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感烟、感温火灾探测器在火灾探测中起到的作用
传统感烟、感温火灾探测器在火灾探测中起到了觅要的作用,而且也在不断犮展完善,但 足还并不能让人满意6它们本质上以火灾的烟苏浓度和温度等物理特性作为测量的对象,而燃 烧的材料种类、燃烧状况、灰尘、水汽和热源等很多因家都会显著的影响到这呰参数,从而影 响了常规探测器的可靠性,使之容易产生误报,甚至对特定的火灾不响应。例如,针对温升的 探测器对阴燃火没杆响应,某件感烟探测器对洒精火等也没苻响应等等。
石油联合企业、煤矿、化学工厂等单位不断发生气体池漏、爆炸事故、引发火灾,大气污 染日趋严重,普通家庭也常荷气体中毐尜故。为了防止气体事故发生,对CH4等爆炸性气体的 检测与控制势在必行,因而需®研制检测气体的传感器和研宄各类气体的检测方法。
绝大多数液体或闽体材料在燃烧初期,都产生CO、C02等标志性气体,因而通过探测C0、 co2等火火气体产物,可以实现早期火灾探测。由于在正常惜况下,环境中的COW杲干扰性气 体较少,因此相对于感烟、感温探测器,火灾气体探测器的环境影响因素大大减小。
气体探测技术比感温感烟的技术要fi杂.R吊贵,因此气体探测一汽处•丁•可望而不可及的境 地。W外从30年代开始研究开发气体传感器,早期气沐传感器主要用•丁•煤气、液化石油气、天 然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报羚,后来火火领域的研究人员开始借肋这些技术来检测火 火中产生的各种气态产物。近年来,由丁•气体传感技术荷了长足进步,气体探测技术正面临若 一个蓬勃的发展时期。在AUBE’99和AUBEXM火灾[11动探测同际学术讨论会上,有多篇论文涉 及气体探测,其中主要足con体探测以及烟温气父合探测技术。
一、可燃气体
在石油、煤矿、化工厂等企业单位,油气泄漏使环境中存在场燃场爆气体,居民家庭煤 气、液化气泄漏也偶有发生,容易引起火灾爆炸事故,给生产生活带来很大的威胁。为了防止 爆炸的发生,需对易燃易爆气体的浓度进行检测,以便浓度超标时及时采取措施。在生产过程 中,可燃气体泄出可能使工作场所的新鲜空气逐渐被取代,以致于全部被可燃气体充满。在图 5-1中,根据空气与可燃性气体混合气体的比例,将可燃性气体的浓度分成三个区域:低丁最低 爆炸极限LEL( Lower Explosive Limit)的欠景区;最低爆炸极限LHL与最高爆炸极限UF丄(Upper Explosive Limit)之间的爆炸区;高于最高爆炸极限的s景区。
欠罱区:空气混合气体中可燃性气体的浓度从0到LEL这个区域中,由于可燃性气体的浓 度比较低,此时即使具备足够的点燃能景,也不会产生爆炸;
爆炸区:上述混合气体中可燃性气体的浓度处于LEL及UEL之间这个区域中,只要具备 足够的点燃能罱,就必然产生爆炸;
宫量区:如上述混合气体中可燃性气体的浓度高于UEL,此时,由于空气(实际足氧气) 含量过低,因此也不具备爆炸条件,但足当外来空气的不断补入时,乂将返回“爆炸区”,因此, “富量区”的浞合气(4、也足十分危险的。
二、火灾中的气体产物
火灾产生的气体成分足复杂多样的,包含完全燃烧产物,如co2和h2o:以及不完全燃烧 产物,如co、气态碳a化合物及醉类、醛类、酮类、酸类、酯类;如果可燃物中还含有其他元 岽,例如S和卤素(F、Cl、Br),则产物中就会包含硫的氧化物以及卤素的化合物<=
对于绝大多数可燃物,均含有C、H元素,其在空气中阴燃热解或明火燃烧时,气态燃烧 产物的主要成分为h2o、CO和co2。国内外的研宂表叨,各种标准火都会产生一定数星的CO 和 C02o
和火火烟气中的烟雾颗粒不同,火火的气f本产物需耍更少的热量驱动就可以快速上升。C0 等一些气体由于比空气轻,其至不需要热量的驱动,就能非常容易地扩散上升,这对于火灾探 测器的布置和在较早的时间捕捉到火灾发生倍息非常重耍。从燃烧的机理来说,早期火火(燃 烧的初期)通常不会产生叨玆的温升和烟雾,而此时却己经有热解产生的气态产物。图5-3为 火灾不同发展阶段与火灾探测器响应的对应关系,因此,气体产物适宜•丁•早期火灾探测。
另一方面,火灾烟气不仅含有大童没有完全燃烧的组分,而.R.含有很多有毒、有害的组分, 其中CO、HCN、S02足主要毒性组分,C02则足造成人员窒息的主要组分。
尤其在现代建筑物中,使用了大童高分子聚合物的构件和装修材料,它们在高温条件下释 放的有毒、有害成分耍比天然木材高得多,因而对人员安全的威胁更为严迢。
表5-3足火灾时,各种气体产物在环境中最大允许浓度,以及对人体不同程度的危害作用影
响o
可燃气体或火灾气沐产物探测主要越于以下三个原现:
(1)利用半导体气体器件检测的电气方法;
(2)利用气体对光的祈射率成光吸收等特性来检测气体的光学法;
(3)利用电极和电解液对气体进行检测的电化学法。
表5-4列出了当前使用的主要气体检测方法以及相应的气体检测种类。
气体传感器的主要特性参数足灵敏度、响应时间、选择性、稳定性等,以下对各参数进行 解释说明。
(1)灵敏度
灵敏度(ZO标志气敏元件对气体的敏感程度,决定了测童精度,釆用元件的阻值变化童 △ /?与气体浓度变化童AP之比来表示,即&=△/?/△&
灵敏度另一种表示方法,即气敏元件在空气中的阻值A与在被测气体中的阻值R之比,即 K=RJRc
(2)响应时间
从气敏元件与波测气体接触,到气敏元件的叭值达到新的怛定值所:要的时间称为响应时 间,它表示气敏元件对一定浓度被测气体的反应速度。
(3)选择性
在多种气体共存的条件下,气敏元件区分不同种类气体的能力称为选择性,对某种气体的 选择性好,就表示气敏元件对它有较商的灵敏度,选择牲足气敏元件的重耍参数,也足前较 难解决的问题之一。
(4)稳定性
当气体浓度不变时,若其他条件发生变化,在规定的时间内,气敏元件输出特性.维持不变 的能力,称为稳定性。稳定性表示气敏元件对于气体浓度以外的各种因素的抵抗能力。
(5)温度特性
气敏元件灵敏度随温度变化的特忡.称为温度特性。温度有元件CI身温度与环境温度之分, 这两种温度对灵敏度都柯影响。元件D身温度对灵敏度的影响与所用材料有关。环境温度对灵 敏度的影响相当大,常釆用温度补偿方法进行解决<■
(6)湿度特性
气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特蚀称为湿度特性,湿度特性足影响检测精度的另一 个因素,常采用湿度补偿方法进行解决。
(7)电源电压特性
气敏元件的灵敏度随电源电压变化的特性称为电源电压特性,为改善传感器的电源电压特 性,需采用恆压源。
 
 

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