基于光路改進(jìn)的耐高濕環(huán)境的感煙探測器

方華松 李銀凡 白緒濤 李建文

摘要：為了降低核電站地下綜合管廊在一些潮濕環(huán)境中因水汽導(dǎo)致感煙火災(zāi)探測頻繁誤報(bào)問題，對現(xiàn)場情況及當(dāng)前感煙火災(zāi)探測技術(shù)做了充分的調(diào)研分析?，F(xiàn)基于雙波長感煙探測及煙霧算法識別等技術(shù)開發(fā)一套適用于高濕環(huán)境下的雙波長感煙火災(zāi)探測器，并通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證該探測器在高濕環(huán)境中的適用性及穩(wěn)定性。結(jié)果表明該感煙探測器在高濕環(huán)境中煙霧識別算法可成功剔除水汽產(chǎn)生的干擾信號，避免誤報(bào)情況的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：核電站;光路改進(jìn);雙波長感煙火災(zāi)探測器;耐高濕

中圖分類號：TU892? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）04-0019-04

核電作為“碳中和”的有力資源之一，為碳補(bǔ)償提供新的視角。2019年始，國家戰(zhàn)略已將目光投向核電行業(yè)，未來核電工程將得到快速發(fā)展。消防安全是核電站生產(chǎn)運(yùn)行最基本的要求之一，然而在核電站運(yùn)營中由于輻射潛在危害性，一旦發(fā)生火災(zāi)，將可能引起核安全系統(tǒng)相關(guān)事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響，后果極其嚴(yán)重。為此，及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的探測報(bào)警，是充分發(fā)揮消防滅火系統(tǒng)，保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全，減少火災(zāi)造成損失的重要條件。

核電站大部分區(qū)域的火災(zāi)探測器均滿足現(xiàn)場的使用需求，但在一些地下綜合管廊等相對濕度較大的區(qū)域，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，感煙火災(zāi)探測器誤報(bào)率高達(dá)9.8%，經(jīng)分析，潮濕和熱氣為主要的誤報(bào)源。頻繁的誤報(bào)不但給現(xiàn)場消防管理人員增加了工作難度，而且系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下會(huì)聯(lián)動(dòng)消防滅火系統(tǒng)誤啟動(dòng)，一些特殊場所中如果發(fā)生誤報(bào)引發(fā)的后果將不堪設(shè)想。

1? 感煙探測技術(shù)現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代以來，電子和核電行業(yè)都取得了長足的發(fā)展，但煙霧探測技術(shù)和規(guī)范幾乎未發(fā)生任何變化。目前用于核電站的感煙探測器主要可分為兩類：一是電離型，使用放射性物質(zhì)來電離空氣，然后檢測電荷不平衡實(shí)現(xiàn)煙霧探測，但由于《離子感煙火災(zāi)探測器放射防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBZ122-2006）的頒布，離子型感煙探測器不能滿足強(qiáng)制性國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求而逐漸被淘汰;二是光電型，使用光電探測器對某個(gè)角度發(fā)射光源，并檢測從大氣塵粒反射到光電二極管的光所引起的光電探測器電流實(shí)現(xiàn)煙霧探測。傳統(tǒng)的感煙火災(zāi)探測器只是一個(gè)單光源紅外煙霧傳感器，當(dāng)有粉塵、水汽進(jìn)入探測器的煙霧檢測室時(shí)，探測器是無法區(qū)分粉塵、水汽和煙霧的，因此探測器將統(tǒng)一認(rèn)為是煙霧報(bào)警，從而把錯(cuò)誤的信息傳遞給控制器，造成誤報(bào)警的不良影響。

雖然國內(nèi)外一些權(quán)威機(jī)構(gòu)就感煙探測器誤報(bào)問題已經(jīng)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范做了相應(yīng)的修訂，如美國UL實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的ANSI/UL-217、ANSI/UL-268和國家消防機(jī)構(gòu)發(fā)布的NFPA72國家火災(zāi)報(bào)警規(guī)范，都旨在通過對感煙火災(zāi)探測器設(shè)計(jì)提出更復(fù)雜的要求來解決這些問題。相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)科技工作者也在該方面做了積極的響應(yīng)并開展了大量的研究工作并取得一定成效：在探測方法方面主要有減光型與散射型結(jié)合、煙溫復(fù)合探測器以及與CO傳感器復(fù)合等;在結(jié)構(gòu)改造方面主要有前向散射迷宮、后向散射迷宮和雙向散射迷宮等。有的已經(jīng)成熟應(yīng)用到產(chǎn)品中，但有的因靈敏度或成本問題并沒有被廣泛應(yīng)用。

筆者依據(jù)前者的研究成果，并結(jié)合對誤報(bào)源本身特性和現(xiàn)有感煙探測器對誤報(bào)源的感應(yīng)特性進(jìn)行分析研究，通過改進(jìn)感煙火災(zāi)探測器探測光路并植入煙霧識別算法實(shí)現(xiàn)一種適用于高濕環(huán)境的雙波長感煙火災(zāi)探測器，并通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證其性能。

2? 雙波長感煙探測器

基于光路改進(jìn)的耐高濕環(huán)境的雙波長感煙火災(zāi)探測器是集雙波長煙霧探測技術(shù)、煙霧算法識別技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等多門學(xué)科交叉、多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行融合設(shè)計(jì)開發(fā)而成，屬于獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。通過雙光路散射光學(xué)原理識別空氣中的水霧等非煙氣介質(zhì)，從而降低誤報(bào)率，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的火災(zāi)探測。

2.1? 雙波長感煙探測器工作原理

雙波長感煙火災(zāi)探測器采用兩種不同波長的發(fā)射光，一種是波長為470nm的藍(lán)光BL，一種是940nm的紅外光IR。進(jìn)行煙霧探測時(shí)，兩個(gè)光發(fā)射器交替發(fā)出的藍(lán)光和紅外光遇到微小顆粒時(shí)產(chǎn)生的散射光經(jīng)過透鏡被光接收器接收。探測器內(nèi)部的芯片把接收的光電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并計(jì)算不同光源的數(shù)字信號的均值、斜率以及標(biāo)準(zhǔn)方差等進(jìn)行初步判斷，滿足預(yù)警條件后通過煙霧識別算法剔除探測器迷宮中空氣樣品中的水霧干擾信號，再通過預(yù)設(shè)的BL/IR修正閾值對空氣樣品進(jìn)行綜合邏輯研判消除其他干擾信號，最終確定火災(zāi)的發(fā)生，詳細(xì)工作流程如圖2所示。最后將報(bào)警信息通過NB-loT信號塔同步推送至中心管理平臺及其他應(yīng)用終端，及時(shí)做出險(xiǎn)情排除和人員撤離。

2.2? 功能特點(diǎn)

雙波長感煙火災(zāi)探測器采用雙光源設(shè)計(jì)，相對于單光源感煙火災(zāi)探測器，其運(yùn)行穩(wěn)定可靠，探測響應(yīng)速度快，誤報(bào)率低。

誤報(bào)率低：基于雙波長感煙火災(zāi)探測技術(shù)，通過對兩種不同的光源信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析和研判，可較為徹底剔除水汽和灰塵等干擾信號，避免誤報(bào)。

無線傳輸：結(jié)合核電站消防改造布線施工難度的特點(diǎn)，采用NB-loT無線傳輸技術(shù)，施工方便，報(bào)警傳輸速度快、終端設(shè)備配置靈活，可隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)警。

多種報(bào)警方式：設(shè)計(jì)五重報(bào)警，自帶聲光報(bào)警、電話遠(yuǎn)程報(bào)警、手機(jī)短信報(bào)警、平臺報(bào)警提示和記錄和手機(jī)App報(bào)警，同時(shí)具有紅外消音功能，并支持平臺一鍵消音。實(shí)現(xiàn)多重報(bào)警，多人接收，多端火災(zāi)防控。

平臺對接：支持安消一體化系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)互通，設(shè)備—系統(tǒng)對接方便，無論是設(shè)備端、管理端還是云端均實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、流程化，商務(wù)合作零門檻。

3? 雙波長感煙探測器耐高濕性能測試

根據(jù)國標(biāo)《點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器》（GB4715-2005）要求對雙波長感煙火災(zāi)探測器開展各項(xiàng)性能試驗(yàn)，包括煙霧報(bào)警試驗(yàn)、老化試驗(yàn)、氣流試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、浪涌抗擾度試驗(yàn)及火災(zāi)靈敏度試驗(yàn)等，在均滿足各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的基礎(chǔ)上開展對雙波長感煙探測器的耐高濕性能測試。

3.1? 試驗(yàn)方法

考慮到火災(zāi)探測系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，一旦安裝調(diào)試完成，一年四季均不間斷運(yùn)行。而冬季和夏季探測器周圍溫度存在顯著差異，潮濕對探測器的干擾效應(yīng)也因此可能產(chǎn)生差異，為了全面了解不同環(huán)境條件對雙波長感煙火災(zāi)探測器性能的影響，設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)：在一定的氣流速度條件下，分別在7℃和28℃時(shí)改變環(huán)境中的相對濕度，監(jiān)測感煙探測器數(shù)據(jù)輸出，檢驗(yàn)探測器在高濕環(huán)境下的運(yùn)行情況。

火災(zāi)探測器試驗(yàn)裝置主體為一個(gè)濕熱箱，外加電源、控制單元、轉(zhuǎn)換線路及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

濕熱箱帶有轉(zhuǎn)速為1400r/min的風(fēng)機(jī)，提供0.5m/s恒定風(fēng)速，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)監(jiān)測探測器試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)變化，該系統(tǒng)是基于美國Link公司與臺灣聯(lián)合生產(chǎn)的虛擬測量儀器開發(fā)的一款專門用于測試雙波長感煙火災(zāi)探測器的專用系統(tǒng)。

3.2? 結(jié)果分析

試驗(yàn)開始時(shí)，通過大功率加濕器來改變濕熱箱內(nèi)的相對濕度，在610s時(shí)濕熱箱相對濕度達(dá)到100%，持續(xù)加濕到1200s，監(jiān)測這段時(shí)間內(nèi)雙波長感煙火災(zāi)探測器BL/IR算法修正值的變化，并分別在7℃和28℃試驗(yàn)條件下進(jìn)行多組試驗(yàn)，得出光電感煙探測器BL/IR算法修正值與空氣相對濕度的關(guān)系。

經(jīng)試驗(yàn)分析：在7℃試驗(yàn)條件下，加濕器不斷給濕熱箱加濕達(dá)到飽和狀態(tài)，這時(shí)繼續(xù)加濕，由于溫度較低，則部分顆粒狀細(xì)水霧來不及氣化成氣態(tài)，從而進(jìn)入感煙火災(zāi)探測器迷宮發(fā)生光散射現(xiàn)象，形成局部干擾，BL/IR算法修正值曲線與濕度變化曲線如圖4所示。通過試驗(yàn)得出BL/IR算法修正值峰值達(dá)到1.35左右，并沒有達(dá)到探測器修正算法1.4的報(bào)警閾值。當(dāng)停止加濕后，雖然空氣相對濕度并沒有及時(shí)隨之下降，依然保持在飽和狀態(tài)，但探測器BL/IR的比值迅速下降到其初始值。究其原因，主要由于停止對濕熱箱加濕后，濕熱箱內(nèi)的空氣流動(dòng)使?jié)駸嵯浜吞綔y器迷宮內(nèi)的水霧迅速氣化，干擾也隨即消失，BL/IR算法修正值迅速回歸到初始值。

經(jīng)試驗(yàn)分析：28℃試驗(yàn)條件下，由于環(huán)境溫度較高，因此，水蒸氣的凝結(jié)過程與7℃時(shí)不同，28℃時(shí)相對濕度曲線與探測器BL/IR算法修正值曲線如圖5所示。試驗(yàn)開始后，探測器周圍濕度迅速升高直至飽和狀態(tài)，此后繼續(xù)加濕，探測器的BL/IR算法修正值并沒有明顯變化，主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度較高，水蒸氣不易凝結(jié)成能發(fā)生光干擾現(xiàn)象的液態(tài)小顆粒，因此，即使飽和濕度下雙波長感煙火災(zāi)探測器BL/IR算法修正值也基本上不發(fā)生變化。

3.3? 試驗(yàn)結(jié)論

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析可以獲得以下結(jié)論：在不同外界環(huán)境溫度條件下，空氣相對濕度較高，甚至達(dá)到飽和之后，水汽凝結(jié)為液體小水珠，以及液體小水珠在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生的氣化、凝結(jié)、凝并等多重物理現(xiàn)象引起其粒徑變化，使得粒子直徑的差異將引起光散射干擾規(guī)律不同，通過對紅外信號數(shù)據(jù)、藍(lán)光信號數(shù)據(jù)及BL/IR算法修正值的數(shù)據(jù)分析和綜合研判，最終可以成功剔除空氣中的水汽的干擾。使得雙波長感煙探測器在不同溫度的高濕環(huán)境中均可穩(wěn)定運(yùn)行，沒有誤報(bào)情況的發(fā)生。

4? 結(jié)語

筆者通過對核電站地下綜合管廊等一些潮濕場所的感煙火災(zāi)探測器誤報(bào)問題進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研及數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合單光源感煙火災(zāi)探測器的探測原理，最終確定水汽是導(dǎo)致探測器誤報(bào)的根本原因。基于國內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)及一些科學(xué)工作者對感煙火災(zāi)探測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于光路改進(jìn)的適用于核電站耐高濕環(huán)境的雙波長感煙火災(zāi)探測器，并通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證該探測器在高濕場所中的適用性。雙波長感煙火災(zāi)探測技術(shù)賦予探測器敏銳的“雙目”，解決了傳統(tǒng)單光源感煙探測器無法徹底區(qū)分灰塵、水蒸氣等非煙類信號的問題，從本質(zhì)上較為徹底地解決感煙探測器在高濕環(huán)境中的誤報(bào)問題。既確保了感煙探測器在核電站地下綜合管廊等一些高濕場所中能夠穩(wěn)定運(yùn)行、有效探測，又為后期核電站潮濕場所消防升級改造或新建項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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