烟雾探测器结构测试实验装置设计研究①

王 超, 李大胜, 范恒亮, 魏 彤

(蚌埠学院机械与车辆工程学院,安徽 蚌埠233030)

0 引 言

在实际应用中的烟雾探测器共分为点型和独立式两大类,除去供电方式及应用范围的区别外,探测器主体结构都是由外壳,内部电路,光电烟雾传感器(行业内称为“迷宫”)等组成[1]。在传统的烟雾探测器设计环节中,忽视了烟雾在流动时是先经过探测器的外壳,然后再由外壳进入“迷宫”中的。通过观察常规的烟雾探测器产品,可以看到“迷宫”外面是有外壳包裹的,只留有一部分进烟口,烟雾在正常流动时必须先经过外部结构再从进烟口进入“迷宫”内部。如此情况下,“迷宫”判断烟雾的准确性其实先受限于产品结构造型的导流性。因此,有必要针对烟雾探测器的外壳结构进行测试分析,判断其是否有利于烟气的进入,而在传统的测试工作中使用的是国家消防电子产品质量监督中心统一生产的标准烟箱,设备结构体积庞大,操作流程繁杂[2],并且设备价值数十万元,不便于开发人员操作使用。以Arduino开放平台作为核心控制单元,采用3D打印技术等方式,搭建了一套用于进行烟雾探测器结构测试的低成本实验装置,可以实现在恒定条件下对不同结构的烟雾探测器进行进烟效果的测试,设计人员可以以测试数据作为依据判定烟雾探测器外观结构设计的优良。

1 系统总体设计

实验装置整体分为测试实验箱体和硬件控制电路两大部分,从成本及便携性角度考虑,主体结构搭建采用PP材质板材及透明亚克力板材,测试用的烟雾探测器结构及部分较为复杂的结构零部件采用3D打印技术成型,材质为光敏树脂或尼龙。硬件控制电路采用Arduino开发板及对应的扩展板,便于接线,系统设有两组风扇,分别用于烟雾扩散及排风,两路舵机用于打开或关闭导流口,采用两个MQ-2烟雾传感器模块[3]进行烟雾浓度的判断,并设有温湿度检测模块、蜂鸣器模块及3个功能按键模块,可以通过OLED显示屏实时显示实验设备的各类状态及测试数据。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 实验装置测试原理及结构框架设计

2.1 实验装置测试原理

为了保证实验装置的测试一致性,结合烟气流动特性以及传统烟箱的结构特征,将实验装置分为集烟仓和测试仓,如图2所示。集烟仓左侧仓门设置三个进烟风扇,上部设有一个烟雾传感装置,下部放置有燃烧皿一个。测试仓上部设有一个烟雾探测器连接装置,右侧仓门设置三个排风风扇。在集烟仓和测试仓中间设有一个导流机构,如图3所示。

图2 实验装置正面结构框架示意图

图3 实验装置结构框架示意图

在进行实验时,将定量可燃物(一般为棉线)点燃后吹灭,产生测试烟雾,烟雾上升集中在集烟仓顶部,在达到一定浓度后,集烟仓烟雾传感装置报警,启动进烟风扇,打开导流机构,将集烟仓内的烟雾均匀吹向测试仓,此时开始计时,记录测试仓烟雾探测器浓度达到设定值的时间,以此时间的长短作为烟雾探测器结构是否有利于进烟的数据参考。

2.2 实验装置结构框架设计

实验装置的前面板要用于进行实验空间内的观测,因而采用透明亚克力板材料,中间部分的导流机构也采用同样的材料,其他部分的主体框架采用PP板材,降低主体成本。集烟仓烟雾传感装置结构、测试仓烟雾探测器连接装置、测试仓烟雾传感装置结构及待测试烟雾探测器结构采用3D打印成型。主体控制部分放置在实验装置上部,方便实验人员操作及数据记录。整体成本控制在1500-2000元区间内。

3 实验装置软硬件设计

3.1 实验装置硬件设计

实验装置的硬件设计主要包括OLED显示模块,集烟仓和测试仓的烟雾探测模块,舵机模块,功能按键模块,环境检测模块等。

OLED显示模块用于进行实验过程的监控及实验装置状态的显示,采用1.3英寸的显示屏幕,可以清晰显示4行中文文字及数据,包括实时显示环境的温湿度值,烟雾探测器数值,测试所用时长等内容,便于实验人员了解实验装置的状态,进而进行后续操作。

烟雾探测器模块采用MQ-2传感器,在安装前对两个传感器进行数据比对,相同环境中的数据误差在换算后不应超过5个单位,使用传感器模块的模拟值端口向主机传输数据,注意设置集烟仓的传感器报警值应大于测试仓的传感器报警值。在使用传感器时应注意将传感器上电预热2分钟以上才能进行准确的数据检测。

舵机模块采用MG996R型金属齿轮舵机,工作扭矩13Kg/cm,用于将导流机构的盖板进行提升和放下,连通和闭合集烟仓与测试仓。

功能按键模块采用独立按键模块,按下输出高电平,三个按键分别用于实验装置的功能自动检验,结束实验后进行强制排风以及实验装置的复位。

环境检测模块采用DHT11温湿度检测模块,检测实验环境的温湿度情况,对于不同的待测试件,其实验环境的温湿度值应不能超过±5℃和±5%。

3.2 实验装置软件设计

实验装置的软件运行工作流程如下:

1)上电开机,提供5V或12V电源输入;

2)上电后OLED显示屏显示“装置预热中”,后台默认为2分钟,然后显示“预热完成”,进入正常检测显示页面;

3)常态化检测状态显示屏显示“温度、湿度、烟雾值一、烟雾值二”;

4)在常态化检测状态下首次使用实验设备时应按下“自检按键”,启动实验装置自检功能,如图4;

图4 实验装置自检过程

5)测试过程中,烟雾值一超过预设值后,屏幕增加显示“开始测试”,蜂鸣器报警,进风风扇启动,舵机启动;

6)当测试仓内烟雾浓度达到预设值后,屏幕下部变更显示“测试结束,用时XXXX”,蜂鸣器间隔1秒持续发出警报,完成测试数据记录后,按下复位按键,恢复常态化检测状态;

7)按下强制排风按键,启动强制排风功能,将集烟仓和测试仓内的残余烟雾排出;

8)观察显示屏烟雾值浓度,在恢复初始稳定值后,再次按下复位按键,结束实验测试。

整体实验过程如图5。

图5 整体实验过程

4 实验装置测试效果

烟雾探测器结构测试实验装置设计搭建完毕后,针对如图6所示的两款烟雾探测器结构进行了基本测试,测试结果如表1。

图6 实验测试用的烟雾探测器示意图及测试数据

表1 实测烟雾探测器结构测试实验装置测试结果

测试结果说明在相同条件下1号烟雾探测器的结构相比2号烟雾探测器更不利于烟雾的进入,在设计过程中,需要在其他地方进行再次优化才能弥补结构设计缺陷,间接增加了设计成本,因此设计应优先选取2号烟雾探测器的结构。

5 结 语

利用较低成本的硬件平台及结构框架设计搭建了烟雾探测器结构测试实验装置,叙述了设计的整体思路、实验装置的工作原理、实验装置的整体组成以及工作过程,并通过实际的实验操作利用该装置获取了不同产品的测试数据,为相关从业人员提供设计评价依据。