點(diǎn)式火焰檢測器是響應(yīng)火焰輻射光譜中的紅外和紫外光的感光式探測器。根據(jù)工作原理可以分為點(diǎn)式紫外火焰檢測器、點(diǎn)式紅外火焰檢測器、點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測器。目前使用較廣泛、技術(shù)較先進(jìn)的是點(diǎn)式紅外火焰檢測器。
火焰檢測器的工作原理和特性
1、點(diǎn)式紫外火焰檢測器
點(diǎn)式紫外火焰檢測器是對明火中的紫外光輻射響應(yīng)的火災(zāi)探測器，適用于大型倉庫、飛機(jī)庫、化工生產(chǎn)及儲存場所、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光子的能量足以克服其自身的逸出功時，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)就會對應(yīng)一個能使自身激發(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器所使用的紫外光敏管，又叫蓋革-米勒管，是由兩個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，會激發(fā)出光電子，光電子在兩極電壓的作用下向陽極移動，形成電流。由于惰性氣體的作用，光電子在飛向陽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，太陽輻射中波長在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器的誤報(bào)。
③信號采集
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)出的光電子移動到陽極時，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到陽極時，光敏管的內(nèi)阻再次變小。這樣，每重復(fù)一次，就會產(chǎn)生一個脈沖，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)測得的脈沖頻率高于報(bào)警設(shè)定值時，探測器發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號。
點(diǎn)式紫外火焰檢測器不受風(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大氣到達(dá)地表，這就給點(diǎn)式紫外火焰檢測器在室外環(huán)境下的運(yùn)行帶來了不利影響，增加了其誤報(bào)警的概率。對于在這樣的區(qū)域以及雷電頻發(fā)、有電弧光大量產(chǎn)生的場所使用時，必須采取一定措施以防止非火災(zāi)報(bào)警。一般在這種場所建議使用點(diǎn)式紅外火焰檢測器或點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測器。
2、點(diǎn)式紅外火焰檢測器
響應(yīng)火焰產(chǎn)生的光輻射中波長大于700nm的紅外輻射進(jìn)行工作的探測器稱為點(diǎn)式紅外火焰檢測器。點(diǎn)式紅外火焰檢測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器、點(diǎn)式雙波段紅外火焰檢測器和點(diǎn)式多波段紅外火焰檢測器。
①紅外熱釋電傳感器
對于少數(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，自發(fā)極化突然消失，這個溫度稱為居里點(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，這時它表面的電荷也隨之釋放，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)時，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單元。電介質(zhì)相當(dāng)于一個等效電容，在外部電壓對其極化后，相當(dāng)于對其充電，在紅外光的照射下，電介質(zhì)溫度升高，隨之放電。這樣，在等效電阻上會產(chǎn)生一個壓降。通過測量監(jiān)視電流便可得到一個控制信號?？刂菩盘栒扔诩t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)，這時相當(dāng)于等效電容重新被充電飽和，不再進(jìn)行放電，同時就沒有信號輸出。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，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)的信號脈沖。一般采集的壓降只有1mV左右，必須經(jīng)過放大器將信號放大。
②點(diǎn)式單波段紅外火焰檢測器
常見的明火火焰輻射的紅外光譜范圍中，波長在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，紅外火焰檢測器探測元件選取的探測波長可以選擇在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，提高探測效率，同時避免了陽光對探測器的影響?，F(xiàn)在，大多紅外火焰檢測器選取的響應(yīng)波段在4.35μm附近。在紅外熱釋電傳感器內(nèi)部加裝一個窄帶濾光片，使其只能透過4.35μm附近的紅外光，太陽輻射則不能通過。一般選取的濾光片的透光范圍在4.3～4.5μm。
當(dāng)紅外輻射通過各種光學(xué)器件到達(dá)紅外傳感器之后，所產(chǎn)生的信號被送人放大電路中，若輸出信號在一個確定的時間范圍內(nèi)多次超過報(bào)警閾值，則系統(tǒng)給出報(bào)警信號。
③點(diǎn)式雙波段紅外火焰檢測器
通過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附近有一個獨(dú)特的峰值輻射波段，雙波段紅外探測器一般都被設(shè)CO2計(jì)為對該峰值輻射產(chǎn)生響應(yīng)，另外再選用位于這個峰值波段附近(3.8～4.1μm)的背景輻射作為其參考探測目標(biāo)。探測器的信號處理電路主要從以下幾個方面對上述兩個波段接收到的輻射信號進(jìn)行分析處理，從而將火焰和其他干擾源區(qū)別開來：信號的閃爍性，單一波段接收到的信號強(qiáng)度(閾值分析)，2個探測器所接收到的信號強(qiáng)度間的比值。
CO2兩個因素制約了紅外雙波段火焰檢測器的探測距離。一是空氣中所含的CO2氣體對于火焰在4.3μm波段發(fā)出的峰值輻射具有很強(qiáng)的吸收作用，于是輻射信號隨探測距離的增加而發(fā)生劇烈衰減，當(dāng)探測距離增加到一定程度時，由于接收到的火焰輻射信號達(dá)不到一定的閾值，火焰檢測器將失去對火焰信號的響應(yīng)能力。信號隨探測距離的衰減也同樣對2個波段接收到的輻射信號的比值產(chǎn)生影響。當(dāng)峰值輻射波段的信號強(qiáng)度衰減到和背景輻射波段的信號強(qiáng)度相同時(即2個信號間的比值為1:1)，火焰檢測器的邏輯分析電路也將失去對火焰信號的鑒別能力；二是目前開發(fā)的紅外雙波段火焰檢測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)探測距離增大時，由于輻射信號的衰減，傳感器所接收到的火焰信號強(qiáng)度與傳感器的內(nèi)部噪聲之間的差異將不是很明顯，火焰信號有可能淹沒在探測器的噪聲之中而無法被檢出，這時就必須引入更為復(fù)雜的邏輯分析電路才能達(dá)到識別火焰的目的。
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器
點(diǎn)式多波段紅外火焰檢測器使用了3個具有極窄探測波段的紅外傳感器作為探測器件，3個傳感器各自所覆蓋的探測波段如圖所示。從圖中可以看出，除了和普通紅外火焰檢測器一樣選擇了CO2峰值輻射作為主要探測目標(biāo)之外，3個波段紅外火焰檢測器還在CO2峰值輻射波段兩側(cè)各選擇了一個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)。由于任意一個紅外輻射源在這3個波段都有自己獨(dú)一無二的光譜特征，比較3個波段輻射強(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。另外，紅外三波段火焰檢測器很好地解決了探測信號隨探測距離的增加而衰減的矛盾，即使3個波段的輻射信號因空氣的吸收而發(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，就可以將因衰減而淹沒在噪聲中的火焰信息檢出，從而較大地提高了探測器的探測距離和靈敏度，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)紅外三波段火焰檢測器的有效探測距離比普通火焰檢測器至少提高了4倍。因其探測原理的先進(jìn)性，紅外三波段火焰檢測器對除連續(xù)性的、經(jīng)過調(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器
點(diǎn)式復(fù)合式紅外紫外火焰檢測器就是一個探測器上既具備紫外光敏管又具備紅外熱釋電傳感器，通過分析大量的試驗(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，探測器才發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號，這樣在更大程度上防止了誤報(bào)警。
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