快速滅火抑爆系統(tǒng)設(shè)計及驗證

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

對于艦船某些貯存彈藥等物資的艙室，一旦發(fā)生爆燃或發(fā)動機意外點火，對艦船的安全將產(chǎn)生致命的影響[1]。為此，設(shè)計一型快速、可靠的滅火抑爆系統(tǒng)，以提升其火災(zāi)尤其是爆燃及發(fā)動機意外點火的早期監(jiān)控及自動撲救能力。滅火抑爆系統(tǒng)具備以下功能。

1)能夠?qū)ε搩?nèi)發(fā)生的油氣爆燃和常規(guī)火災(zāi)及時響應(yīng)并進(jìn)行滅火抑爆。

2)能夠?qū)崿F(xiàn)爆燃火和常規(guī)火災(zāi)的識別，并根據(jù)危險等級實施相應(yīng)的消防處置。

3)艙內(nèi)火災(zāi)被撲滅后，系統(tǒng)能夠自動發(fā)送排風(fēng)裝置啟動信號。

4)滅火抑爆瓶故障時，能夠自動增援，滿足抑爆需求。

5)能夠?qū)μ綔y器及滅火抑爆瓶的狀態(tài)信息進(jìn)行顯示。

6)系統(tǒng)故障時，能夠通過應(yīng)急按鍵手動啟動滅火抑爆瓶。

1 控制單元設(shè)計

1.1 硬件

控制單元由殼體、信號處理模塊、負(fù)載控制模塊、I/O采集模塊、通信模塊、顯示模塊、電源模塊、連接器等組成，硬件組成見圖1。

圖1 控制單元硬件組成

其中，控制板共有多路4～20 mA電流采集模塊，每一路的電流采集模塊都采用相同的硬件電路設(shè)計，通過I/V轉(zhuǎn)換芯片RCV420將電流信號轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓，然后再通過分壓的方式供單片機AD采集。

圖2 4～20 mA采集模塊

控制盒共有多路輸出信號，每一路輸出模塊都采用相同的硬件電路設(shè)計，通過控制繼電器的吸合來實現(xiàn)控制信號輸出。

1.2 軟件

主要由信號采集與顯示模塊，滅火抑爆瓶控制模塊，排風(fēng)裝置控制模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等組成。其主要功能是通過I/O接口采集乘員艙內(nèi)各火焰探測器的報警信號、滅火抑爆瓶的狀態(tài)信號，并對信息進(jìn)行處理與顯示；實施對滅火抑爆瓶的自動啟動控制；實施對排風(fēng)裝置的控制；并能夠?qū)缶畔⑸蟼髦帘O(jiān)控臺?？刂茊卧浖鞒虉D見圖4。

圖3 控制信號輸出模塊

圖4 控制單元軟件流程

2 快速紫紅外火焰探測器設(shè)計

快速紫紅外火焰探測器能夠?qū)ε搩?nèi)的油氣爆燃與常規(guī)火災(zāi)快速反應(yīng)，上傳報警信號，并能夠排除干擾源，只對火災(zāi)危險反應(yīng)[2]。

2.1 火焰探測器硬件設(shè)計

火焰探測器由兩種不同波長的光學(xué)敏感器件、信號處理電路、報警信號顯示電路、接口電路、防爆殼體等組成，硬件組成見圖5。

圖5 火焰探測器硬件組成

其中，紫外傳感器選用日本濱松的紫外光電管R2868，其工作電壓DC325±25 V。首先通過變壓器T1產(chǎn)生直流高壓供給R2868，從而驅(qū)動紫外光電管正常工作。然后通過CD4093、HCF4017和HEF4538對紫外光電管輸出的脈沖進(jìn)行整形、計數(shù)以及濾波，消除干擾。最后通過高速光偶將脈沖輸入到主控芯片的引腳。

紅外傳感器選用的是PYD-1220 A型熱釋電紅外傳感器。通過OPA2335運算放大器將紅外傳感器輸出的毫伏信號進(jìn)行兩級放大，最后通過主控芯片自帶的AD進(jìn)行采集。

2.2 火焰探測器軟件設(shè)計

微控制器采集紫紅外探測模塊輸出的脈沖信號和強度信號。其程序流程圖見圖6。

圖6 獲取紫外脈沖與紅外信號強度的流程

根據(jù)硬件采集到的紫外探測模塊發(fā)送的脈沖數(shù)量、紅外探測模塊發(fā)送的光譜強度信號制定火災(zāi)識別判定算法：每2.5 ms時間內(nèi)，定時器模塊和AD模塊將每個100 μs檢測一次紫外和紅外傳感器的輸出信號，并連續(xù)分析最近的若干次數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果與存儲的火災(zāi)特征庫的發(fā)生火災(zāi)時的紅外和紫外特征進(jìn)行對比。針對紫外傳感器，設(shè)定脈沖數(shù)量閾值N，當(dāng)微處理器接收到的脈沖數(shù)量大于N，紫外報警狀態(tài)位置1；針對紅外傳感器，設(shè)定光強度閾值T，當(dāng)微處理器接收到的紅外光強大于閾值T，紅外報警狀態(tài)位置1；當(dāng)紫外報警狀態(tài)位于紅外報警狀態(tài)位均為1時，該探測器輸出報警信號,程序流程見圖7。

圖7 火災(zāi)判定流程

3 試驗驗證及結(jié)果分析

試驗?zāi)Ｐ偷男螤睢⑷莘e及密封性能應(yīng)與真實車型等效；試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)對油氣爆燃的探測和抑制有影響的物件用模擬物代替。

3.1 探測性能試驗結(jié)果分析

3.1.1 響應(yīng)時間

距離火焰探測器400 mm擺放內(nèi)徑127 mm、深度76 mm的火盆，使得火焰探測器對標(biāo)準(zhǔn)火焰直射，通過高速攝像機記錄標(biāo)準(zhǔn)火盆點燃瞬間至火焰探測器報警指示燈點亮的畫面，通過10次真實點火試驗,驗證了火焰探測器對爆燃火的響應(yīng)時間，試驗場景見圖8，結(jié)果見表1。

圖8 響應(yīng)時間試驗場景

表1 火焰探測器對爆燃火響應(yīng)時間試驗結(jié)果

3.1.2 探測角度

在距離火焰探測器400 mm處擺放標(biāo)準(zhǔn)火盆，將火焰探測器沿探測視角中心軸線分別沿水平和豎直方向旋轉(zhuǎn)，調(diào)整探測視角的中心軸線與標(biāo)準(zhǔn)火盆在同一水平和豎直方向形成±45°的夾角，通過10次試驗驗證探測器均能正確報警。

3.1.3 抗干擾能力

將火焰探測器分別對標(biāo)準(zhǔn)要求的各種干擾源直射，火焰探測器均未發(fā)出報警信號，抗干擾能力試驗場景見圖9，試驗結(jié)果見表2。

圖9 干擾源試驗

表2 火焰探測器抗干擾試驗結(jié)果

3.2 滅火抑爆效能試驗結(jié)果分析

3.2.1 控制輸出

通過真是點火試驗使得火焰探測器報警，控制單元顯示屏顯示對應(yīng)報警火焰探測器的狀態(tài)，火災(zāi)報警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，模擬負(fù)載的1～4號滅火抑爆裝置指示燈全部點亮；通過示波器觀察控制單元采集到報警信號至發(fā)出控制輸出指令所需時間，均在10 ms以內(nèi)。

3.2.2 狀態(tài)采集

將滅火抑爆將模擬負(fù)載的滅火抑爆裝置狀態(tài)選擇開關(guān)依次由“正?！睋苤痢搬尫拧保瑱z查控制單元顯示屏中各滅火抑爆裝置的狀態(tài)變化均能正常反應(yīng)其釋放狀態(tài)。

3.2.3 自動增援

將模擬負(fù)載上任一滅火抑爆裝置狀態(tài)選擇開關(guān)撥至“故障”狀態(tài)，通過真實點火使得火焰探測器報警，備用滅火抑爆裝置指示燈點亮。

3.3 滅火抑爆效能試驗結(jié)果分析

在試驗?zāi)Ｐ椭写罱缁鹨直到y(tǒng)樣機，放置300 mm×300 mm×100 mm的油池，倒入適量柴油，用電子點火器進(jìn)行點燃(通過正庚烷引燃)，火焰探測器報警后由控制單元啟動滅火抑爆瓶。通過高速攝像機拍攝滅火抑爆瓶的釋放畫面，從滅火抑爆瓶釋放出滅火劑那一幀算起，到壓力開關(guān)動作(通過示波器或萬用表檢測)，計算有效釋放時間[3]，火盆熄滅且不復(fù)燃。試驗結(jié)果見表3。其中，83 ms為10次試驗的最長釋放時間。

表3 滅火抑爆瓶功能性能驗證試驗記錄表

4 結(jié)論

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對爆燃火災(zāi)的5 ms內(nèi)的探測響應(yīng)，并有效排除可能出現(xiàn)的干擾源；控制單元能夠?qū)崿F(xiàn)10 ms內(nèi)的控制輸出，結(jié)合滅火抑爆裝置的釋放時間，本系統(tǒng)從發(fā)生爆燃至完成滅火抑爆的全過程所需時間不大于100 ms，功能性能滿足設(shè)計要求。