火災探測器分類感煙探測器

火災探測器分類感煙探測器第1頁/共72頁2第二章火災探測器及其應用注意參考趙英然書P166第2頁/共72頁3主要內容2.1火災探測器分類2.2感煙探測器2.3感溫探測器2.4火焰探測器2.5氣體傳感器2.6探測器的性能指標及工程應用(參考陳南書P24）第3頁/共72頁42.1火災探測器分類第4頁/共72頁5火災探測器分類火災探測器的工作實質是將火災中出現(xiàn)的質量流（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；根據對火災不同的響應信號特征，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；根據保護面積和范圍分為點型和線型兩類；根據智能程度分為開關量,模擬量(類比式)和智能化探測器.第5頁/共72頁6火災探測器分類第6頁/共72頁7火災探測器分類第7頁/共72頁8火災探測器分類第8頁/共72頁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第9頁/共72頁102.2感煙探測器火災煙霧屬性特征感煙探測的基本原理離子感煙探測器光電感煙探測器感煙探測器性能及選用原則第10頁/共72頁11感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧（煙氣）定義煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象煙霧顆粒平均尺寸煙霧顆粒尺度分布第11頁/共72頁12感煙探測器火災煙霧的屬性特征火災煙霧(煙氣)定義燃燒產生的由多相物質組成的氣溶膠(aerosol)，通常包括可燃物熱解或燃燒產生的氣相燃燒產物、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?！稛釣暮嶒炘\斷方法》Smoke.Theairbornesolidandliquidparticulatesandgasesevolvedwhenamaterialundergoespyrolysisorcombustion,togetherwiththequantityofairthatisentrainedotherwisemixedintothemass.（NFPA92B2000Edition)第12頁/共72頁13感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙顆粒是指人的肉眼可見的燃燒生成物，其粒子直徑為0.01~10m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。絕大多數(shù)物質在燃燒的開始階段，首先產生煙霧，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。第13頁/共72頁14感煙探測器火災煙霧的屬性特征第14頁/共72頁15感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象(Fractalcoagulation)第15頁/共72頁16火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象感煙探測器第16頁/共72頁17感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒的分形凝并現(xiàn)象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?；馂臒熿F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1μm；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10μm以上。

第17頁/共72頁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、體積平均直徑和質量中間直徑火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒平均尺寸索太爾平均直徑D32:保持總體積和總表面積的比值不變體積平均直徑D30:總體積和粒子總數(shù)不變質量中間直徑D43:在該直徑以上或以下，粒子的累積質量百分數(shù)相等(即各占50％)第18頁/共72頁19感煙探測器部分燃燒物不同燃燒狀況索太爾直徑火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒平均尺寸第19頁/共72頁20感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒尺度分布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；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。第20頁/共72頁21感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒尺度分布(R-R分布）第21頁/共72頁22感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒尺度分布(R-R分布）相同不同k的R-R分布函數(shù)體積頻度分布曲線

第22頁/共72頁23感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒尺度分布(正態(tài)分布）第23頁/共72頁24感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒尺度分布(對數(shù)正態(tài)分布）第24頁/共72頁25感煙探測器火災煙霧的屬性特征煙霧顆粒尺度分布（上限對數(shù)正態(tài)分布）第25頁/共72頁26感煙探測器感煙探測的基本原理對離子有俘獲和阻擋作用（離子型）對光線具有散射和吸收效應（光電散射型、光電吸收型）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)臏囟仍诟邷刈饔孟?，微粒本身帶有靜電荷第26頁/共72頁27感煙探測器離子感煙探測器（王殊書）離子感煙探測器基本原理離子感煙探測器結構離子感煙探測器電路第27頁/共72頁28感煙探測器離子感煙探測器（王殊書）離子感煙探測器基本原理

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，使電離室內的空氣產生電離，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)

第28頁/共72頁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.離子感煙探測器離子感煙探測器基本原理第29頁/共72頁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I’1，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V’2。增加電壓值：V=V’2-V’1>0;當V增加到一定值時，發(fā)出報警信號.離子感煙探測器離子感煙探測器基本原理第30頁/共72頁31感煙探測器離子感煙探測器離子感煙探測器基本原理由霍澤曼方程有y為電流相對強度,z為煙濃度,d為煙顆粒平均直徑η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。

第31頁/共72頁32感煙探測器離子感煙探測器離子感煙探測器結構第32頁/共72頁33感煙探測器離子感煙探測器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。第33頁/共72頁34感煙探測器離子感煙探測器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)作為阻抗耦合后進行放大;開關轉換電路是用經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。第34頁/共72頁35感煙探測器光電感煙探測器預備知識(電磁波譜)光電感煙探測器原理點型光電感煙探測器線型光電感煙探測器第35頁/共72頁36感煙探測器光電感煙探測器電磁波譜第36頁/共72頁37感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理煙霧顆粒是多譜的,粒徑變化范圍0.01-1um;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.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.第37頁/共72頁38感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子散射)IpIw散射光強散射效率因子減光效率因子第38頁/共72頁39感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子散射)根據煙顆粒與入射波長相對大小煙霧顆粒粒徑為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.第39頁/共72頁40感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子散射)第40頁/共72頁41感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子Rayleigh散射)忽略折射率隨波長變化情況下，散射強度正比與dp6/λ4；散射圖在前向和后向是對稱的，而且具有最大值。第41頁/共72頁42感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子Mie散射)當入射光是平面偏振光時，散射光強為：第42頁/共72頁43感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子Mie散射)散射效率和減光效率是粒徑尺寸參數(shù)α和折射率mr的函數(shù);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θ散射角.第43頁/共72頁44感煙探測器光電感煙探測器光電感煙探測器原理(單粒子幾何光學散射)前向散射強度極強,且在更多角度上呈極大極小值;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。在大粒子幾何橫截面確定的面積內通過的光，一部分被粒子表面所反射，一部分被折射。入射粒子的光線經過若干次內反射和折射后，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)。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第44頁/共72頁45感煙探測器光電感煙探測器點型減光型散射型第45頁/共72頁46感煙探測器光電感煙探測器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第46頁/共72頁47感煙探測器光電感煙探測器點型散射型前向散射型后向散射型第47頁/共72頁48感煙探測器光電感煙探測器（點型）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.第48頁/共72頁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)整體結構情況光電感煙探測器（點型）第49頁/共72頁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)整體結構情況光電感煙探測器（點型）第50頁/共72頁51感煙探測器光電感煙探測器（點型）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要盡量均衡；（3）探測結構允許。設計經驗：（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壁反射回來的光，設計上可以利用光學陷阱。第51頁/共72頁52感煙探測器光電感煙探測器（線型）光電感煙探測器原理(多譜氣溶膠粒子群散射)第52頁/共72頁53感煙探測器光電感煙探測器（線型）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為煙霧質量濃度,g/m3一般材料和塑料明火Km=7.6m2/g熱解時煙霧Km=4.4m2/g第53頁/共72頁54感煙探測器光電感煙探測器線型保護面積大，通常用于大廳、倉庫等場合；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；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。2θ第54頁/共72頁55感煙探測器光電感煙探測器線型第55頁/共72頁56感煙探測器光電感煙探測器（線型）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,可抑制低頻干擾信號,也可降低電源功耗.光線經透鏡匯聚成平行光束;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光敏器件的光敏面上.第56頁/共72頁57感煙探測器火災探測器性能指標參數(shù)響應閾值:火災探測器動作的最小參數(shù)值.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穩(wěn)定性:一個預定的周期時間內,以不變的靈敏度重復感受火災的能力維修性:對可以維修的探測器產品進行修復難易程度或性質.第57頁/共72頁58感煙探測器火災探測器性能指標參數(shù)點型光電感煙探測器響應閾值減光系數(shù)m(dB/m),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),靈敏度確定

采用4種標準火和光學煙密度計和離子煙濃度計進行測量標定,確定第58頁/共72頁59感煙探測器感煙探測器響應煙的性能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,μv.cm30.05～0.15m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。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第59頁/共72頁60感煙探測器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量濃度條件下，相對靈敏度與粒徑的關系（曲線在0.4m處相交）A、散射光型探測器B、減光型探測器C、離子感煙探測器第60頁/共72頁61感煙探測器散射光型和離子感煙探測器在質量濃度相同條件下,響應靈敏度與煙類型的定性關系第61頁/共72頁62感煙探測器兩種探測器優(yōu)缺點比較離子探測器

(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;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.第62頁/共72頁63感煙探測器感煙探測器性能檢驗感煙探測器的性能檢驗要依據正確、合理的國家標準進行。探測器產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、長期工作可靠、穩(wěn)定、減少誤報的重要環(huán)節(jié)之一。國家標準GB4715《點型感煙火災探測器技術要求及試驗方法》已實施多年，其主要技術指標與國際通行標準的規(guī)定基本一致，是檢驗探測器性能的主要技術依據。新設計定型的感煙探測器都要按此標準進行型式試驗。第63頁/共