电气消防探测器原理

    该种探测器主要响应燃烧或热解产生的固体液体微粒即烟雾粒子的探测器, 主要用来探测可见或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。可分为离子 型,光电型,激光型和红外线束型四种。

    ①离子感烟探测器:

    它主要是利用烟雾粒子改变电离室电流原理而设计的火灾探测器。探测器内部装有а放射源的电离室为传感器件,现今使用大多为单源双室结构(补偿室,测量室),再配上相应的电子电路或CPU芯片所构成。

    探测器内部的а放射源是由镅-241(Am241)发出。 物质的放射性来自原子核 的自发衰变过程如下:Am241->237Np+42He

由于а粒子比电子重得多,且带两个单位正电量,其穿透能力很弱。能量为5MeV的а粒子在空气中的射程为3.5cm, 而金属中射程为2.06*10cm, 所以屏蔽遮挡很容易, 同时а粒子的电离能力很强,当它穿过物质时,每次与物质分子或原子碰撞而打出一个电子,约失33eV能量,一个能量为5MeV的а粒子,在它完全静止前,大约可以电离15万个左右的分子或原子。采用放射源Am241的优点,除了电离能力强,射程短以外,其半衰期长,成本也较低。

图所示是单源双室结构的离子感烟探测器原理框图:

    在单源双室结构的电离室正极板上放置有а放射源AM241,其放射源可以在上百年的时间里不断地放射出а粒子, а粒子不断地撞击空气分子,引起电离,产生大量带正,负电荷的离子,从而使极间空气具有导电性,两个电离室分别称为补偿室和检测室。当在电离室的正负极间加上12V的工作电压时(实险测得：12V 工作电压时电离室线性度最佳),可使原来做无序运动的正负离子在电场作用下做有规则的定向运动,正离子向负极运动,负离子向正极运动,从而形成电离电流。电离电流的大小与电离室的结构尺寸,放射源的特性,施加电压的大小,以及空气的密度,温度,湿度和气流等多种因素有关, 施加的电压越高,电离电流越大,但当电压达到一定值时, 施加电压再高, 电离电流也不会再增加，此时达到饱和工作区。 设计时保证离子室工作于线性区。

    当火灾发生时,烟雾粒子进入测量室,部分正负离子会被吸附到比离子重许多倍的烟雾粒子上。一方面将使离子在电场中的速度降低了,另一方面增加了正负离子互相复合的几率,其结果是电离电流减小，相当于测量室的空气等效阻抗增加了。补偿室结构上几乎是封闭的, 烟雾粒子很难进入,空气可以缓慢进入。测量室结构上是敞开的,烟雾粒子很容易进入,这样补偿室的阻抗几乎未变,其结果是测量电极上的电压因分压比而发生变化,经高阻抗的场效应管取样后放大整形。

    单源双室结构同双源双室结构完全不同,双源双室结构利用两个放射源形成

两个电离室。单源双室结构简单,节省上了一块放射源,环境的变化对电离室的影响基本相同,提高了探测器对环境的适应性,增加了抗潮湿能力。

    信号放大拾取整形电路将电离室里的微弱电流信号转变成较大的电压信号，通过高输入阻抗的场效应管进行耦合放大,地址码预置及信号解码处理电路如是开关量探测器直接将其电压变化与阈值电压进行比较, 判别是否报警，如是模拟量探测器, 则将电压变化传到报警控制器,如探测器内置有CPU芯片,则其自身可以进行智能处理,利用内置的智能算法进行判断, 同时探测器至报警器间发生电路断线, 探测器安装接触不良或探测器内部电路元件损坏等都能够发出故障报警信号。滤波整形稳压电路是给离子源、集成电路和CPU等芯片提供直流工作电压,总线上发送的各种编码信息需经编码信号变换电路处理后发送给解码电路,并将解码电路发送的状态信息和值(烟雾浓度)传至总线上供报警器接收处理。

    ②光电感烟探测器

    它是应用烟雾粒子对光线产生散射,吸收或遮挡的原理而制成的一种探测器。其工作原理主要有两种:减光型光电感烟火灾探测器和散射型光电感烟探测器。散射型探测器利用红外线光束在烟雾中产生散射光的原理探测火灾初期阴燃阶段产生的烟雾。它由光学系统,信号处理电路等部分所组成，当烟雾进入光学暗室后,由红外线光源发出的光束,在烟粒子表面散射,受光器的光敏二极管接收到散射光,产生光电信号电流,其电流大小与烟雾的变化成比例,经信号处理电路处理后完成报警功能。 

    (3)激光型感烟探测器

    主要是应用烟雾粒子吸收激光光束原理制成的线型感烟火灾探测器,激光器在脉冲电源的激发下发出同一束脉冲激光, 在正常情况下控制报警器不发出报警, 但如在激光束经过的途中被大量的烟雾遮挡而减弱到一定程度时,光电接收信号减弱,便会发出报警信号。

    (4)红外光束型感烟探测器

    该种探测器主要包括一个光源，一套光线照准装置和一个接收装置，它是应用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理进行工作。一般用于保护大面积大空间。

火焰探测器

工作原理

传感器类型：

优缺点：

应用场合 

工作原理

　　火焰探测器（flame detector）是探测在物质燃烧时，产生烟雾和放出热量的同时，也产生可见的或大气中没有的不可见的光辐射。

　　火焰燃烧辐射光波段火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。

　　根据火焰的光特性，目前使用的火焰探测器有三种：一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；第三种是同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。

　　具体根据探测波段可分为：单紫外、单红外、双红外、三重红外、红外\紫外、附加视频等火焰探测器；

　　根据防爆类型可分为：隔爆型、本安型；

传感器类型：

　　对于火焰燃烧中产生的0.185~0.260µm波长的紫外线，可采用一种固态物质作为敏感元件，如碳化硅或铝，也可使用一种充气管作为敏感元件，如盖革一弥勒管。

　　对于火焰中产生的2.5~3µm波长的红外线，可采用硫化铝材料的传感器，对于火焰产生的4.4~4.6µm波长的红外线可采用硒化铅材料或钽酸铝材料的传感器。根据不同燃料燃烧发射的光谱可选择不同的传感器，三重红外（IR3）应用较广。

优缺点：

　　光学火焰探测器实际火焰探测器外观图

　　优点:响应速度快，探测距离远，环境适应性好

　　缺点：价格高

　　其他类型

　　优点：可靠性高、成本低

　　缺点：反应速度慢、环境适应性差（室内、风、烟、雾、热源等）

　　应用在低端、民用、建筑、室内

应用场合

　　高端，石油和天然气的勘探、生产、储存与卸料，

　　海上钻井---固定平台、浮动生产贮存于装卸，

　　陆地钻井---精炼厂、天然气重装站、管道，

　　石化产品---生产、储存和运输设施，油库，化学品，

　　易燃材料储存仓库，汽车---制造、油漆喷雾房，

　　飞机---工业和军事，炸药和军需品；

　　汽车---喷漆房

　　医药业

　　废品焚烧

　　粉房等高风险工业染料的生产、储存、运输等。

感温式火灾探测器根据其作用原理分为3类。 

(1)定温式探测器。定温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构。其中线型是当局部环境温度上升达到 规定值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生火灾报警信号。点型定温式探测器利用双金属片、易熔金属、热电偶热敏半导体电阻等元件，在规定的温度值上产生火灾报警信号 。 

(2)差温式探测器。差温式探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构。线型差温式探测器是根据广 泛的热效应而动作的，点型差温式探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温器件是空气膜盒、热敏半导体电阻元件等。 

(3)差定温式探测器。差定温式探测器结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起。差定温式探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等点型组合式探测器 。

1. 点型定温式火灾探测器

图16-3-3-1 点型定温式火灾探测器 

当环境温度达到某一温度值时，即动作。其结构原理图如16-3-3-2所示。

图16-3-3-2 点型定温式火灾探测器 

(1) 利用双金属片的弯曲变形，达到温度报警的目的。它是利用两种膨胀系数不同的金属片制成。当金属片受热时，膨胀系数大的金属就要向膨胀系数小的金属方向弯曲，如图16-3-3-2(a)虚线所示，使接点闭合，将信号输出。

(2) 利用双金属的反转。反转方式如图16-3-3-2(b)所示。双金属的圆盘像虚线那样反转使接点闭合。

(3) 利用金属膨胀系数的不同，如图16-3-3-2(c)所示，用膨胀系数大的金属外筒和膨胀系数小的内部金属板组合而成，根据其膨胀系数的差使接点闭合。

(4) 电子定温探测器：电子定温探测器采用特制半导体热敏电阻作为传感器件，具有技术先进、结构简单、可靠性高等优点，可以和离子感烟器配合使用，以满足不同使用对象和场所的需要。

常见JTW-DZ-262/062电子定温探测器原理见图16-3-3-3所示。它采用临界热敏电阻CTR作为传感器件，这种热敏电阻在室温下具有极高的阻值，可以达到1 Mo以上，随着环境温度的升高，阻值会缓慢下降，当达到设定温度点时，临界电阻值会迅速减至几十欧姆，使得信号电流迅速增大，探测器给出报警信号。

图16-3-3-3 JTW-DZ-262/062电子定温探测器原理框图 

1—热敏电阻CTR; 2—采样电阻；3—阀值电路；4—双稳态电路 

2. 点型差温式火灾探测器

图16-3-3-4 空气管线型差温火灾探测器 

图16-3-3-4是一种膜盒式点型差温探测器。当环境温度达到规定的升温速率以上时动作。它是根据局部热效应而动作。

这种探测器主要由感热室、膜片、泄漏孔及接点等构成。当有火灾时，感热室内的空气随着周围温度的急剧上升而迅速膨胀，膜片受压使接点闭合，发出报警信号。如果环境温度缓慢变化时，由于泄漏孔的作用，空气室内的气体被泄漏，膜片保持不变，接点不会闭合。

3. 点型差定温式火灾探测器

图16-3-3-5 点型差定温式火灾探测器 

膜盒式差定温探测器综合了差温式和定温式两种作用原理。其结构原理如图图16-3-3-6(b)。

图16-3-3-6(a) 膜盒点型差温探测器图         (b)点型差定温火灾探测器 

近期应用较普遍的还有电子差定温探测器。电子差定温探测器和电子定温探测器都满足GB4716-84规范要求的响应时间。区别在于差定温探测器对快升温响应更为灵敏，所以不宜安装在平时温度变化较大的场合，如厨房、锅炉房等，这种场合应使用定温探测器，但对于汽车库、小会议室等地方二者可等同使用。

感烟式火灾探测器是目前世界上应用较普遍、数量较多的探测器。据了解，感烟式火灾探测器可以探测70％以上的火灾。而感烟探测器目前应用较广泛的又属离子感烟式火灾探测器。因此，我们首先介绍离子感烟式火灾探测器的原理。

1. 离子式感烟探测器

图16-3-2-1 离子式感烟探测器 

离子感烟式火灾探测器利用了放射性同位素放出的a射线的电离作用。放射性同位素在火灾探测方面的应用，是原子能和平利用的一个重要方面，它也是近几十年才发展起来的一项新技术。

a射线是一种带正电的粒子流，也就是氦原子核流，带两个单位正电量；穿透能力很小，一张纸便可以将它挡住，但电离能力很大，在穿过空气时能使空气变为导电体。

(1) 基本原理：离子感烟火灾探测器利用两片放射性物质媚(241Am) 源，构成两个电离室(检测电离室和补偿电离室)及场效应晶体管((FET)等电子元器件组成电子线路，把物质初期燃烧所产生的烟雾信号转换成直流电压信号，通过导线传输给报警器，发出声光报警信号。

图16-3-2-2 电离电流形成示意图            电离电流和电压的关系 

电离室又可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。

所谓单极性电离室，是指电离室局部被a射线所照射，使一部分形成电离区，而未被 射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。如图图16-3-2-3(a)所示。我们把这个非电离区称为主探测区。

一般离子感烟探测器的电离室均设计成单极性的，因为当发生火灾时烟雾进人电离室后，单极性电离室要比双极性电离室的电离电流变化大，也就是说可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度。

在实际的离子感烟探测器设计中，是将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室(也叫外电离室)，结构上做成烟雾容易进入的型式；另一个作为补偿电离室(也叫内电离室)，做成烟粒子很难进人的结构型式。电离室采用这种串联的方式，主要是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境适应能力和稳定性。如图16-3-2-3(b)所示。

图16-3-2-3 (a)单极性电离室示意图            (b)检测电离室和补偿电离室示意图 

(2) 原理方框图：离子感烟探测器的原理方框图如图16-3-2-4。它由检测电离室和补偿电离室、信号放大回路、开关转换回路、火灾模拟检查回路、故障自动监测回路、确认灯回路等组成。

信号放大回路是在检测电离室进人烟雾以后，电压信号达到规定值以上时开始动作，通过同输人阻抗的MOS型场效应晶体管(FET)作为阻抗祸合后进行放大。

开关转换回路是用经过放大后的信号触发正反馈开关电路，将火灾信号传输给报警器。正反馈开关电路一经触发导通，就能自保持，起到记忆的作用。

为了防止探测器至报警器间发生电路断线，或者探测器安装接触不良，探测器被取走等问题发生，故障自动监测回路能及时发出故障报警信号，以便及时检查维修。

图16-3-2-4 离子感烟探测器方框原理图 

离子感烟探测器的电路，是由许多电子元件组成的，电子元器件的损坏，将会导致探测器误报警或者不报警，为了及时检查电子元器件是否损坏，可以通过火灾模拟检查回路加人火灾模拟信号，即可及时发现问题，进行维护保养，提高探测器的可靠性。