方麗麗，趙建華

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

非色散紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)技術(shù)研究

方麗麗，趙建華*

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

提出了基于非色散紅外吸收原理(NDIR)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中CO2氣體濃度變化進(jìn)行火警探測(cè)的方法。根據(jù)高空大氣環(huán)境的特殊性，探討了基于NDIR的CO2氣體探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)上所面臨的低溫低壓難題。進(jìn)行了基于NDIR的紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了基于CO2氣體濃度監(jiān)測(cè)的紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器的主要參數(shù)要求，研究了基于CO2濃度變化速率與變化值的火災(zāi)報(bào)警算法。

非色散紅外；CO2氣體濃度；紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器；自適應(yīng)報(bào)警算法

0 引言

隨著科技的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的提升，飛機(jī)已經(jīng)成為最便捷的交通工具，在人們的生活中發(fā)揮著重要的作用。飛機(jī)火災(zāi)不同于一般的地面火災(zāi)，具有火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、火災(zāi)燃燒猛烈、人員疏散困難、一次性死亡人數(shù)較多、火災(zāi)撲救困難、搶救難度大等特點(diǎn)。飛機(jī)一旦發(fā)生火災(zāi)，特別是處于高空飛行狀態(tài)時(shí)，極有可能造成機(jī)毀人亡的惡性事故。因此，對(duì)飛機(jī)火警探測(cè)技術(shù)的研究有著重要的意義。

目前常用的飛機(jī)火警探測(cè)技術(shù)主要是感煙探測(cè)技術(shù)，這種探測(cè)技術(shù)是利用火災(zāi)煙霧的光學(xué)特性原理進(jìn)行火災(zāi)識(shí)別的，但是容易受環(huán)境因素(如溫度、濕度、灰塵等)影響而發(fā)出虛假的火警信號(hào)。根據(jù)美國(guó)80年代中期Cooper的研究報(bào)告，33%的感煙探測(cè)器無(wú)法正常工作，甚至有95%的感煙探測(cè)器由于受到噪聲的干擾而產(chǎn)生誤報(bào)[1]。

1 理論與方法

1.1 火警探測(cè)參量的選擇

CO2、CO和水蒸汽是可燃物燃燒初期的必然產(chǎn)物，而且產(chǎn)生時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于煙氣。但是，水蒸汽受空氣濕度的影響較大，影響探測(cè)精度，所以通常不考慮水蒸汽為火警探測(cè)的參量。

關(guān)于可燃物加熱燃燒時(shí)CO和CO2的生成情況，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員進(jìn)行了許多的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)Milke等人[2]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)(其中包括23個(gè)陰燃火實(shí)驗(yàn)，67個(gè)燃燒火實(shí)驗(yàn))可知，可燃物在陰燃熱解時(shí)產(chǎn)生較多CO，明火燃燒時(shí)產(chǎn)生較多CO2。對(duì)于CO氣體濃度探測(cè)器而言，目前較為成熟的是半導(dǎo)體式探測(cè)器和電化學(xué)式探測(cè)器。半導(dǎo)體式CO氣體探測(cè)器多采用二氧化錫薄膜作為氣敏元件，通過(guò)監(jiān)測(cè)探測(cè)器阻值的變化來(lái)檢測(cè)CO氣體的濃度值，然而若CO氣體濃度低于60 ml/m3，其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性較低，但一般情況下，CO氣體在空氣中的含量極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于60 ml/m3[3]，故半導(dǎo)體式CO氣體探測(cè)器達(dá)不到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境中CO氣體濃度值的要求。電化學(xué)式CO氣體探測(cè)器的缺點(diǎn)是存在中毒情況且無(wú)法預(yù)知其失效與否。近年來(lái)研究較多的基于傅里葉紅外光譜法的CO氣體濃度探測(cè)技術(shù)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是，為了獲得較高的探測(cè)靈敏度，需要采用多次發(fā)射的長(zhǎng)光程氣體吸收池，加工精度要求很高、體積較大、技術(shù)難度較高，對(duì)于飛機(jī)中的有限空間不適用。

根據(jù)Milke等人[2]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可知，一般情況下，空氣中CO2氣體的濃度值約為400 ml/m3～500 ml/m3，加熱材料4 min后，CO2氣體的濃度值增加約500 ml/m3。由此可以看出，雖然空氣中存在一定濃度的CO2氣體，但是其濃度處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，若環(huán)境中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，CO2氣體的濃度值將會(huì)急劇增加，因此可以根據(jù)空氣中CO2氣體濃度的變化情況，判斷出環(huán)境中是否有火災(zāi)發(fā)生。

1.2 常見(jiàn)的CO2氣體濃度探測(cè)方法

目前常見(jiàn)的CO2氣體濃度探測(cè)方法主要有以下三種：利用電極和電解液對(duì)氣體濃度進(jìn)行探測(cè)的電化學(xué)探測(cè)方法；利用金屬氧化物對(duì)氣體濃度進(jìn)行探測(cè)的半導(dǎo)體探測(cè)方法；利用氣體對(duì)紅外光吸收的特性來(lái)探測(cè)氣體濃度的紅外探測(cè)方法。

1.2.1 電化學(xué)探測(cè)方法

電化學(xué)探測(cè)方法主要包括電量法、可控電位電解法等。不同的電化學(xué)氣體探測(cè)器中所包含的不同成份可與相應(yīng)的氣體發(fā)生反應(yīng)，測(cè)量頭可測(cè)量反應(yīng)所產(chǎn)生的電流并將其轉(zhuǎn)換成氣體濃度值。但這種類型的探測(cè)器的缺點(diǎn)是：某些氣體探測(cè)器不但對(duì)與之相應(yīng)的氣體(即它們按照設(shè)計(jì)應(yīng)該反應(yīng)的氣體)反應(yīng)，而且對(duì)干擾氣體也發(fā)生反應(yīng)；探測(cè)器需要定期標(biāo)定，在使用1年～3年后通常需要更換。另外，有的探測(cè)器使用的是電解液，需要定期填充。

1.2.2 半導(dǎo)體探測(cè)方法

基于半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸產(chǎn)生吸附效應(yīng)使半導(dǎo)體的表面電導(dǎo)率等發(fā)生改變的原理，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換為氣體濃度值。這種探測(cè)方法的缺點(diǎn)是：探測(cè)器需要進(jìn)行加熱，容易受到其他氣體干擾使其產(chǎn)生虛假報(bào)警，在潮濕環(huán)境中易失效退化，且無(wú)法探測(cè)低濃度的氣體。

1.2.3 紅外探測(cè)方法

紅外探測(cè)方法主要包括傅里葉紅外吸收光譜法、非色散紅外吸收法等。基于非色散紅外吸收原理的CO2濃度探測(cè)方法，具有靈敏度高、選擇性好、可靠性高，操作方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的重視與研究。

1.3 非色散紅外氣體濃度探測(cè)原理

基于非色散紅外(NDIR)吸收原理的CO2氣體濃度探測(cè)方法已成為目前國(guó)內(nèi)外探測(cè)CO2氣體濃度最常用的方法之一[4]，基于氣體對(duì)紅外光的選擇吸收特性及Lamber-Beer紅外吸收定律，根據(jù)氣體對(duì)特定紅外吸收波長(zhǎng)處的吸收強(qiáng)度，確定被測(cè)氣體的種類及濃度[5]。圖1為CO2氣體的紅外吸收光譜圖[6]。

圖1 CO2紅外吸收光譜圖Fig.1 Carbon dioxide infrared absorption spectra

根據(jù)Lamber-Beer紅外吸收定律，入射光強(qiáng)I0、出射光強(qiáng)I與氣體濃度的關(guān)系如下：

(1)

其中：I是出射光強(qiáng)度；I0是入射光強(qiáng)度；μ是氣體的吸收系數(shù)；C是待測(cè)氣體的濃度；L是透射光路的強(qiáng)度。

由式(1)可以看出，如果L與μ已知，可以通過(guò)檢測(cè)入射光強(qiáng)I0與出射光強(qiáng)I來(lái)獲得氣體濃度C。μ為氣體的吸收系數(shù)，與環(huán)境壓力、溫度、氣體的種類、入射光的波長(zhǎng)等因素有關(guān)。

非色散紅外氣體濃度探測(cè)方法是將從紅外光源發(fā)出的紅外光調(diào)制成兩束紅外光，分別為測(cè)量波長(zhǎng)(氣體對(duì)紅外光吸收最強(qiáng)處的波長(zhǎng))的測(cè)量光束，和參比波長(zhǎng)(對(duì)紅外光不具有吸收能力的波長(zhǎng))的參比光束，從而進(jìn)行氣體濃度探測(cè)的。圖2為雙光束非色散紅外吸收原理示意圖，從紅外光源發(fā)出紅外光，穿過(guò)紅外窗口，進(jìn)入氣室，到達(dá)測(cè)量濾光片和參比濾光片，紅外探測(cè)器接受到一個(gè)包含氣體種類與濃度信息的測(cè)量信號(hào)和一個(gè)包含光源和環(huán)境信息的參比信號(hào)。這種探測(cè)方法可以有效地消除光電器件的零點(diǎn)漂移、光源不穩(wěn)定等對(duì)探測(cè)精度的影響，從而獲得較高的探測(cè)精度。

圖2 雙光束非色散紅外吸收原理示意圖Fig.2 Principle diagram of double beam NDIR absorption

2 紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題

大中型飛機(jī)除起飛和降落外，多是在平流層中穩(wěn)定飛行。民航飛機(jī)通常在海拔8000m～12000m的高空中飛行。根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣委員會(huì)在1976年公布的氣壓、氣溫隨海拔高度平均分布的標(biāo)準(zhǔn)大氣數(shù)據(jù)[7]可知，海平面氣壓為101.33kPa，氣溫為15℃；海平面至海拔高度11km處的氣溫遞減率為0.65℃/100m；海拔高度11km～15km處的氣溫為-56.5℃，保持不變。

飛機(jī)飛行時(shí)處于低溫、低壓的大氣環(huán)境中，與地面溫差較大，惡劣的環(huán)境條件導(dǎo)致紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器準(zhǔn)確度大大降低，所以低溫低壓環(huán)境是紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的主要難題。為了解決這一難題，在紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器中設(shè)置溫度傳感器、壓力傳感器、加熱元件和保溫材料。通過(guò)加熱元件對(duì)探測(cè)器進(jìn)行加熱，同時(shí)，采用保溫材料對(duì)探測(cè)器進(jìn)行保溫，以達(dá)到恒定溫度的目的。而設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器是為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣溫和氣壓。同時(shí)針對(duì)飛機(jī)火災(zāi)的特殊性，選擇紅外光子探測(cè)器，其與熱釋電探測(cè)器相比，處理速度相當(dāng)快，響應(yīng)時(shí)間大大減小。

根據(jù)氣體進(jìn)入探測(cè)器的方式不同可將飛機(jī)火警探測(cè)器分為擴(kuò)散式和吸入式兩種。對(duì)于擴(kuò)散式飛機(jī)火警探測(cè)器，氣體采用自然擴(kuò)散的方式進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)部，無(wú)需額外采用真空泵。對(duì)于吸入式飛機(jī)火警探測(cè)器，在探測(cè)器之外安裝真空泵將氣體吸入探測(cè)器內(nèi)部，通過(guò)這種方式可以減少探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。

2.2 紅外擴(kuò)散式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)

紅外擴(kuò)散式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。在探測(cè)器內(nèi)設(shè)置溫度傳感器和壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣室中的CO2氣體的氣溫和氣壓。在紅外光子探測(cè)器、紅外光源和反射鏡部位設(shè)置加熱元件，并用保溫材料進(jìn)行保溫，避免熱量流失?？諝庵械腃O2氣體經(jīng)自然擴(kuò)散進(jìn)入紅外擴(kuò)散式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器裝置，通過(guò)開孔進(jìn)入氣室，紅外光源發(fā)出紅外光，經(jīng)過(guò)聚光鏡聚焦后，射向氣室中的氣體，被氣體吸收后，到達(dá)反射鏡上被反射，紅外光再次通過(guò)氣室并被吸收，通過(guò)集光器將反射鏡反射來(lái)的紅外光進(jìn)行匯聚，到達(dá)紅外光子探測(cè)器，產(chǎn)生一個(gè)包含光源和環(huán)境信息的參比信號(hào)和一個(gè)包含CO2氣體濃度信息的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理板處理得到CO2氣體的濃度，并通過(guò)信號(hào)輸出接口對(duì)外輸出。

圖3 紅外擴(kuò)散式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of dispersive infrared carbon dioxide aircraft detector

2.3 紅外吸入式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)

圖4 紅外吸入式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure of inhaled infrared carbon dioxide aircraft detector

紅外吸入式CO2飛機(jī)火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。加熱元件對(duì)整個(gè)探測(cè)器進(jìn)行包覆式加熱，同時(shí)利用保溫材料對(duì)探測(cè)器進(jìn)行保溫，避免熱量散失。紅外光的光程長(zhǎng)度必須達(dá)到準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)CO2濃度的要求，同時(shí)飛機(jī)的空間有限，故在探測(cè)器的另一端安裝反射鏡。通過(guò)真空泵連接出氣口，使環(huán)境中的CO2氣體由進(jìn)氣口不斷流入氣室，紅外光源發(fā)出紅外光，射入氣室，經(jīng)過(guò)被測(cè)氣體吸收后，到達(dá)反射鏡上被反射，紅外光再次通過(guò)氣室并被吸收，集光器將反射鏡反射來(lái)的紅外光進(jìn)行匯聚，到達(dá)紅外光子探測(cè)器，將產(chǎn)生一個(gè)包含光源和環(huán)境信息的參比信號(hào)和一個(gè)包含CO2氣體濃度信息的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理板處理得到CO2氣體濃度，并將此CO2濃度值通過(guò)信號(hào)輸出接口對(duì)外輸出。當(dāng)飛機(jī)處于高空低壓狀態(tài)時(shí)，采用此裝置連接真空泵即可實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓環(huán)境中CO2氣體的采樣。

2.4 紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器主要參數(shù)要求

通常背景環(huán)境中CO2的濃度約為400ml/m3～500ml/m3，在某些特殊場(chǎng)合其濃度可能達(dá)到1000ml/m3，發(fā)生火災(zāi)后在4min內(nèi)CO2的濃度將增加約500ml/m3，故紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器的監(jiān)測(cè)量程設(shè)計(jì)為0ml/m3～3000ml/m3，線性誤差為±60ml/m3，同時(shí)考慮到飛機(jī)飛行所處大氣環(huán)境的特點(diǎn)，其工作溫度范圍為-60℃～60℃，壓力補(bǔ)償范圍是20kPa～106kPa，當(dāng)飛機(jī)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，必須能迅速報(bào)警，考慮到氣體濃度達(dá)到報(bào)警要求需要一定的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間要求為25s，故主要參數(shù)要求如下：

a.CO2監(jiān)測(cè)量程：0ml/m3～3000ml/m3；

b. 線性誤差：≤±60ml/m3；

c. 工作溫度范圍：-60℃～60℃；

d. 壓力補(bǔ)償范圍：20kPa～106kPa；

e. 響應(yīng)時(shí)間：≤25s。

3 紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器報(bào)警算法

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，通常伴隨著CO2濃度的急劇增加，根據(jù)Milke等人[2]進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)CO2的濃度變化速率達(dá)到5ml/(m3·s)，甚至高達(dá)10ml/(m3·s)，4min內(nèi)CO2濃度值增加約500ml/m3。采用“自適應(yīng)算法”實(shí)現(xiàn)紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器的探

測(cè)、報(bào)警，“自適應(yīng)”是指自動(dòng)適應(yīng)新環(huán)境下CO2氣體的濃度，進(jìn)入一個(gè)新的環(huán)境后記錄下背景環(huán)境中CO2的濃度值，以便對(duì)CO2濃度變化速率和CO2濃度變化值進(jìn)行計(jì)算。采用此算法對(duì)環(huán)境中的CO2的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每隔15s計(jì)算一次CO2濃度變化速率，監(jiān)測(cè)環(huán)境中CO2濃度值是否發(fā)生異常變化，若無(wú)異常變化(濃度變化速率<5ml/(m3·s))則記錄下當(dāng)前CO2濃度值為背景環(huán)境CO2濃度值，若計(jì)算得到CO2濃度的變化速率超過(guò)5ml/(m3·s)即進(jìn)行預(yù)警，向機(jī)組人員發(fā)出告警，并計(jì)算CO2濃度變化值，若CO2濃度變化值大于200ml/m3則可確認(rèn)為有效火警信號(hào)，進(jìn)行報(bào)警?；馂?zāi)報(bào)警算法流程如圖5所示。

圖5 火警算法流程圖Fig.5 Fire alarm algorithm flow chart

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)火災(zāi)燃燒氣態(tài)產(chǎn)物的分析，提出以CO2氣體為火警探測(cè)參量，通過(guò)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)環(huán)境中CO2氣體濃度的變化，進(jìn)行飛機(jī)火警探測(cè)報(bào)警。得出結(jié)論如下：

(1)通過(guò)非色散紅外氣體濃度探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2氣體濃度的精確監(jiān)測(cè)，從而進(jìn)行飛機(jī)火警探測(cè)是一種切實(shí)可行的方法。

(2)飛機(jī)飛行時(shí)處于低溫、低壓環(huán)境中，與地面環(huán)境條件差距較大，為解決紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器面臨的低溫低壓難題，采用加熱、保溫技術(shù)，在飛機(jī)火警探測(cè)器內(nèi)加入溫度傳感器和壓力傳感器對(duì)氣溫、氣壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)根據(jù)飛機(jī)飛行環(huán)境的特殊性設(shè)計(jì)了吸入式飛機(jī)火警探測(cè)器和擴(kuò)散式飛機(jī)火警探測(cè)器兩種結(jié)構(gòu)，提出了飛機(jī)火警探測(cè)器主要參數(shù)要求以滿足火警探測(cè)要求。

(4) 以環(huán)境中CO2氣體濃度的變化速率和變化值為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)適應(yīng)不同背景環(huán)境下CO2氣體濃度的“自適應(yīng)飛機(jī)火警探測(cè)器報(bào)警算法”。

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Research on the technology of non-dispersive infrared CO2aircraft fire detection

FANG Lili, ZHAO Jianhua

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this work, the fire detection has been realized through accurate monitoring of CO2concentration in the environment based on NDIR(Non-Dispersion Infrared). Considering the particularity of upper environmental condition, NDIR is used to resolve the challenge of temperature and pressure in aircraft fire detection. The two kinds of aircraft fire detector have been designed based on NDIR, and the main parameters of aircraft fire detector have been presented. With the calculated concentration of CO2,an alarm algorithm for aircraft fire detector is presented.

Non-dispersion Infrared; CO2concentration; Infrared CO2aircraft fire detector; Adaptive alarm algorithm

2015-02-09；修改日期：2015-03-30

方麗麗(1992-)，女，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生，主要從事火災(zāi)氣體探測(cè)技術(shù)、飛機(jī)防火技術(shù)研究。

趙建華，E-mail：zhaojh@ustc.edu.cn

1004-5309(2015)-00114-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2015.02.09

X949；V244.12；X932

A