基于光路改进的耐高湿环境的感烟探测器

方华松 李银凡 白绪涛 李建文

摘要：为了降低核电站地下综合管廊在一些潮湿环境中因水汽导致感烟火灾探测频繁误报问题，对现场情况及当前感烟火灾探测技术做了充分的调研分析。现基于双波长感烟探测及烟雾算法识别等技术开发一套适用于高湿环境下的双波长感烟火灾探测器，并通过相关试验验证该探测器在高湿环境中的适用性及稳定性。结果表明该感烟探测器在高湿环境中烟雾识别算法可成功剔除水汽产生的干扰信号，避免误报情况的发生，实现可靠稳定的运行效果。

关键词：核电站;光路改进;双波长感烟火灾探测器;耐高湿

中图分类号：TU892       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）04-0019-04

核电作为“碳中和”的有力资源之一，为碳补偿提供新的视角。2019年始，国家战略已将目光投向核电行业，未来核电工程将得到快速发展。消防安全是核电站生产运行最基本的要求之一，然而在核電站运营中由于辐射潜在危害性，一旦发生火灾，将可能引起核安全系统相关事故，带来巨大的经济损失及社会影响，后果极其严重。为此，及时、准确、可靠的探测报警，是充分发挥消防灭火系统，保护生命财产安全，减少火灾造成损失的重要条件。

核电站大部分区域的火灾探测器均满足现场的使用需求，但在一些地下综合管廊等相对湿度较大的区域，据不完全统计，感烟火灾探测器误报率高达9.8%，经分析，潮湿和热气为主要的误报源。频繁的误报不但给现场消防管理人员增加了工作难度，而且系统在自动状态下会联动消防灭火系统误启动，一些特殊场所中如果发生误报引发的后果将不堪设想。

1  感烟探测技术现状

自20世纪70年代以来，电子和核电行业都取得了长足的发展，但烟雾探测技术和规范几乎未发生任何变化。目前用于核电站的感烟探测器主要可分为两类：一是电离型，使用放射性物质来电离空气，然后检测电荷不平衡实现烟雾探测，但由于《离子感烟火灾探测器放射防护标准》（GBZ122-2006）的颁布，离子型感烟探测器不能满足强制性国家职业卫生标准的要求而逐渐被淘汰;二是光电型，使用光电探测器对某个角度发射光源，并检测从大气尘粒反射到光电二极管的光所引起的光电探测器电流实现烟雾探测。传统的感烟火灾探测器只是一个单光源红外烟雾传感器，当有粉尘、水汽进入探测器的烟雾检测室时，探测器是无法区分粉尘、水汽和烟雾的，因此探测器将统一认为是烟雾报警，从而把错误的信息传递给控制器，造成误报警的不良影响。

虽然国内外一些权威机构就感烟探测器误报问题已经对相关标准和规范做了相应的修订，如美国UL实验室发布的ANSI/UL-217、ANSI/UL-268和国家消防机构发布的NFPA72国家火灾报警规范，都旨在通过对感烟火灾探测器设计提出更复杂的要求来解决这些问题。相关研究机构和企业科技工作者也在该方面做了积极的响应并开展了大量的研究工作并取得一定成效：在探测方法方面主要有减光型与散射型结合、烟温复合探测器以及与CO传感器复合等;在结构改造方面主要有前向散射迷宫、后向散射迷宫和双向散射迷宫等。有的已经成熟应用到产品中，但有的因灵敏度或成本问题并没有被广泛应用。

笔者依据前者的研究成果，并结合对误报源本身特性和现有感烟探测器对误报源的感应特性进行分析研究，通过改进感烟火灾探测器探测光路并植入烟雾识别算法实现一种适用于高湿环境的双波长感烟火灾探测器，并通过相关试验验证其性能。

2  双波长感烟探测器

基于光路改进的耐高湿环境的双波长感烟火灾探测器是集双波长烟雾探测技术、烟雾算法识别技术、物联网数据传输技术及大数据分析技术等多门学科交叉、多项技术进行融合设计开发而成，属于独立式感烟火灾探测系统，系统架构如图1所示。通过双光路散射光学原理识别空气中的水雾等非烟气介质，从而降低误报率，实现更精准的火灾探测。

2.1  双波长感烟探测器工作原理

双波长感烟火灾探测器采用两种不同波长的发射光，一种是波长为470nm的蓝光BL，一种是940nm的红外光IR。进行烟雾探测时，两个光发射器交替发出的蓝光和红外光遇到微小颗粒时产生的散射光经过透镜被光接收器接收。探测器内部的芯片把接收的光电信号转换为数字信号，并计算不同光源的数字信号的均值、斜率以及标准方差等进行初步判断，满足预警条件后通过烟雾识别算法剔除探测器迷宫中空气样品中的水雾干扰信号，再通过预设的BL/IR修正阈值对空气样品进行综合逻辑研判消除其他干扰信号，最终确定火灾的发生，详细工作流程如图2所示。最后将报警信息通过NB-loT信号塔同步推送至中心管理平台及其他应用终端，及时做出险情排除和人员撤离。

2.2  功能特点

双波长感烟火灾探测器采用双光源设计，相对于单光源感烟火灾探测器，其运行稳定可靠，探测响应速度快，误报率低。

误报率低：基于双波长感烟火灾探测技术，通过对两种不同的光源信号进行转换、分析和研判，可较为彻底剔除水汽和灰尘等干扰信号，避免误报。

无线传输：结合核电站消防改造布线施工难度的特点，采用NB-loT无线传输技术，施工方便，报警传输速度快、终端设备配置灵活，可随时远程监控设备状态，实现火灾的早发现、早报警。

多种报警方式：设计五重报警，自带声光报警、电话远程报警、手机短信报警、平台报警提示和记录和手机App报警，同时具有红外消音功能，并支持平台一键消音。实现多重报警，多人接收，多端火灾防控。

平台对接：支持安消一体化系统平台数据互通，设备—系统对接方便，无论是设备端、管理端还是云端均实现标准化、流程化，商务合作零门槛。

3  双波长感烟探测器耐高湿性能测试

根据国标《点型感烟火灾探测器》（GB4715-2005）要求對双波长感烟火灾探测器开展各项性能试验，包括烟雾报警试验、老化试验、气流试验、静电放电抗扰度试验、振动试验、浪涌抗扰度试验及火灾灵敏度试验等，在均满足各项试验指标的基础上开展对双波长感烟探测器的耐高湿性能测试。

3.1  试验方法

考虑到火灾探测系统在实际应用中，一旦安装调试完成，一年四季均不间断运行。而冬季和夏季探测器周围温度存在显著差异，潮湿对探测器的干扰效应也因此可能产生差异，为了全面了解不同环境条件对双波长感烟火灾探测器性能的影响，设计以下试验：在一定的气流速度条件下，分别在7℃和28℃时改变环境中的相对湿度，监测感烟探测器数据输出，检验探测器在高湿环境下的运行情况。

火灾探测器试验装置主体为一个湿热箱，外加电源、控制单元、转换线路及数据采集分析系统，整体结构如图3所示。

湿热箱带有转速为1400r/min的风机，提供0.5m/s恒定风速，数据采集分析系统监测探测器试验过程中数据变化，该系统是基于美国Link公司与台湾联合生产的虚拟测量仪器开发的一款专门用于测试双波长感烟火灾探测器的专用系统。

3.2  结果分析

试验开始时，通过大功率加湿器来改变湿热箱内的相对湿度，在610s时湿热箱相对湿度达到100%，持续加湿到1200s，监测这段时间内双波长感烟火灾探测器BL/IR算法修正值的变化，并分别在7℃和28℃试验条件下进行多组试验，得出光电感烟探测器BL/IR算法修正值与空气相对湿度的关系。

经试验分析：在7℃试验条件下，加湿器不断给湿热箱加湿达到饱和状态，这时继续加湿，由于温度较低，则部分颗粒状细水雾来不及气化成气态，从而进入感烟火灾探测器迷宫发生光散射现象，形成局部干扰，BL/IR算法修正值曲线与湿度变化曲线如图4所示。通过试验得出BL/IR算法修正值峰值达到1.35左右，并没有达到探测器修正算法1.4的报警阈值。当停止加湿后，虽然空气相对湿度并没有及时随之下降，依然保持在饱和状态，但探测器BL/IR的比值迅速下降到其初始值。究其原因，主要由于停止对湿热箱加湿后，湿热箱内的空气流动使湿热箱和探测器迷宫内的水雾迅速气化，干扰也随即消失，BL/IR算法修正值迅速回归到初始值。

经试验分析：28℃试验条件下，由于环境温度较高，因此，水蒸气的凝结过程与7℃时不同，28℃时相对湿度曲线与探测器BL/IR算法修正值曲线如图5所示。试验开始后，探测器周围湿度迅速升高直至饱和状态，此后继续加湿，探测器的BL/IR算法修正值并没有明显变化，主要是因为环境温度较高，水蒸气不易凝结成能发生光干扰现象的液态小颗粒，因此，即使饱和湿度下双波长感烟火灾探测器BL/IR算法修正值也基本上不发生变化。

3.3  试验结论

通过对试验结果的分析可以获得以下结论：在不同外界环境温度条件下，空气相对湿度较高，甚至达到饱和之后，水汽凝结为液体小水珠，以及液体小水珠在运动过程中发生的气化、凝结、凝并等多重物理现象引起其粒径变化，使得粒子直径的差异将引起光散射干扰规律不同，通过对红外信号数据、蓝光信号数据及BL/IR算法修正值的数据分析和综合研判，最终可以成功剔除空气中的水汽的干扰。使得双波长感烟探测器在不同温度的高湿环境中均可稳定运行，没有误报情况的发生。

4  结语

笔者通过对核电站地下综合管廊等一些潮湿场所的感烟火灾探测器误报问题进行现场调研及数据分析，并结合单光源感烟火灾探测器的探测原理，最终确定水汽是导致探测器误报的根本原因。基于国内外权威机构及一些科学工作者对感烟火灾探测技术研究的基础上，提出一种基于光路改进的适用于核电站耐高湿环境的双波长感烟火灾探测器，并通过大量试验验证该探测器在高湿场所中的适用性。双波长感烟火灾探测技术赋予探测器敏锐的“双目”，解决了传统单光源感烟探测器无法彻底区分灰尘、水蒸气等非烟类信号的问题，从本质上较为彻底地解决感烟探测器在高湿环境中的误报问题。既确保了感烟探测器在核电站地下综合管廊等一些高湿场所中能够稳定运行、有效探测，又为后期核电站潮湿场所消防升级改造或新建项目的设计提供理论依据。

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