CO氣體傳感器在火災(zāi)探測中的應(yīng)用

1、2006年儀表技術(shù)與傳感器InstrumentTechniqueandSensor第6期2006No16CO氣體傳感器在火災(zāi)探測中的應(yīng)用黃湘瑩,張認(rèn)成(華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院,福建泉州362011)摘要:闡述了火災(zāi)燃燒過程CO的釋放特性,證明利用CO傳感器在火災(zāi)早期探測中可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)探測器提早報(bào)警,并降低誤報(bào)率。同時(shí)介紹了現(xiàn)在常見的CO傳感器的原理,應(yīng)用和研究現(xiàn)狀,以及目前CO傳感器的研究方向:基于光聲原理和基于紅外光譜法的CO探測方法。關(guān)鍵詞:一氧化碳;傳感器;火災(zāi)中圖分類號:X924.2;TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1002-1841(2006)06-0006-03Useof

2、COSensorsinHUANGXiang2ying,ZH(CollegeofMechanicalEandofuU,China)Abstract:theisexpounded.ItisprovedthattheuseofCOsensorinthedetectionistorealprovidingbetternuisancealarmimmunitycomparedtoanyotherdetectors.AstoCOsensor,theprinciple,theapplication,theinvestigationstatusaswellasthestudytrends:thedececti

3、onmethodbasedonphotoacoustictheoryorspectroscopy.Keywords:CO;sensor;fire0前言傳統(tǒng)火災(zāi)探測器的探測原理是基于火災(zāi)過程中的物理參量,如粒子密度,溫度,火焰的電學(xué)、光學(xué)特性變化1來進(jìn)行火災(zāi)識別,這種識別模式很難可靠地發(fā)現(xiàn)早期火災(zāi),如感煙探測器不能探測到酒精火焰,感溫探測器不易探測到陰燃火。在現(xiàn)代高大空間建筑中,當(dāng)存在遮擋和環(huán)境干擾的時(shí)候,常規(guī)的感煙、感溫探測器由于火災(zāi)燃燒產(chǎn)物在空間傳播受空間高度和面積的影響2,很難對火災(zāi)發(fā)生快速響應(yīng)。據(jù)80年代中期美國Cooper的研究報(bào)告發(fā)現(xiàn),33%的煙霧探測器不能正常工作,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)9

4、5%的煙霧探測器由于噪聲干擾而產(chǎn)生誤報(bào)3。因此,若干年前就產(chǎn)生了檢測燃燒過程中化學(xué)生成物,以期改善探測性能,實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)探測的想法。但是和其他氣體傳感器的應(yīng)用場所不同,火災(zāi)探測使用的傳感器數(shù)量一般都比較大,因此傳感器的價(jià)格和功耗對傳感器的選擇使用起著很重要的作用,由于對特定氣體的可靠探測技術(shù)比對溫升和煙塵的檢測技術(shù)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,因此火災(zāi)氣體探測技術(shù)一直處于可望而不可及的境地。近年來,由于氣體傳感技術(shù)有了長足的進(jìn)步,氣體傳感器和傳統(tǒng)火災(zāi)探測器結(jié)合形成多元參數(shù)復(fù)合探測技術(shù),以及開發(fā)研究新型火災(zāi)氣體傳感器,已成為火災(zāi)探測領(lǐng)域的趨勢4。1火災(zāi)燃燒過程中CO的釋放特性火災(zāi)發(fā)生時(shí)氣體燃燒產(chǎn)物主要為CO,

5、CO2,H2O,其產(chǎn)生比燃燒煙要早得多(幾十min至幾個(gè)h),而且不同于火災(zāi)煙氣中的煙霧顆粒,氣體需要更少的熱量驅(qū)動就可以快速上升,由于環(huán)境中的濕度的影響,通常不把H2O作為火災(zāi)探測參數(shù)。CO是極早期火災(zāi)的特有標(biāo)志,由于一般情況下,CO在空氣中的含量極低,即使在CO含量較高的廚房等環(huán)境里,CO的含量也均在2010-6以下。但是,在火災(zāi)過程中,幾乎每種物質(zhì)均要產(chǎn)生不充分燃燒的CO,特別是陰燃階段的火災(zāi)更是如此,由火災(zāi)孕育到劇烈燃燒,CO經(jīng)歷由無到有,由小到大,然后逐漸減小的規(guī)律性變化過程,而且CO比空氣密度小,更容易漂浮到天花板上的火災(zāi)探測器,實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。假火災(zāi)源一般不產(chǎn)生CO,或其量值極小。

6、因此CO適合于火災(zāi)早期探測。這對于火災(zāi)探測器的布置和在較早的時(shí)間捕捉到火災(zāi)發(fā)生信息非常重要。對于火災(zāi)中CO的生成情況,國內(nèi)外相關(guān)研究人員進(jìn)行了很多試驗(yàn),如Jackson和Kobins5在1994年給出了實(shí)驗(yàn)測得的歐洲6種標(biāo)準(zhǔn)火:木材明火、木材熱解、棉花陰燃火、聚氨酯塑料泡沫明火、正庚烷明火、酒精明火等,單位面積內(nèi)最大的CO生成量,見表1所示。表1歐洲6種標(biāo)準(zhǔn)火CO最大生成量標(biāo)準(zhǔn)火TF1:木材明火(t=720s)TF2:木材熱解火(t=720s)TF3:棉繩陰火(t=540s)TF4:聚氨酯塑料明火(t=140s)TF5:正庚烷火(t=180s)TF6:酒精明火(t=360s)CO氣體最大體積分

7、數(shù)(10-6/V)Pfister也于1997年在實(shí)驗(yàn)過程中,監(jiān)測并記錄了幾種標(biāo)準(zhǔn)火CO生成量的變化過程6。CO的濃度在火災(zāi)發(fā)生后的一定時(shí)間內(nèi),均有一定程度的上升,并明顯高于火災(zāi)未發(fā)生時(shí)環(huán)境中的CO的濃度,如圖1所示。收稿日期:2005-09-12收修改稿日期:2006-01-08第6期黃湘瑩等:CO氣體傳感器在火災(zāi)探測中的應(yīng)用7圖1部分標(biāo)準(zhǔn)火生成CO濃度為評價(jià)CO,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN546O光束式感煙等7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表27。表267種探測器的對照實(shí)驗(yàn)火災(zāi)探測器類型點(diǎn)型感溫光束型感溫點(diǎn)型光電感煙點(diǎn)型離子感煙光束感煙紫外火焰一氧化碳注:3符號表示響應(yīng)TF1TF2TF3試驗(yàn)火TF4TF5TF6333333

8、33333333333333333333333333表2說明CO探測器是受試的7種探測器中惟一對6種試驗(yàn)火都做出響應(yīng)的探測器。英國研究人員作了有限區(qū)域(封閉衣櫥起火,廢紙簍起火)燃燒試驗(yàn),在任何感煙探測器響應(yīng)前25min,火災(zāi)產(chǎn)生的CO濃度便達(dá)到5010-6,CO傳感器就可以響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖28。被探測到之前數(shù)小時(shí)出現(xiàn)。2CO探測器及其應(yīng)用2.1半導(dǎo)體式CO探測器目前比較成熟的CO傳感器是金屬氧化物的二氧化錫薄膜氣體傳感器。它是通過制備具有多晶結(jié)構(gòu)的SnO2膜,在高溫下晶格表面氧被吸收而產(chǎn)生負(fù)電荷,然后晶格表面的電子又轉(zhuǎn)移到被吸收的氧分子中使空間電荷層形成正電荷,這樣產(chǎn)生了阻擋電流的電勢壘,

9、當(dāng)CO氣體存在時(shí),帶負(fù)電荷的氧離子數(shù)減少,使得電勢壘減小,也就是傳感器的阻抗降低,通過測量傳感器的電阻,從而能夠檢測出CO的濃度,其阻值與氣體濃度的關(guān)系成對數(shù)關(guān)系的變化9度高,市場上已有一些成。O1010-6,功耗10mW,。其缺點(diǎn)是傳感器需要加熱、非本質(zhì)安全、潮濕后失效退化、長時(shí)間后敏感度下降、很-6難探測低于6010的氣體。2.2電化學(xué)式CO探測器電化學(xué)式氣體傳感器可分為原電池式、定電位電解式、電量式、離子電極式4種類型。定電位式傳感器是通過測量電解時(shí)流過的電流來檢測氣體的濃度,和原電池式不同的是,它需要由外界施加特定電壓,能檢測CO、NO、NO2、CO2、SO2等氣體。電量式氣體傳感器通

10、過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早,通過測量離子極化電流來檢測氣體的濃度。電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點(diǎn)是檢測氣體的靈敏度高,選擇性好。但是,該類傳感器價(jià)格高,其使用壽命一般只能在13a,存在中毒現(xiàn)象無法預(yù)知其是否失效。2.3CO探測器的應(yīng)用以上兩種CO傳感器技術(shù)已經(jīng)比較成熟,將這些技術(shù)成熟的CO傳感器引入到多傳感器,多判據(jù)的復(fù)合型火災(zāi)探測器,相對于現(xiàn)在常用的感煙探測器(離子感煙對陰燃響應(yīng)較慢,而光電感煙對粒徑小于0.4m的不可見煙不響應(yīng))可以實(shí)現(xiàn)在響應(yīng)速度上和提高誤報(bào)率方面的優(yōu)越性。對此國內(nèi)外大量研究人員對CO復(fù)合火災(zāi)探測器作了研究和開發(fā),如Got

11、tukDT的溫度氣體復(fù)合10和離子氣體復(fù)合11,大連理工大學(xué)研究的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CO光電感溫三復(fù)合等。其中,華中科技大學(xué)研究的COCO2溫度煙密計(jì)多傳感器多判據(jù)探測器對明火、陰燃火和非火源各進(jìn)行了100次試驗(yàn)。試驗(yàn)證明,所有的明火都可以準(zhǔn)確識別,陰燃火的識別率為86%,無火和其他非火源的識別率為70%;而使用普通的光電煙霧探測器和離子煙霧探測器,明火的識別率為97%,陰燃火為25%,無火和其他非火源僅為27%12。另外,美國研究員Hagen采用的包含Taguchi半導(dǎo)體氣體傳感器、感煙探測器、光電探測器和離子探測器的復(fù)合探測器,在3.7m3.7m2.4m的房間中進(jìn)行了大規(guī)模試驗(yàn),其中試驗(yàn)有焰火

12、共計(jì)34次,陰燃火共計(jì)16次,噪聲共計(jì)37次,并把復(fù)合探測器與感煙探測器的試驗(yàn)結(jié)果作了比較。試驗(yàn)證明:復(fù)合探測器能準(zhǔn)確無誤地判別有焰火,探測陰燃火的概率也比感煙圖2有限區(qū)域燃燒試驗(yàn)結(jié)果另外,真實(shí)火災(zāi)情況試驗(yàn)表明,在大多數(shù)情況下,包括那些有強(qiáng)迫通風(fēng)的情況下,CO可作為一種良好的火災(zāi)指示氣體,在火災(zāi)可能以陰燃形式出現(xiàn)時(shí),如住宅區(qū)和辦公室火災(zāi),CO則是最好火災(zāi)指示氣體。在這些火災(zāi)中,有效的CO濃度可在煙8InstrumentTechniqueandSensorJun12006探測器高,總體誤報(bào)率降低了10%。不僅如此,Hagen實(shí)驗(yàn)還表明復(fù)合探測器探測有焰火比感煙探測器探測有焰火平均時(shí)間縮短了57%

13、,探測陰燃火比感煙探測器平均時(shí)間縮短了30%3。3CO傳感器的發(fā)展趨勢3.1基于光聲CO探測光聲氣體檢測技術(shù)本質(zhì)上基于紅外吸收法。燃燒產(chǎn)物氣體的分子通常都可以根據(jù)其特定吸收波長而被標(biāo)識出來。在通常的光聲檢測中,氣體被密封在一個(gè)小腔內(nèi)(稱為光聲腔),當(dāng)用一束調(diào)制(強(qiáng)度隨時(shí)間周期性變化)的紅外光照射氣體時(shí),氣體分子吸收光能而被時(shí)變加熱,這個(gè)溫升導(dǎo)致氣體膨脹,由此引起的周期性壓力波動可以用一只麥克風(fēng)檢測到。因信號強(qiáng)度與氣體濃度相關(guān),因此可以用于氣體火災(zāi)檢測。對于低濃度的氣體和小的空間長度,信號和氣體濃度成線性關(guān)系。對此,O,采用陶瓷釉膜,在35m的紅外發(fā)射涵蓋了CO的特征吸收波長,采用高純的N2對初

14、始光聲信號進(jìn)行標(biāo)結(jié)構(gòu)的、無極性的雙原子分子氣體如N2在紅外線波段內(nèi)沒有特征吸收峰,因此用紅外吸收法來檢測氣體的濃度時(shí),不會受這些氣體的干擾。綜合考慮到上面的各種優(yōu)點(diǎn),采用紅外光譜法的原理來探測火災(zāi)產(chǎn)物中的濃度是首選的方法。中國科技大學(xué)的火災(zāi)試驗(yàn)室用北京市華云分析儀器研究所研制的GXH3010/3011型紅外線氣體分析儀,以CO和CO2為標(biāo)識氣體,對其濃度,比值和上升速率進(jìn)行測定和分析,實(shí)驗(yàn)證明可以區(qū)別陰燃火、明火16和非火源,且不引起誤報(bào)。華僑大學(xué)的研究人員按照國家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)火的要求模擬有限空間燃燒實(shí)驗(yàn),COO2分析,/n2。圖3列出了O和CO2濃度比值的曲線圖。比傳統(tǒng)的感煙探測器報(bào)警時(shí)間要提早

15、725min,并且不產(chǎn)生誤報(bào)17。定,用以測量CO的濃度,并利用附加吸收路徑實(shí)現(xiàn)在線式的氣體測量,可以滿足火災(zāi)的實(shí)時(shí)性要求13。當(dāng)前的光聲氣體探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光源和斬波調(diào)制部分的功率比較大,使其不能作為一個(gè)點(diǎn)式的火災(zāi)探測設(shè)備,但如果應(yīng)用空氣采樣技術(shù)(吸氣式)將現(xiàn)場空氣吸到后端集成處理設(shè)備中進(jìn)行分析,就有可能實(shí)現(xiàn)探測系統(tǒng)的工程化14。3.2基于紅外光譜法的CO探測紅外光譜法基于Lambert-Beer定律及氣體對紅外線的選擇性吸收原理15,在光譜學(xué)測量中,一般可以把問題轉(zhuǎn)化為用沿光程(觀測路徑)上分子總數(shù)和吸收系數(shù)來解釋特定分子發(fā)射或吸收的輻射隨波數(shù)的變化。當(dāng)射輻射通過一定距離后,受到路徑上一定密

16、度的吸收物質(zhì)的吸收而引起的強(qiáng)度改變,當(dāng)吸收系數(shù)和氣體池長度一定時(shí),紅外光通過樣品氣體時(shí),吸光度與氣體濃度成正比關(guān)系,這就是著名的Lambert-Beer定律。紅外光通過某些透明物質(zhì)(固體、液體或氣體)時(shí),其中某些頻率的光會被選擇地吸收而使其強(qiáng)度減弱,稱為物質(zhì)對光的吸收現(xiàn)象。紅外光譜儀的信號探測部分主要由發(fā)射器、探測室和接收器組成,在正常情況下,發(fā)射器發(fā)送檢測氣體對應(yīng)特定吸收波長的脈沖紅外光束,經(jīng)過氣體探測器照射到接收器的光敏元件上。對于特定的氣體來說,它的紅外光吸收系數(shù)是一定的,而儀器中的氣室長度也是確定的,因此當(dāng)被測氣體進(jìn)入到探測室時(shí),只要測出光強(qiáng)前后發(fā)生的衰減就可以測出氣體的濃度。用濾波器

17、可使探測器調(diào)諧到指定的氣體如CO或CO2的吸收帶上。對于CO,其吸收峰是1.57m,2.32m,417m.該方法可對微量氣體進(jìn)行測量,裝置的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),可靠性好,響應(yīng)速度快,具有高振抗能力和抗污染能力,與計(jì)算機(jī)相結(jié)合可以連續(xù)24h地測試分析氣體,并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動矯正、自動運(yùn)行的功能。該方法測量精度高,而且由于具有對稱圖3幾種材料CO/CO2濃度比值不過為了獲得比較高的探測靈敏度,它的機(jī)械加工精度要求很高,導(dǎo)致儀器成本上升,所以目前基于紅外光譜法的CO探測方法還只用于方法研究階段。尋找廉價(jià)的CO傳感器代替紅外光譜儀進(jìn)行濃度分析,是未來研究火災(zāi)的極早期探測的主要方向。4結(jié)語以往,由于人們認(rèn)識不足

18、及早期CO傳感器探測靈敏度低、功耗高、成本高等缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用,近年來,CO傳感技術(shù)有了一定突破,功耗顯著降低,靈敏度及壽命都有所提高。為盡早報(bào)警及適應(yīng)特殊環(huán)境要求,應(yīng)盡量采用CO作為火災(zāi)探測參數(shù),同時(shí)CO與其他參數(shù)的復(fù)合探測,加以各種新的探測算法的應(yīng)用會進(jìn)一步增加報(bào)警的可靠性及靈敏性。CO傳感器的引用以及新的探測方法的使用對火災(zāi)探測的及時(shí)性的提高誤報(bào)率的降低具有深遠(yuǎn)意義。參考文獻(xiàn):1HALLJR,COTEAE.Americansfireproblemandfireprotection,in:品信息,1999(12):29-36.SafetyJournal,2000,34:55-67.4竇征

19、,王殊.AUBE99第11屆火災(zāi)自動探測國際學(xué)術(shù)討論會隨筆,1999(9):54-55.(下轉(zhuǎn)第11頁)第6期間關(guān)系VT(x,t)=-杜保強(qiáng):基于壓電雙晶片傳感器的特性研究11hl2llU0sin(t)i=1ni=1()22i-n()22i-2Aiisin(ill)cosh(ill)+cos(ill)sinh(ill)(29)工作頻率范圍應(yīng)遠(yuǎn)離振蕩頻率。由圖2、圖3和圖4,要使傳感器的工作頻率范圍及靈敏度都較大,有時(shí)對晶片的幾何尺寸的要求是相矛盾的,所以實(shí)際選取雙晶片的幾何尺寸時(shí),應(yīng)兼顧兩方面性能。若壓電雙晶片的材料和幾何尺寸已經(jīng)確定,則可以根據(jù)式(27)計(jì)算其靈敏度的理論值。利用式(28)、

20、式(29)即可求出懸臂梁式雙晶片力、位移傳感器的靈敏度,并可分析靈敏度與幾何尺寸的關(guān)系。2仿真分析根據(jù)上述分析結(jié)果所作的仿真圖如圖2、圖3所示,理論模2,5擬過程中,取n=6;并選取壓電材料參數(shù)h31=-2.159108C/Fm,=7500kg/m3,楊氏模量E=75.8GPa;選取雙晶片的幾何尺寸參數(shù):寬度lw=5mm,厚度范圍lt=0.51,度范圍ll=00.2m.圖2,:,小。圖3,靈敏度隨雙晶片幾何尺寸的變化關(guān)系,可以看出,壓電雙晶片式位移傳感器的靈敏度隨雙晶片的長度增加而減小,隨厚度的增加而變大。34基頻與雙晶片幾何尺寸關(guān)系3結(jié)束語文中詳細(xì)分析了壓電雙晶片作為力、位移或振動傳感器的靈

21、敏度特性,并仿真分析了靈敏度與壓電雙晶片傳感器材料參數(shù)以及幾何尺寸的關(guān)系。其結(jié)果對壓電傳感器的設(shè)計(jì)與分析具有指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn):1許文秀.紅外熱釋電材料及熱釋電系數(shù)測試.壓電與聲光,1998,20(6):423-427.學(xué),1985,4(4):38-42.4高西漢.干涉法測量壓電材料的復(fù)壓電常數(shù).光學(xué)學(xué)報(bào),1995,15:1581-1584.actuatortoperformmechanicalworkundervariousconstantloadingcondi2tions.Ferroelectric,1991,119:89-105.),碩士,講師,主要從事電子技術(shù)和通訊作者簡介:杜保強(qiáng),(1973圖4為根據(jù)式(10)得出的懸臂梁式壓電雙晶片的基頻與雙晶片長度、厚度的關(guān)系。由圖可以看出:基頻隨雙晶片長度的減小而升高,隨厚度的減小而降低。為使傳感器工作穩(wěn)定,其(上接第8頁)5JCKSONMA,ROBINSI.Gassensingforfiredetection:measurementsofCO,CO2,H2,O2andsmokedensityinEuropeanstandardfiretests.FireSafety,1994: