點(diǎn)式火焰檢測(cè)器是響應(yīng)火焰輻射光譜中的紅外和紫外光的感光式探測(cè)器。根據(jù)工作原理可以分為點(diǎn)式紫外火焰檢測(cè)器、點(diǎn)式紅外火焰檢測(cè)器、點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測(cè)器。目前使用較廣泛、技術(shù)較先進(jìn)的是點(diǎn)式紅外火焰檢測(cè)器。
火焰檢測(cè)器的工作原理和特性
1、點(diǎn)式紫外火焰檢測(cè)器
點(diǎn)式紫外火焰檢測(cè)器是對(duì)明火中的紫外光輻射響應(yīng)的火災(zāi)探測(cè)器，適用于大型倉(cāng)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)、化工生產(chǎn)及儲(chǔ)存場(chǎng)所、發(fā)電站等。其核心器件是紫外光敏管，紫外光敏管是一種基于外光電效應(yīng)原理的光電管。
①外光電效應(yīng)
在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。被激發(fā)出的電子稱為光電子。外光電效應(yīng)實(shí)際上就是當(dāng)物體表面的電子吸收到某個(gè)光子的能量足以克服其自身的逸出功時(shí)，產(chǎn)生的光電子發(fā)射現(xiàn)象。電子能否被激發(fā)取決于入射光線的頻率，頻率越大，光子的能量就越大。這樣，某一種單質(zhì)就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)能使自身激發(fā)出電子的最小光譜頻率，即紅限頻率。
②紫外光敏管
現(xiàn)在，大部分紫外火焰檢測(cè)器所使用的紫外光敏管，又叫蓋革-米勒管，是由兩個(gè)封裝在充有低壓惰性氣體的玻璃管中的電極構(gòu)成，一般選擇鎢作為陰極材料。當(dāng)紫外輻射到達(dá)陰極后，會(huì)激發(fā)出光電子，光電子在兩極電壓的作用下向陽(yáng)極移動(dòng)，形成電流。由于惰性氣體的作用，光電子在飛向陽(yáng)極的途中和氣體的原子發(fā)生碰撞而使氣體電離，釋放出更多的帶電粒子，帶電粒子繼續(xù)與氣體原子碰撞，從而達(dá)到了放大電流的目的，形成了雪崩放電。
在大氣層內(nèi)部，由于臭氧層的保護(hù)作用，太陽(yáng)輻射中波長(zhǎng)在280nm以下的電磁波幾乎被完全吸收，而由于光敏管玻璃罩透光的限制，紫外光敏管陰極材料的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為185nm～260nm。這樣，使用鎢等金屬材料作為陰極的紫外光敏管就可以達(dá)“日盲”的效果，很好地避免了紫外火焰檢測(cè)器的誤報(bào)。
③信號(hào)采集
紫外光敏管產(chǎn)生雪崩放電后，其內(nèi)阻變小，電容器上的電壓通過(guò)光敏管迅速放電。當(dāng)電容器上的電壓下降到不能夠使被激發(fā)出的光電子移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，光敏管放電停止，電容器繼續(xù)充電。當(dāng)電容器上的電壓再次達(dá)到可以使光電子移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，光敏管的內(nèi)阻再次變小。這樣，每重復(fù)一次，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，脈沖的頻率取決于紫外光照的強(qiáng)度和電路的電氣參數(shù)。當(dāng)電路不變，光照越強(qiáng)，頻率越高。當(dāng)測(cè)得的脈沖頻率高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，探測(cè)器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。
點(diǎn)式紫外火焰檢測(cè)器不受風(fēng)雨、高濕度、氣壓變化等影響，能在室外使用。但是，一些受污染區(qū)域由于臭氧層稀薄，部分紫外輻射可以透過(guò)大氣到達(dá)地表，這就給點(diǎn)式紫外火焰檢測(cè)器在室外環(huán)境下的運(yùn)行帶來(lái)了不利影響，增加了其誤報(bào)警的概率。對(duì)于在這樣的區(qū)域以及雷電頻發(fā)、有電弧光大量產(chǎn)生的場(chǎng)所使用時(shí)，必須采取一定措施以防止非火災(zāi)報(bào)警。一般在這種場(chǎng)所建議使用點(diǎn)式紅外火焰檢測(cè)器或點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測(cè)器。
2、點(diǎn)式紅外火焰檢測(cè)器
響應(yīng)火焰產(chǎn)生的光輻射中波長(zhǎng)大于700nm的紅外輻射進(jìn)行工作的探測(cè)器稱為點(diǎn)式紅外火焰檢測(cè)器。點(diǎn)式紅外火焰檢測(cè)器按照紅外熱釋電傳感器數(shù)量不同可以分為點(diǎn)式單波段紅外火焰檢測(cè)器、點(diǎn)式雙波段紅外火焰檢測(cè)器和點(diǎn)式多波段紅外火焰檢測(cè)器。
①紅外熱釋電傳感器
對(duì)于少數(shù)電介質(zhì)，在外加電壓的作用下產(chǎn)生的極化狀態(tài)不會(huì)隨外加電壓的消失而消失，這種現(xiàn)象被稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化的強(qiáng)度與溫度有關(guān)，它的強(qiáng)度伴隨溫度的上升而降低。當(dāng)溫度上升到某一特定值時(shí)，自發(fā)極化突然消失，這個(gè)溫度稱為居里點(diǎn)。當(dāng)電介質(zhì)受到紅外輻射后，其內(nèi)部溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度隨之降低，這時(shí)它表面的電荷也隨之釋放，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)，電荷全部釋放，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。紅外熱釋電傳感器就是基于這種原理制成的。
傳感器熱釋電元件是傳感器的探測(cè)單元。電介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)等效電容，在外部電壓對(duì)其極化后，相當(dāng)于對(duì)其充電，在紅外光的照射下，電介質(zhì)溫度升高，隨之放電。這樣，在等效電阻上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降。通過(guò)測(cè)量監(jiān)視電流便可得到一個(gè)控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)正比于紅外光強(qiáng)度的變化，如果紅外光強(qiáng)度持續(xù)不變，電介質(zhì)溫度不再升高，表面的電荷也達(dá)到新的極化穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)相當(dāng)于等效電容重新被充電飽和，不再進(jìn)行放電，同時(shí)就沒(méi)有信號(hào)輸出。只有在電介質(zhì)表面電荷達(dá)到平衡狀態(tài)后，溫度再次升高才能產(chǎn)生電荷釋放，這樣，在紅外熱釋電傳感器工作時(shí)，必須要有輻射強(qiáng)度不斷變化的紅外光照射才能產(chǎn)生持續(xù)的信號(hào)脈沖。一般采集的壓降只有1mV左右，必須經(jīng)過(guò)放大器將信號(hào)放大。
②點(diǎn)式單波段紅外火焰檢測(cè)器
常見(jiàn)的明火火焰輻射的紅外光譜范圍中，波長(zhǎng)在4.1～4.7μm的輻射強(qiáng)度最大。這是因?yàn)闊N類物質(zhì)(天然氣、酒精、汽油等)燃燒時(shí)產(chǎn)生大量受熱的CO2氣體，受熱的CO2在位于4.35μm附近的紅外輻射強(qiáng)度最大。而地表由于CO2和水蒸氣的吸收作用，太陽(yáng)光輻射的光譜中位于2.7μm和4.35μm處的紅外光幾乎完全不存在。所以，紅外火焰檢測(cè)器探測(cè)元件選取的探測(cè)波長(zhǎng)可以選擇在2.7μm或4.35μm附近，這樣可以最大限度地接收火焰產(chǎn)生的紅外輻射，提高探測(cè)效率，同時(shí)避免了陽(yáng)光對(duì)探測(cè)器的影響。現(xiàn)在，大多紅外火焰檢測(cè)器選取的響應(yīng)波段在4.35μm附近。在紅外熱釋電傳感器內(nèi)部加裝一個(gè)窄帶濾光片，使其只能透過(guò)4.35μm附近的紅外光，太陽(yáng)輻射則不能通過(guò)。一般選取的濾光片的透光范圍在4.3～4.5μm。
當(dāng)紅外輻射通過(guò)各種光學(xué)器件到達(dá)紅外傳感器之后，所產(chǎn)生的信號(hào)被送人放大電路中，若輸出信號(hào)在一個(gè)確定的時(shí)間范圍內(nèi)多次超過(guò)報(bào)警閾值，則系統(tǒng)給出報(bào)警信號(hào)。
③點(diǎn)式雙波段紅外火焰檢測(cè)器
通過(guò)分析烴類氣體的火焰光譜可以發(fā)現(xiàn)，燃燒產(chǎn)物中熾熱的CO2氣體在4.3μm附近有一個(gè)獨(dú)特的峰值輻射波段，雙波段紅外探測(cè)器一般都被設(shè)CO2計(jì)為對(duì)該峰值輻射產(chǎn)生響應(yīng)，另外再選用位于這個(gè)峰值波段附近(3.8～4.1μm)的背景輻射作為其參考探測(cè)目標(biāo)。探測(cè)器的信號(hào)處理電路主要從以下幾個(gè)方面對(duì)上述兩個(gè)波段接收到的輻射信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而將火焰和其他干擾源區(qū)別開來(lái)：信號(hào)的閃爍性，單一波段接收到的信號(hào)強(qiáng)度(閾值分析)，2個(gè)探測(cè)器所接收到的信號(hào)強(qiáng)度間的比值。
CO2兩個(gè)因素制約了紅外雙波段火焰檢測(cè)器的探測(cè)距離。一是空氣中所含的CO2氣體對(duì)于火焰在4.3μm波段發(fā)出的峰值輻射具有很強(qiáng)的吸收作用，于是輻射信號(hào)隨探測(cè)距離的增加而發(fā)生劇烈衰減，當(dāng)探測(cè)距離增加到一定程度時(shí)，由于接收到的火焰輻射信號(hào)達(dá)不到一定的閾值，火焰檢測(cè)器將失去對(duì)火焰信號(hào)的響應(yīng)能力。信號(hào)隨探測(cè)距離的衰減也同樣對(duì)2個(gè)波段接收到的輻射信號(hào)的比值產(chǎn)生影響。當(dāng)峰值輻射波段的信號(hào)強(qiáng)度衰減到和背景輻射波段的信號(hào)強(qiáng)度相同時(shí)(即2個(gè)信號(hào)間的比值為1:1)，火焰檢測(cè)器的邏輯分析電路也將失去對(duì)火焰信號(hào)的鑒別能力；二是目前開發(fā)的紅外雙波段火焰檢測(cè)器中所使用的紅外傳感器(如熱電堆、焦熱電傳感器、硒化鉛等)都有一定程度的內(nèi)部噪聲，且都具有信噪比低的缺點(diǎn)。當(dāng)探測(cè)距離增大時(shí)，由于輻射信號(hào)的衰減，傳感器所接收到的火焰信號(hào)強(qiáng)度與傳感器的內(nèi)部噪聲之間的差異將不是很明顯，火焰信號(hào)有可能淹沒(méi)在探測(cè)器的噪聲之中而無(wú)法被檢出，這時(shí)就必須引入更為復(fù)雜的邏輯分析電路才能達(dá)到識(shí)別火焰的目的。
圖1 不同波段與輻射強(qiáng)度的關(guān)系
④點(diǎn)式多波段紅外火焰檢測(cè)器
點(diǎn)式多波段紅外火焰檢測(cè)器使用了3個(gè)具有極窄探測(cè)波段的紅外傳感器作為探測(cè)器件，3個(gè)傳感器各自所覆蓋的探測(cè)波段如圖所示。從圖中可以看出，除了和普通紅外火焰檢測(cè)器一樣選擇了CO2峰值輻射作為主要探測(cè)目標(biāo)之外，3個(gè)波段紅外火焰檢測(cè)器還在CO2峰值輻射波段兩側(cè)各選擇了一個(gè)用于鑒別高溫紅外輻射源和背景輻射的窄波段作為監(jiān)視目標(biāo)。由于任意一個(gè)紅外輻射源在這3個(gè)波段都有自己獨(dú)一無(wú)二的光譜特征，比較3個(gè)波段輻射強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，就可將火焰和其他紅外輻射源區(qū)別開來(lái)。另外，紅外三波段火焰檢測(cè)器很好地解決了探測(cè)信號(hào)隨探測(cè)距離的增加而衰減的矛盾，即使3個(gè)波段的輻射信號(hào)因空氣的吸收而發(fā)生衰減，其輻射強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系卻并不隨信號(hào)的衰減而發(fā)生變化，采用數(shù)字相關(guān)技術(shù)分析接收到的信號(hào)，就可以將因衰減而淹沒(méi)在噪聲中的火焰信息檢出，從而較大地提高了探測(cè)器的探測(cè)距離和靈敏度，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)紅外三波段火焰檢測(cè)器的有效探測(cè)距離比普通火焰檢測(cè)器至少提高了4倍。因其探測(cè)原理的先進(jìn)性，紅外三波段火焰檢測(cè)器對(duì)除連續(xù)性的、經(jīng)過(guò)調(diào)制的或具有周期變化特性以外的其他非火焰紅外輻射源(如照明光源、黑體和灰體輻射源等)都具有抗干擾能力，誤報(bào)率非常低。
⑤點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測(cè)器
點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測(cè)器就是一個(gè)探測(cè)器上既具備紫外光敏管又具備紅外熱釋電傳感器，通過(guò)分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用科學(xué)算法設(shè)計(jì)一個(gè)最佳抗誤報(bào)的工作模式。在紅外輻射成分與紫外輻射成分分別達(dá)到某一特定值時(shí)，探測(cè)器才發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，這樣在更大程度上防止了誤報(bào)警。
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