線型光纖感溫探測器在屋頂建筑應(yīng)用

大多數(shù)采用木制結(jié)構(gòu)的歷史古建筑和古代遺址，屋頂多采用茅草、樹皮、薄木板等植物性材料。在炎熱的夏季，這類建筑物從屋頂表面起火的可能性較大。建筑物一旦發(fā)生火災(zāi)，火焰發(fā)展迅速，不但可能造成古建 筑、古代遺址全部燒毀，更可能蔓延到相鄰的建筑。而傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器，主要是對建筑物內(nèi)部發(fā)生的火災(zāi)進行早期探測，對于從屋頂表面發(fā)生的火災(zāi)實現(xiàn)早期探測效果不是非常明顯。

本文通過在室外設(shè)置具有植物性材料屋頂?shù)慕ㄖ锬Ｐ停谖蓓敱砻嬖O(shè)置線型光纖感溫探測器采集數(shù)據(jù)，通過各種材料的燃燒試驗，對采用火災(zāi)判斷算法的線型光纖感溫探測器的探測性能進行了實際驗證，試驗證明通過在屋頂表面設(shè)置線型光纖感溫探測器，可以有效地實現(xiàn)對采用植物性材料屋頂?shù)墓沤ㄖ?、古代譴址火災(zāi)的早期探測。

1 火災(zāi)判斷算法

火災(zāi)判斷算法的流程圖如圖1所示。線型光纖感溫探測器設(shè)置在屋頂?shù)耐獗砻婕皟?nèi)表面，隨著周圍環(huán)境溫度的變化，輸出模擬值。該模擬值經(jīng)過數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換為探測溫度值tn，tn和定溫比較部分中預(yù)先設(shè)定的定溫值tsl相比較，當大于tsl時發(fā)出火災(zāi)報警信號。

圖1 火災(zāi)判斷算法的流程圖

探測溫度值tn同時輸入到溫差檢測部分與參照溫度設(shè)定值tc相比較，溫差值為Δt。參照溫度值tc是在參照溫度修正部分按照下列公式每次計算得出的修正溫度值。

tc＝tc'+0.16(tn—tc)

tn：本次的探測溫度值
tc：本次的參照溫度值
tc'：下次的參照溫度值

溫差檢測部分將計算出的溫差值Δt輸入到火災(zāi)判斷部分，當Δt大于火災(zāi)判定部分中預(yù)先設(shè)定的溫度值ts時，發(fā)出火災(zāi)報警信號。

圖2是當線型光纖感溫探測器的探測溫度值tn直線上升時，參照溫度值tc和溫差值Δt隨時間變化的曲線。如圖2所示，當實線所表示的探測溫度值tn按一定趨勢直線上升時，根據(jù)公式計算得出的參照溫度值tc如虛線所示，隨著時間的變化也按照同一趨勢上升。因此，溫差值Δt經(jīng)過一段時間后趨于一個定值。

圖2 探測溫度值tn和參照溫度值tc

圖3是以探測溫度tn的溫升速率為參數(shù)，探測溫度tn和參照溫度tc的溫差值Δt的時間變化曲線。從圖中可以看出，探測溫度的溫升速率越大，溫差最后趨向于一個較高值；探測溫度的溫升速率越小，溫差最后趨向于一個較低值。

圖3 以探測溫度的溫升速率為參數(shù)的溫差時間變化

2 數(shù)據(jù)采集試驗

夏季茅草屋頂?shù)臏囟容^高，因此通過試驗采集茅草屋頂表面的溫度數(shù)據(jù)，分析誤報的發(fā)生原因和特性，有效地區(qū)分真實火災(zāi)。

如圖4所示，建筑模型的屋頂材料為茅草。屋頂尺寸為長240cm、寬130em、厚35 cm、傾斜角度45度、東西放置。其中茅草部分為長220cm、寬110cm。

圖4 建筑物模型

如圖5所示，線型光纖感溫探測器沿屋頂表面垂直2條線設(shè)置，間隔50 cm。屋頂表面同時設(shè)置熱電偶、照度計。數(shù)據(jù)采集時間間隔為16s。

圖5 光纖設(shè)置圖

試驗結(jié)果如圖6所示，線型光纖感溫探測器的探測溫度隨太陽的上升而上升，當天氣由晴轉(zhuǎn)多云時探測溫度下降。試驗數(shù)據(jù)證明線型光纖感溫探測器的探測溫度和太陽光的照度關(guān)系較大。

3 燃燒試驗

在模型的屋頂外表面分別設(shè)置線型光纖感溫探測器、點型紅外火焰探測器、點型紫外火焰探測器，在屋頂內(nèi)表面分別設(shè)置線型光纖感溫探測器、點型感煙火災(zāi)探測器。線型光纖感溫探測器的探測溫度值為tn，定溫判斷值tsl設(shè)定為60oC，溫差判斷值ts設(shè)定為7oC，屋頂材料分別采用茅草、柏樹皮、薄木板進行燃燒試驗。

3．1 茅草屋頂燃燒試驗

試驗條件設(shè)定為屋頂表面起火，風在屋頂上面吹過。試驗結(jié)果如圖7所示，線型光纖感溫探測器幾乎在火焰發(fā)出的同時發(fā)出火災(zāi)報警信號。點型紫外、紅外火焰探測器對于茅草屋頂?shù)拿骰鹜瑯訄缶^快。設(shè)置在屋頂內(nèi)表面的點型感煙探測器報警時間較遲，主要是由于風從屋頂上面吹過，煙很難進入建筑物內(nèi)部。

圖7 茅草屋頂燃燒試驗

3．2 柏樹皮屋頂燃燒試驗

試驗條件設(shè)定為屋頂表面起火，風直接吹向屋頂使煙容易進入室內(nèi)。試驗結(jié)果如圖8所示，線型光纖感溫探測器在陰燃階段發(fā)出火災(zāi)報警信號。柏樹皮燃燒時，陰燃火特征比較明顯，當室內(nèi)的煙達到一定濃度后，點型感煙探測器發(fā)出火災(zāi)報警信號；而點型紫外、紅外火焰探測器由于其探測原理主要是對火焰進行探測，因此報警時間較遲。

圖8 柏樹皮屋頂燃燒試驗

3.3 薄木板屋頂燃燒試驗

試驗條件同于柏樹皮屋頂燃燒試驗。試驗結(jié)果如圖9所示，線型光纖感溫探測器在陰燃階段發(fā)出火災(zāi)報警信號。薄木板燃燒時火焰極其微小，幾乎處于陰燃狀態(tài)，因此和柏樹皮屋頂燃燒試驗相似，點型感煙探測器報警時間較快，點型紫外、紅外火焰探測器報警時間較遲。

圖9 薄木板屋頂燃燒試驗

試驗結(jié)果表明，采用該火災(zāi)判斷算法的線型光纖感溫探測器可以有效地防止誤報，同時和設(shè)置在屋頂外表面的點型紅外、紫外火焰探測器及設(shè)置在屋頂內(nèi)表面的點型感煙火災(zāi)探測器的報警時間相比較在火災(zāi)探測方面具有顯著的有效性。

4 結(jié)束語

通過在室外設(shè)置植物性材料屋頂?shù)慕ㄖＰ偷娜紵囼?，證明采用本文火災(zāi)判斷算法的線型光纖感溫探測器應(yīng)用在采用植物性材料屋頂?shù)墓沤ㄖ凸糯z址中，可以有效地實現(xiàn)火災(zāi)早期探測，具有較強的實用性和有效性。

參考文獻：
[1] 山下邦博等．光纖探測器在古建筑中的應(yīng)用．日本報知機株式會社技術(shù)論文集，1998年總第14期．