第二章 火灾探测器(火焰和气体)

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辐射相对能量 辐射相对能量 辐射相对能量 辐射相对能量
辐射相对能量 辐射相对能量
辐射相对能量 辐射相对能量
波长/μm
乙醇
波长/μm
蜡烛
波长/μm 波长/μm
10 8 6 4 0
波长/μm
10 8 6 4 0 波长/μm
波长/μm
H2O？CO？ CO2 ？
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火灾中典型气体产物的危害
Roundup
火灾气体产物
环境中最大允许浓度 （/ppm）
致人麻木极限浓度 （/ %或ppm）
致人死亡极限浓度 （/ %或ppm）
CO2 CO HCN H2S HCl NH3 HF SO2 Cl2 NO2
单波段红外火焰探测器的特点：
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1、对多数含碳氢化合物的火灾响应性较好。
2、对电弧焊不敏感
3、通过烟雾和其他污染物的能力强
多波段红外火焰探测器的特点： 1、日光盲 2、对一般的电力照明、人工光源不敏感 3、受其它形式的辐射影响小 4、对稳定的或经调制的黑体辐射不敏感，误报率低
波长/μm
火焰探测路径上的衰减
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大气衰减 气溶胶粒子衰减 探测器窗口的衰减
探测器必须通过罩或窗口元件隔离灰尘、湿气和腐蚀 性气体的影响。所选材料必须能透过选择的波长区段。
红外光的波长较大，烟雾粒子对其吸收和衰减远比波 长较短的紫外光及可见光弱。因此，在有大量烟雾存在的 火场，即使距离火焰一定距离仍可使红外响应。
当C, R1一定时，光照越强，频率越高。通过测量脉冲频率 就可以测得紫外光照的强度，当脉冲频率高于一定值时， 就发出火警信号。
紫外火焰探测器
紫外火焰探测器探测波段的选择
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紫外光敏管的光谱能量分布与海平面的太阳辐射能隔断， 所以太阳光不会对紫外光敏管构成干扰。紫外光敏管的光谱 能量分布与碳氢化合物燃烧火焰辐射能有交叉，可见紫外光 敏管具有“日光盲”的特性，并能有效响应燃烧火焰辐射。
（2）当入射光的频率不变时，产生的光电流与光强成正 比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电 子数也就越多 。
2）紫外光敏管
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由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只玻璃管内。 阴极装在玻璃管内壁上，紫外光电管阴极材料一般为钨，其上 涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置 于玻璃管的中央。（金属钨的逸出功为4.54ev）
1. 传统感烟、感温火灾探测器在火灾探测中起到了重要的作 用，但还存在不让人满意之处。
2.石化企业、煤矿等场所不断发生气体泄漏、爆炸事故、引发 火灾，普通家庭也常有气体中毒事故 。
VOL%
3.绝大多数液体或固体材料在燃烧
(空气） 欠量区 0
爆炸区
富量区
气
初期，都产生CO、CO2等标志性气 空
体，因而通过探测CO、CO2等火灾
性气体和呼出气体中的酒精、NOx等。
表面控制型传感器: 半导体表面暴露在空气中时，吸附气体 （氧气） ，则半导体和吸附的气体之间会有电子的施受发生， 造成电子迁移，从而形成表面电荷层。
1 2
O2
(g)

ne

On (ad
)
半导体阻值发生变化
or
当空气中存在可燃性气体时
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高压
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Roundup
R
电子 开关
紫外管 C
R1
当C上电压达到着火电压后，光照阴极逸出的电子 在外电场作用又形成电流，使光电管内阻变小，电子开 关导通，重复上述过程。每重复一次，电子开关产生一 个脉冲，这样电子开关就输出一串脉冲。
脉冲的频率取决于紫外光照的强度防和灭C20、火07RW自1eR的s动oteu大rnn化dO小upp技e。rat术ions
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。
半导体气体传感器防灭20火07 W自eRs动oteurnn化dOupp技erat术ions
半导体气体探测器：是利用半导体气敏元件同气体接触， 造成半导体性质变化，以此来检测特定气体成分或测量其浓 度。分为电阻式和非电阻式。
表面控制型电阻式气体传感器是利用半导体表面因吸附气 体引起半导体元件电阻值变化的特性制成的一类传感器。多数 是以可燃性气体为检测对象。
光电效应的条件
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（1）电子能否产生逸出，取决于光子的能量是否大于该
物体的表面电子逸出功A0。
可见光的光子能量在1.85~3.1ev之间，大多数金属 的逸出功在3ev以上，因此大多数可见光不能使金属产生 光电发射。紫外光的光子能量在3.1~6.2ev之间，因此 紫外光线能使大多数金属产生光电发射。
1. 光电效应和紫外火焰探测器 2. 红外火焰探测器 3. 二者的特点和使用注意事项。
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1. 波长比紫外线小的射线会使紫外火焰探测器误报。 2.入射的紫外光的强度越大，产生的光电流越大。 3. 利用红外探测火灾时，为了区别背景辐射，除了考虑特定
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，是气敏元件的重要参数。 （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。 （5）温度特性
气敏元件的灵敏度随温度变化的特性。温度有元件自身温度与环 境温度之分，这两种温度对灵敏度都有影响。 （6）湿度特性 气敏元件的灵敏度随环境湿度变化的特性称为湿度特 性。 （7）电源电压特性
气体产物，可以实现早期火灾探测。
体
可燃性气
对危险气体进行探测控 制势在必行
10 0
0
LEL
UEL
100VOL％ 可燃性气体
火灾中的气体产物
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火灾生成物成分复杂多变-完全燃烧产物和不完全燃烧 产物探测对象要有普遍适用性。
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。研究表明，各种标准火都会产生一定数量的CO 和CO2。
A.多孔质烧结体敏感元件 B.厚膜敏感元件 C.薄膜敏感元件
传感器的材料多数采用氧化锡和氧化锌等较难还原的氧 化物制成(n型半导体），一般均掺有少量的贵重金属（如铂 等）作为激活剂。
检测对象:甲烷、丙烷、一氧化碳、氢、酒防精灭2、0火07硫W自化es动te氢rn化等Op可技era燃t术ions Roundup
波段的红外辐射外，还要考虑 4. 与红外火焰探测器相比，紫外火焰探测器可以安装到距离
潜在火源较远的地方。 5. 红外火焰探测器可用于探测金属火灾。 6. 探测器的视角范围内不应有遮挡物。 7.火焰探测器的响应时间与火灾规模、距离有关。
3.5 气体探测器
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光电管有真空光电管和充气光电管两类。充气光电 管内充有少量的惰性气体(如氩或氖)。
紫外线 阳极
光电子
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阴极
ຫໍສະໝຸດ Baidu
高压
将光敏管（紫外管）的电极接到电压较高的电源上，形 成一个强电场。紫外光照射到光敏管上，电极接受到紫外光 辐射立即发射出电子，并在两极间的电场作用下被加速。管 内充有一定量的低压气体，这些被加速的具有较大动能的电 子同气体分子碰撞时，将使气体分子发生电离，电离后产生 的正负离子又被加速，它们又使更多的气体分子电离。在极 短的时间内，造成“雪崩”式的放电过程，从而使光敏管由 截止状态变成导通状态，光电管的内阻变小（盖革-米勒）。
相对能量
波长/nm
红外火焰探测器
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红外火焰探测器是响应火灾发出的红外辐射而工作的探
测器。利用红外光敏元件的光电效应来探测低温产生的红外辐
射。相对紫外火焰探测器而言，由于火焰红外辐射谱带范围比
紫外辐射范围宽，辐射强度比紫外辐射强，因此可以利用火焰
1) 与烟雾颗粒相比，CO等一些气体由于比空气轻，甚至不 需要热量的驱动，就能非常容易地扩散上升。 2) 在热解阶段即出现。
气体检测的方法与种类
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可燃气体或火灾气体产物探测主要基于以下三个原理：
（1）利用半导体气体器件检测的电气方法；
高压 防灭20火07 W自es动tern化Op技erat术ions Roundup
R
电子 开关
紫外管 C
R1
光敏管放电后，由截止状态变成导通状态，光电管的内阻 变小，使电子开关导通。电容器C通过光敏管、R1和电子 开关迅速放电。 当C上的电压下降到光敏管工作电压以下时，光敏管截止， 电子开关断开，电源又对C充电。
火焰的闪烁频率
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可燃物燃烧时产生的火焰通常是闪烁的,这种闪烁是有规 律的,每种可燃物都具有各自固定的闪烁频率。火焰闪烁频率 分布在3～25Hz 之间，主要频率在7～12Hz 范围内，并且 火焰闪烁频率与火焰大小和距红外接收器件的距离无关。
紫外火焰探测器特点
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1、对绝大多数的燃烧物质能够响应，快慢不同。 2、不需要考虑火焰的闪烁频率。 3、对固定的或移动的黑体热源反应不灵敏，对绝大多 数人工照明不响应。 4、对电弧焊产生的电弧极其敏感，透镜上沉积的油污 会降低响应火灾的能力，某些蒸汽（典型的非饱和键 蒸汽）、烟雾衰减火灾信号。 5、当探测器受到其它形式的辐射时可能产生干扰。
红外辐射进行大多数的有焰火灾探测，应用范围更广更普遍。
典型碳氢化合 物的燃烧辐射 光谱
在火灾探测过程中，红外火焰探测防器除灭20了火07接W自e收Rs动oteu由rnn化d于Oupp技e火rat灾术ions
辐射的红外光，还受到背景干扰的影响。哪些物体会向外辐 射红外光？
干扰源主要来自太阳的天然辐射。人工光源辐射比太阳 光辐射小得多，且人工光源的特性可以预测，因此可以设法 减少其影响。
木材
波长/μm
甲烷
几种可燃物的火焰辐射光谱能量分布
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火焰辐射红外光谱范围内，辐射强度的最大值位于波长4.14.7m范围。在红外光谱区，太阳辐射通过大气层时，由于水蒸 气和CO2的作用，2.7m波长的辐射几乎完全被吸收，而4.3m 上的阳光辐射全部被CO2吸收。因此利用具有带通滤光片，可以 让4.3m附近的红外光通过，滤除其余的光来获取火灾信息。
5000 50 10 10 5 50 3 5 1 5
3% 2000 200 — 1000 3000 — — — —
20% 13000 270 1000~2000 1300~2000 5000~10000 — 400~500 1000 240~775
co是致死的主要原因!!!
气体检测的优势
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（2）利用气体对光的折射率或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。
气体传感器的特性参数
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（1）灵敏度 气敏元件对气体的敏感程度。 （2）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
红外火焰探测器的分类
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单波段（单通道）红外火焰探测器：只对一个固定波段的红 外光辐射响应的火焰探测器
多波段红外火焰（双通道或三波段）探测器：对两个或多个 固定波段的红外光辐射响应的火焰探测器
相对辐射强度 相对辐射强度
波长/μm