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火灾探测器受干扰的原因及改进方法
摘 要：本文从火灾探测器的工作原理入手，分析火灾探测器的部分及主要干扰来源，并对此提出一些改进的方法。
关键词：火灾探测器；干扰；改进方法
中图分类号：TP212.1 文献标识码：A
一、前言
随着经济的发展、大量楼宇的建成与使用，用于保障人身和财产安全的火灾自动报警系统显得越来越必要。但火灾自动报警系统设置后，往往会发觉系统有些不尽如人意的地方。如：火灾探测器经常失效或损坏，维护费用增大；探测器经常误报警，使得消防值班人员饱受困扰。排除了设备质量不过关等情况后，我们发现这些情况往往是由于探测设备受到干扰而造成的。下面将从火灾探测器的工作原理入手，逐步分析探测器的部分和主要干扰来源，并对此提出一些改进的方法。
二、火灾侦测器的工作原理
火灾侦测器顾名思义就是侦测是否有火灾正在发生的设备，根据火灾的特点及其产生物（例如：烟、热、火焰等）的特性，可分为：感烟探测器、感温探测器及火焰探测器三类。
火灾探测器的一般工作原理如图1所示：传感元件检测火灾产生物或火灾发生时的特性值，变送电路将探测元件传来的原始信号转换为电流/电压信号，或是脉冲、开关量，送入火灾自动报警控制器中，控制器对接收到的信号加以计算分析，并判定是否有火灾正在发生，是则发出报警信号。有些系统为减轻火灾自动报警控制器的负担，在火灾侦测器内安装了CPU，承担了控制器大部分的数据计算和分析任务。现在，简单介绍三种探测器的工作原理。
1、光电式感烟探测器
 光电式感烟探测器有一个迷宫式烟雾探测室，里面设有一个光源和一个感光元件。由于是迷宫式设计，光源的光线一般不能照射到感光元件上（如图2（a）），但是当有烟雾进入后，光线在烟雾中产生散射，从而有部分光线射到感光元件上（图2（b）），烟雾越浓，散射到感光元件上的光线就越多，感光元件再把光信号转换为电信号进行输出。 2、离子式感烟探测器 离子式感烟探测器由一个放射源（如Am241）、外置的采样室和内置的离子参考样本室组成，如图3（a）。当放射源照射空气中的物质时，一部分物质变成带正电的离子，另一部分物质变成带负电的离子。带正电的离子和带负电的离子在电场的作用下形成了一个电场，如图3（b）。当烟雾进入采样室后与带电的离子结合，带电离子数量的减少使电场电压产生了变化，烟雾越多越浓电压变化就越大。 3、定温式温度探测器与变温式温度探测器 温度探测器是利用感温元件把温度值传给控制器或利用双金属片产生一个开关量并传给控制器的。定温式感温探测器就是先检测温度的高低，当温度达到某一设定温度时(如：58℃)就发出报警信号；而变温式感温探测器则是检测温度上升的斜率达到某一标准而产生报警(如：10分钟内，温度上升了6℃)。 三、主要的干扰源 由火灾探测器的组成结构及其工作原理，我们很容易就可以判断出火灾探测器的哪些部分容易受到外界干扰，而这些外界干扰因素就是干扰源。 我们认为火灾探测器最容易受到干扰的是以下几个部分： （1）传感元件 传感元件是火灾探测器的“眼睛”，但它的“视力”有限。例如：当与烟雾某方面特性相似的物质(如：粉尘、水雾)被它“看见”后，就会认为是烟雾，从而产生误报警。另外一方面，由于传感元件一般是暴露在外界，比较容易受外界的粉尘、潮气影响而导致灵敏度降低。 （2）探测电路 探测电路是包括传感元件在内的一组电路，主要的功能是把传感元件传送过来的“信息”转换为我们所需要的电压或电流信号。当受到外界电磁干扰时，它就会产生误报警或者是不报警，甚至会损坏设备。 （3）通讯电路和通讯线路 通讯电路和通讯线路负责把探测到的“信息”传送到火灾报警控制器，但在这个过程中很可能会因受到干扰而产生误报警。例如：探测电路传送过来的信息经过A/D转换变为数字信号，然后再经过通讯电路和通讯线路送到火灾报警控制器，但可能因受到干扰而把“0”信号变为“1”信号或是把低电平变为高电平，从而使火灾报警控制器接收到假信息并产生误报警。 因此，干扰火灾探测器正常工作的干扰因素，我们认为主要有以下几种： （1）粉尘 自然环境的破坏、绿地的减少、城市的建设、工厂的乱排乱放等都造成了空气中的粉尘含量越来越高，而粉尘对火灾探测器(特别是感烟火灾探测器)来说是“头号杀手”。因为过多的粉尘停留在探测器的光学元件上，会导致探测器的灵敏度下降或造成失效；另一方面，过多的粉尘停留在采样室中会造成光线的大量散射，使感光元件接收太多的光线导致探测器误报警。对于离子式探测器，会因为大量的灰尘进入采样室与带电离子结合而导致探测器误报警。当具有腐蚀性的粉尘停留在探测器的电路板上，就会腐蚀电路板，遇上潮湿的天气情况会变得更严重。 （2）潮气 潮气，特别是南方的梅雨天气下，湿度通常大于95％，这会对探测器的电子板件及探测元件造成很大的影响。首先，会造成电子板件受潮短路而损坏，或是使绝缘性降低而产生系统接地；其次，当潮气进入探测器的探测室时，会对探测元件造成干扰。特别是对感烟探测器，当潮气进入探测室后，大量散射探测器光源发出的光线，从而导致探测器误报警。 （3）电磁场 日光灯的镇流器、高压电机、通讯发射台等设备都会发出电磁干扰，当探测器安装在这些设备附近时，或多或少都会受电磁场干扰。当火灾探测器的电路或通讯线路受干扰时，就可能产生误报警。 （4）高速气流 当火灾探测器安装在有高速气流的位置时，如通风空调的送风口附近、风室、风道等，高速气流会将烟雾吹离探测器使探测器报警缓慢，另一方面高速气流进入感烟探测器的采样室后，会形成气流旋，使停留在采样室的粉尘扬起造成误报警。 四、几种改进方法 要完全解决干扰问题，最好的方法莫过于移除干扰源。但多数情况下，干扰源是无法排除的，甚至某些干扰源还是受保护对象。因此，我们只能从减少干扰影响的角度进行考虑。以下是结合本人工作经验，提出的几点改进方法： 1、合理安装、规范布线 据不完全统计，70％的火灾侦测器误报警是由于不合理安装所造成的。因此，正确选定火灾侦测器类型、以及按照有关的技术说明和规范正确安装与布线是减少干扰影响的关键。 （1）正确选定火灾探测器的类型 在选定火灾探测器的类型时应参考国家火灾自动报警系统设计规范(GBJ 116－88)。 例如：在相对湿度长期大于95％RH，气流速度大于5m/s，大量粉尘、水雾滞留，可能产生腐蚀性气体的场所不宜设置离子式火灾探测器；在可能产生黑烟，大量积聚粉尘，平常情况下有烟滞留，存在高频电磁干扰的场所不宜设置光电式火灾探测器；在相对湿度长期大于95％RH，有大量粉尘、平常情况下有烟和蒸汽滞留，厨房、锅炉间、发电机房、茶炉间、汽车库等场所不宜设置感温火灾探测器等等。 而且有关产品安装说明书也有类似的说明。例如Simplex公司的安装说明书《Peripheral Equipment》中讲述：避免在锅炉房、厨房、汽车库、食物存储或冷冻间、热处理车间、焊接车间、靠近高压电机或电机控制盘的地方安装离子式探测器。 在实际的应用中，我们也不难发现一些错误的例子，如：把感烟探测器安装在电热水器上方或是安装在风道、风室内。这些情况所造成的误报率是很高的，因此根据实际地点的情况正确选择火灾探测器是十分重要的。 （2）安装位置的确定 在国家火灾自动报警系统设计规范(GBJ 116－88)中，有很多关于正确设置火灾探测器的条文。例如：探测器至墙壁梁边的水平距离不应小于0.5m；探测器周围0.5m内不应有遮挡物；探测器至空调送风口边的水平距离不应小于1.5m，至多孔送风顶棚孔口的水平距离不应小于0.5m等等。这些条文不但确保探测器能有效、迅速地探测到火灾的发生，而且也是避免干扰的有效途径。 在美国电气制造商协会NEMA出版的《Guide for Proper Use of System Detectors》中讲述：如果探测器安装在具有送风和回风管路的房间时，探测器应该安装在流向回风口的气流流经的路径上。 进行放烟测试将有助于确定探测器的正确安装位置，需要特别注意烟雾的流向及途经的路径（如图4）。
 当探测器必须安装在送风口附近时，就必须保持一定的距离，如图5所示。 在图5中可看到，正确的安装位置可以使探测器迅速、准确地探测到火灾。相反，不正确的安装位置，不但使探测器报警缓慢，而且探测器还容易受到风口的高速气流的干扰而产生误报。 （3）合理规范布线 合理规范布线是防止电磁干扰的有效方法。布线规范在国家火灾自动报警系统设计规范(GBJ 116－88)中和有关的电气设计规范中都有相关的条文。 例如：消防控制、通讯和报警线路应采取穿金属管保护，并宜暗敷在非燃烧体结构内??；不同系统、不同电压、不同电流类别的线路不应穿于同一根管内或线槽的同一槽孔内；弱电线路的电缆竖井宜与强电线路的电缆竖井分别设置。如受条件限制必须合用时，弱电与强电线路应分别布置在竖井两侧等等。 合理规范的布线能有效减少强电对弱电系统的干扰。而采取穿金属线管保护或采用有屏蔽层的线材都要求金属线管或线材屏蔽层必须连续而且单端接地，接地电阻一般要求少于1Ω，甚至少于0.5Ω，这样做能有效地防止电磁干扰对通讯线路的影响。 总的来说，合理地安装设备及规范布线能有效地减少电磁干扰、高速气流干扰等影响。 2、优化火灾自动报警控制器的计算方法以降低误报警 目前较先进的火灾自动报警控制器均对火灾侦测器从现场采集回来的数据进行计算分析，从而判定是否有火灾发生。实践证明，通过优化为灾自动报警控制器的计算方法能有效地减少干扰的影响。 （1）变化阈值法 变化阈值法主要是针对感烟探测器所使用的，其方法是：将感烟探测器传送到自动报警控制器的数值进行存储、计算，并得出实时值、平均值（最近一小时实时值的平均值）、报警阈值（报警阈值＝设定阈值＋平均值）。将实时值与报警阈值进行比较，当实时值大于等于报警阈值时系统产生火灾报警如图6(注：纵坐标表示：探测器的探测值经 A/D 变换后的数字量，横坐标表示：探测时间（秒）＝坐标值×探测周期（S)) 该方法的优点是使探测器报警阈值由固定值变为跟随着探测器平均值变化而改变的变值。由于探测器在长期使用后，难以避免有粉尘积聚在探测器的探测室内，而粉尘会散射光源的光线，造成探测器的探测实时值逐渐升高。如果探测器的报警阈值是一个定值的话，那么探测器允许的波动就会越来越小。当实时值接近报警阈值时，只要小小的波动，都能使探测器产生报警，但实际上并没有发生火灾。因此，我们以探测器的平均值作为基准，再加上设定阈值作为报警阈值。由于探测器的平均值是近期一小时内的实时值的平均值，因此它消除了探测器实时值的波动，是探测器近一段时期状态的反映，它与实时值一样随着探测器的使用而逐渐升高。报警阈值以它作为基准，就像水涨船高一样，解决了由于粉尘积聚使探测器报警阈值逐渐变小的情况，也消除了由于粉尘积聚而使探测器误报的情况。 虽然探测器的平均值能消除粉尘积聚的影响，但也不能无限地增大。平均值也有一个极限，当超过这个极限时，火灾自动报警控制器就会产生故障报警，显示探测器太脏了，需要进行清洗。 （2）延时法 延时法是采用延时的方法消除火灾探测器因瞬时受到干扰而产生的误报警，同时也保证了火灾探测器真实报警的实时性。该方法适用于解决瞬时的各种干扰的影响。探测器的具体工作流程图见图7。
我们曾用这方法解决了一例由于高速气流而造成感烟探测器误报的实例。具体情况是：在广州地铁一号线，由于轨行区与站台候车区之间没有挡隔装置，因此当列车驶入或驶出站台时，都会产生高速的气流，造成了安装在站台靠近隧道口的感烟探测器经常误报警，使值班人员非常困扰。采用了延时法后，有效地减少了大部分的误报警。具体方法是：当火灾探测器实时值大于等于报警阈值时，自动报警控制器先不产生火警报警，而是把探测器当前状态进行存储记录，然后对探测器进行复位、延时，在下一个巡检周期（一般是4s～6s）后，再读取探测器的状态。如此重复5次～10次，如果探测器的实时值仍大于等于报警阈值，这说明发生火灾的 可能性较高，自动报警控制器产生火警报警。反之，探测器的实时值恢复正常状态，说明是误报警，该探测器的核实分数加1。如果核实分数大于10就会产生一个故障报警，说明该探测器经常误报警，需引起注意。
（3）类比分析法
类比分析法是把一个时间段内接收到的探测器实时值与火灾自动报警控制器的数据库内的物质燃烧数据模型进行比较，以确定是否发生了火灾。由于不同的物质燃烧时，会产生不同的烟雾或热量曲线，把烟雾或热量曲线进行分析、处理后，就可建立该物质燃烧时的烟雾或热量数据模型，如图 8 （ 注：纵坐标表示：探测器的探测值经 A/D 变换后的数字量，横坐标表示：探测时间（ s ）＝坐标值×探测周期（ s ） ） 。具体方法是：
第一步，调查保护区域内可燃物料的种类，并在实验室对这些物料做燃烧实验，得出这些物料在燃烧过程中的烟雾或温度变化曲线。通过把这些曲线分解为以时间为函数的幅度变化曲线、斜率变化曲线、允许的波动范围，并建立这些物质燃烧过程的数据模型。利用同样的方法，我们可建立包括粉尘干扰、潮气干扰、高速气流干扰在内的各种干扰的数据模型。
第二步，把这些燃烧数据模型、干扰数据模型输入火灾自动报警控制器作为样本。
第三步，把探测器传送过来的一个时间段内的实时值与控制器内的数据模型进行比较、分析，以确定是否发生火灾。
这种方法的优点是：能较准确地识别真实火灾情况，有效地减少环境因素干扰，使探测器更可靠。
3 、增加防护装置
为探测器加装一些额外的防护装置，也可以起到一定的减少干扰影响的作用。例如，为探测器的探测电路加装屏蔽层以减少电磁干扰的影响；为探测器的接线盒或盖盒加装防潮胶垫以减少潮气对电路的影响；为探测器加装合适孔径的滤网以阻挡较大的粉尘颗粒和小动物等等。
在加装防护装置时，应注意所加装的装置不能影响或削弱探测器的探测功能，否则探测器将失去应有的效用。
4 、采用新技术
随着科技不断进步、人们在抗干扰问题上的不断探索与研究，近代出现了一些具有较高抗干扰性的新技术、新产品。其中空气采样分析系统和线性光纤感温探测系统都是具有较高抗干扰性的新技术产品。这些新技术能有效地抗粉尘、抗电磁、抗高速气流干扰。
（1）空气采样分析系统
空气采样分析系统是主动式侦测系统。系统内置的抽气泵通过铺设的管路不停的从保护区域抽取空气样品送到侦测室进行检测。为防止空气中的灰尘或其它颗粒对检测造成干扰，采集到的空气样品要经过一道过滤网进行过滤。在侦测室中，激光发射装置发射出平行的激光光束，烟雾粒子造成激光光线小角度散射，散射光线经凹面反光镜反射到高灵敏度激光接收器上。通过变送电路把接收器接收到的光信号转变为电脉冲信号，控制器经过对信号处理计算后确定烟雾浓度是否达到警报级别，是则发出报警信号。其它杂乱光线则被中心光栏后的平面反光镜反射出侦测室，以防止造成干扰。除了滤网对灰尘进行过滤外，系统还具有激光筛选的功能，可以通过判断激光对烟雾粒子和灰尘粒子的不同脉冲，去除灰尘粒子干扰。
由于空气采样分析系统中探测器的采样由 PVC 管道和 PVC 管取样孔组成，无需走电缆，所有电子元件都在探测器的机壳之内，所以不易受到外界电磁场的干扰。另一方面，由于空气采样分析系统的探测器是采用主动抽取空气样本的方式工作，所以高气流环境对系统的影响不大。
（2）线性光纤感温探测系统
线性光纤感温探测系统是利用激光在光纤中传输时产生的背向拉曼散射信号和光时域反射原理来获取空间温度分布信息的探测系统。由于该系统的探测线路是光纤，因此该系统具有防燃、防爆、抗腐蚀、耐高温、抗电磁干扰等优点。
线性光纤感温探测系统的基本工作原理是：当在光纤中注入一定波长和能量的激光脉冲，激光脉冲在光纤中传输的同时不断产生后向拉曼散射光波。这些后向拉曼散射光波经过光学滤波、光电转换、放大和模 / 数转换后送入信号处理系统，系统便可将温度信号实时显示出来，并能根据光的传播速度和背向光回波的时间对温度信息进行定位（工作原理如图 9 ）。
五、结论 以上所介绍的几种方法，都可以在一定程度上减少干扰对火灾探测器的影响。虽说这些方法不一定是最好、最完善的。但可以肯定的是，随着科技技术的日益发展，抗干扰的方法和技术必然是越来越完善。 参考文献 ： [1] Guide for Proper Use of System Detectors[M]. 美国新普利斯公司（ SIMPLEX TIME RECORDER CO. ）设备安装指南 [2] Peripheral Equipment[M]. 美国新普利斯公司（ SIMPLEX TIME RECORDER CO. ）设备安装指南 [3] 国家火灾自动报警系统设计规范 (GBJ 116 － 88)[S] Suggestions for Reducing Disturbance to Fire Detector Abstract: This paper starts with the principle of fire detectors , then analyzes which parts of the fire detector usually be disturbed and which matter can cause the fire detector to fail in alarm. At the end , we make some suggestions for improving the reliability of fire detectors. Keywords: fire detector; disturb ; suggestion 作者简介： 方云笙，广州地铁总公司运营事业总部机电二分部助理工程师，主要从事消防方面的工作。 通讯地址：广州市赤岗路赤岗一街 26 号 601 房 电话： 020-89821303 ， 13642339180 邮编： 510310 E-mail ： fangys99@yahoo.com.cn | 
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