件。在正常情況下,受光元件接受到發光元件發出的一定光量;而在火災時,探測器的檢測室內進入了大量煙霧,發光元件的發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,探測器發出報警信號。原理示意圖如圖3所示。現在這種形式的探測器應用較少。 圖3 減光型光電感煙探測器原理圖 目前世界各國生產的點型光電感煙火災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亦裝有發光元件和受光元件。在正常情況下,受光元件是接受不到發光元件發出的光的,因此不產生光電流。在火災發生時,當煙霧進入探測器的檢測室時,由于煙霧離子的作用,使發光元件發射的光產生漫射,這種漫射光被受光元件所接受,使受光元件阻抗發生變化,產生光電流。從而實現了將煙霧信號轉變成電信號的功能,探測器發出報警信號。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 火災探測器的使用限制 每種火災探測器都有其使用范圍，選用合適的火災探測器可以提高火災預報的質量，反之將起不到火災探測器應有的作用。如感溫火災探測器非常適用于一些產生大量的熱量而無煙或產生少量煙氣火災的場所，而不適宜可能產生陰燃火或火災報警不及時將造成重大損失的場所，因為其探測方式決定了其報警時火災可能已達到發展階段。 離子感煙和光電感煙火災探測器由于自身的特點和使用環境,現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,但易受探測環境的影響,誤報率較高。同時,由于使用了放射源镅,易對環境造成污染。光電感煙探測器是利用紅外光散射的原理來進行煙霧濃度的探測,對環境不存在污染問題,對陰燃火煙霧的探測性能明顯優于離子探測器,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。 在探測區域內,周圍環境因生產作業造成的正常情況下,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。