光纤感温探测系统在隧道消防保护中的应用

 

　　地下轨道交通正日益成为各大城市解决交通堵塞的重要手段．地下隧道是其唯一的交通通道。同时，高速公路也正成为今日社会的经济命脉，公路隧道更是其咽喉重地。大量的人员及货物夜以继日的通过它们运送到各地，其高负荷运行使其系统易损坏，任何细小的事故都将导致严重的后果。

 

　　火灾，是公路隧道以及地下铁路隧道所面临的高度危险之一。现代化交通系统的迅速发展，大大增加了隧道火灾的潜在危险。(例如：隧道长度的不断增加，双向行车道，高危险性的货物，隧道内由于大交通流量而日益增加的火灾荷载等等因素。)

 

　　鉴于隧道内环境特殊，火灾一旦发生，往往会一发不可收拾；并且由于缺乏逃生设施及救护人员，加之司机与乘客惊慌失措，很可能造成重大伤亡。

 

　　发生在隧道中的火灾，多数是开放性火灾，它带有浓烟，其热辐射率为数兆瓦级，在数分钟内便可形成火灾。

 

　　经广泛的试验(包括路面车辆和地铁列车)，一起火灾通常在8—10分钟完全形成。对于大型货运卡车，大约为20-30分钟。当有燃料泄漏并形成坑／池时，火灾在1-3分钟内完全形成。“隧道火灾”实例的测试显示，在大约5分钟之后，车辆火灾的温度升至大约200摄氏度。

 

　　在这些发现的基础上，我们得出如下结果：当隧道中发生一起严重的火灾，在最先的4分钟内，在火灾点上方的热空气层可以探测到温度每分钟上升大于50摄氏度。

 

　　隧道通风将产生特定的影响。一般的测试都显示，在大于2m／s的纵向风时，一辆汽车或列车火焰向上飘动，顶部的温度仅达到60摄氏度。并且，在距火灾发生地20米远的地点，顶部温度将降到50摄氏度以下。因此，在高速气流时热幅射的升温梯度是唯一的报警相关标准。

 

　　隧道内风速的影响可以参见西门子楼宇科技公司在瑞士的哈葛伯奇试验隧道所得到的测试数据。

 

　　在有消防通风系统时，为确保排烟空气流速必须增加至大于3m／s。另一方面，这增加了5个单位的燃烧速率，并且对隧道顶部的热空气层将更具破坏性。一些更先进的通风系统，在火灾发生时，从隧道火灾发生位置的顶部排烟。为此应只开启火灾发生位置的通风口，并关闭新风系统。

 

　　为了确保火灾报警的可靠且无误报，火灾探测系统应能记录开放式火灾的辐射区域，这是极其重要的。此外由于表面热幅射所传递的热量要比热气体的热对流交换所传递的快一些，所以火灾探测系统应能迅速探测温度变化。而最新的光纤感温探测系统，提供了几近完美的探测性能。

 

　　3．1工作原理

　　经过物理实验得知诸如温度、压力和张力等对玻璃纤维会造成影响，并且能够局部地改变光纤中的光线传导特性，从而光线在传导中会产生散射，并会在石英玻璃纤维中衰减，外部物理影响的位置就能够被确定，这样光纤就能够作为一种线性的传感器。

 

　　光纤感温探测系统是一套利用光纤作为线性感温探测器的高新技术，其基本原理是利用光纤中石英分子键会受温度上升而产生晶格振动。这种振动会导致在光纤中传输的光产生散射(喇曼散射及R．aylei曲散射)，而散射量的大小可以直接反应温度的高低。因此光纤感温探测系统可以将环境温度以连续的线性方式表示出来。光纤感温探测系统的另一个崭新的技术是可以准确地定位温度变化的确切位置。系统通过OTDK、OF’DR(光时域及光频域反射测量法)及连续FFT(快速傅立叶变换)对讯息进行外理，将微小的时空差别以频率方式体现出来实现精确定位，从而构成一套精密的光纤线性感温探测系统。

 

　　光纤感温探测系统包括一个分析单元(频率生成器、激光源、光模、HF合成器和微处理器)以及一个石英光纤缆(LG)作为线性温度传感器。

 

　　3．2特性

　　在隧道交通领域，光纤传感器线缆是一种理想的解决办法。因为：

 

　　一它不包含任何电子器件，所以不会受到任何种类的电磁干扰的影响。

 

　　一光纤传感线缆设计了优异的耐用性(可以预期大约50年的服务寿命)，所以对环境影响如温度，压力和湿度波动极具抵抗力，同样也适用于多尘和含有腐蚀性物质的空气中。

 

　　一安装传感线缆和维护都十分容易，在线缆有损伤的地方可以像修复普通光纤一样接合。

 

　　一传感线缆能够不受限制地切割成要求的长度，为每一个工程提供所需的长度，最长可达4千米。

 

　　同时，光纤感温探测系统能够：

 

　　一精确定位火灾位置，对隧道可进行大范围的或局部范围的显示。

 

　　一指明火灾蔓延方向和速率。

 

　　一激活预先编制的联动控制顺序比如通风，疏散指示，交通信号灯，灯光调整等，并通过通讯接口与其它控制系统进行联动。

 

　　自20世纪80年代末，装于不锈钢管中的石英玻璃纤维制成光缆开始用于信息传输(网络控制)，而不会受到电磁干扰。这种光纤系统不仅适用于传输信息，还可作为局域分布的测量传感器。

 

　　光纤感温探测系统是一个线性感温探测器，属于最新一代光纤传感器，其最大优点归功于它的精确测量特性，它特别适合用于公路(铁路)隧道以及类似场合的火灾危险监视装置。

 

　　光纤感温探测系统已经多年成功地应用于许多领域，尤其是公路(铁路)隧道领域。

 

　　光纤感温探测系统有如下结构：

 

　　一传感线缆(最长4千米)

 

　　-OTS控制器配有激光发生器，测量信号评估和软件

 

　　一外部电源24V DC／100W(操作于230VAC)

 

　　一整个光纤感温探测系统提供10个无电压，报警和故障输出，闭合触点可用于连接9个主要区域报警，1个通常故障

 

　　一4个无电压输人用于：报警的复位，外部报警，监控

 

　　一与pcRS232)连接，在调试时设置优化操作参数。带有调试程序的PC在操作时或分离或连接

 

　　一将一台PC连接于接口，用来显示设定区域和线缆沿线的温度图形显示。

 

　　 4．1光纤感温线缆

　　传感线缆有一个外径为1．65mm的钢管。钢管包含两根独立的石英玻璃光纤，每一根的外径为0．25mm。光纤颜色不同以便于标识。剩余空间用无水导热材料填充。

 

　　钢管由一个绝缘塑料护套包围，该护套直径最大可8mm。该护套使在安装时操作更为简便并且提高机械稳定性和热幅射的灵敏性。为辨识报警分区的设定，传感线缆表面印有连续的长度米数数字。

 

　　感温线缆特性

 

　　一圆形线缆，2芯多模光纤装于高质量的钢套之中

 

　　一光纤内核62．5~m

 

　　一光纤覆层125~m

 

　　一钢套1．65mm

 

　　一绝缘层8mm

 

　　一线缆长度最长4000m

 

　　一弯曲半径最小60mm

 

　　 一拉力

 

　　在安装过程中最大200N

 

　　在使用过程中最大125N

 

　　一绝缘材料HDPE(高密度聚乙烯)，无囟素，红色

 

　　一测量温度范围：-30摄氏度至+90摄氏度，短时间(<5分钟)120摄氏度

 

　　一200摄氏度以下工作

 

　　一服务寿命50年

 

　　一对以下干扰不会受到影响

 

　　一电磁干扰

 

　　一通风开启，电缆，广播系统，移动电话系统，广播天线等等

 

　　一温度波动

 

　　一湿度变化

 

　　一压力波动

 

　　一腐蚀性气体

 

　　一侵蚀性化学品

 

　　一紫外线幅射

 

　　4．2 OTS控制器

　　控制器为模块化设计，含有以下子模块：

 

　　一LF：带有激光源的频率发生器

 

　　一PS：开关电源

 

　　一CC：CPU及通讯RS232

 

　　一OD：带有光纤与探测器的光模块

 

　　OTS控制器使用24V直流电源。

 

　　它有9个报警输出和1个故障输出。在调试过程中，OTS控制器可以经由一个PC机来设定参数。所测量的参数装载人控制器的软件中，该PC还带有调试软件。

 

　　所测的数据经由一台PC机的显示软件可进行操作显示。显示界面如图所示。

 

　　光纤感温探测系统具有如下控制功能：

 

　　5．1测量多种参数

　　光纤感温探测系统测量程序能够测量隧道内的温度变化。能够选择连续测量的空间分辨率。更好的空间分辨率需要控制器来测试整个感温线缆。

 

　　当系统有4千米的传感线缆时，空间分辨率的选择和测量周期延长将明显地影响探测时间。测试和理论分析显示测量周期为30秒至60秒。光纤感温探测系统的测量周期和空间分辨率可以在调试时决定。

 

　　5．2设定区域

　　整条线缆的长度能够按不同的要求分成不同的区域(例如监视，通风，照明区域)。一个区域是传感线缆上一个不间断的长度区间。区域能够按要求定义。甚至可以相互重叠。最大可以有128个分区。每一个分区能够分配独立的激活参数和联动输出。

 

　　5．3报警激活

　　光纤感温探测系统OTS控制器以周期性的间隔测量传感线缆的温度。测试周期取决于传感线缆的长度和空间分辨距离，比如，最长的测量周期时间在4，000米传感线缆且以3米为空间分辨距离时。一个测量周期完成之后激活报警。

 

　　在一个分区中当以下3个报警标准有一个以上满足时，报警将被激活(典型缺省设置)：

 

　　一最高温度每分区58摄氏度

 

　　一温度梯度每分区8摄氏度／分钟

 

　　一温度差异在一个测量位置和分区平均值15摄氏度

 

　　这些设定与每一个分区相关并且能够对每一个分区根据隧道条件独立调整。测量的周期时间在30秒至60秒之间。

 

　　为了确保尽可能地避免误报警，当一个报警信息在一个测量周期出现时，将在下一个测量周期作再次确认。所以报警激活一般需要2个测量周期。在极端的情况下，报警激活可以多于2个测量周期。

 

　　5．4报警显示

　　报警能够如下显示

 

　　一带有输出报警的接点(提供给火警报警及控制系统)

 

　　一分区温度报警

 

　　5．5设定火灾规模

　　可设定5种规模，每一种用米作单位来分配大小。火灾规模可以清楚显示。

 

　　5．6显示火灾蔓延方向

　　绝大多数在隧道中的火灾向这一个方向或向另一方向蔓延，这取决于热量，燃烧性气体的扩张和当时通风状况。一旦得知火灾的蔓延方向，消防部门，救护队员等就能够从最小危险的一端进入。以避免造成人员伤亡。

 

　　火灾蔓延有3种可能性：

　　一火灾是静态的

 

　　一火灾向OTS控制器蔓延

 

　　一火灾向OTS控制器反方向蔓延

 

　　火灾蔓延方向能够以信号方式传送给控制中心。

 

　　在实际工程使用中，光纤感温探测系统光纤控制主机设置于地铁站台或公路(铁路)隧道的消防控制室内，引出一路光纤监控整个隧道，探测距离可达4000m。主机提供RS232及数字信号接口，可通过COM接口或Modem将信号传送至OTS-PC监控系统，使用图文方式显示隧道内温度状况及火焰蔓延方向。

 

　　遂道中光纤线缆传感器安装在遂道顶部，居中布置，光纤外套上有每米的长度标识，可方便与遂道长度对照。光纤采用高强度尼龙夹固定，尼龙夹的设置建议每米一个(参考值为lm~2m)，光纤允许有一定的弯曲，但弯曲半径不小于60mm。

 

　　采用光纤线缆传感器，报警区间长度可任意定义，一般可按100m区间定位。发生火灾时，不仅能按报警区间给出火灾报警信号。同时可以实时显示报警温度曲线。线缆故障时能即时发出故障信号。另外设置手动报警按钮，用于辅助报警手段，每隔50m安装一只，安装在隧道洞壁1．5m高处，以便于安装维修。

 

　　我们相信这种新一代火灾报警产品一一光纤感温探测系统会越来越多地应用于在隧道的消防保护中。