線型光纖感溫探測器在屋頂建筑應用

大多數(shù)采用木制結構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，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)的火災探測器，主要是對建筑物內(nèi)部發(fā)生的火災進行早期探測，對于從屋頂表面發(fā)生的火災實現(xiàn)早期探測效果不是非常明顯。

本文通過在室外設置具有植物性材料屋頂?shù)慕ㄖ锬Ｐ停谖蓓敱砻嬖O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?、古代譴址火災的早期探測。

1 火災判斷算法

火災判斷算法的流程圖如圖1所示。線型光纖感溫探測器設置在屋頂?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)處理轉換為探測溫度值tn，tn和定溫比較部分中預先設定的定溫值tsl相比較，當大于tsl時發(fā)出火災報警信號。

圖1 火災判斷算法的流程圖

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輸入到火災判斷部分，當Δt大于火災判定部分中預先設定的溫度值ts時，發(fā)出火災報警信號。

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。

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條線設置，間隔50 cm。屋頂表面同時設置熱電偶、照度計。數(shù)據(jù)采集時間間隔為16s。

圖5 光纖設置圖

試驗結果如圖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系較大。

3 燃燒試驗

在模型的屋頂外表面分別設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)表面分別設置線型光纖感溫探測器、點型感煙火災探測器。線型光纖感溫探測器的探測溫度值為tn，定溫判斷值tsl設定為60oC，溫差判斷值ts設定為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

試驗條件設定為屋頂表面起火，風在屋頂上面吹過。試驗結果如圖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

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

4 結束語

通過在室外設置植物性材料屋頂?shù)慕ㄖＰ偷娜紵囼?，證明采用本文火災判斷算法的線型光纖感溫探測器應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用．日本報知機株式會社技術論文集，1998年總第14期．