光纖感溫系統(tǒng)在隧道消防保護(hù)中的應(yīng)用

　　摘要：光纖感溫探測系統(tǒng)是較不常見的消防探測系統(tǒng)，隧道是典型的工程，本文將兩者結(jié)合形成的一個(gè)典型設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：光纖感溫探測 隧道 消防探測系統(tǒng)

　　隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)

　　地下軌道交通正日益成為各大城市解決交通堵塞的重要手段.地下隧道是其唯一的交通通道。同時(shí)，高速公路也正成為今日社會(huì)的經(jīng)濟(jì)命脈，公路隧道更是其咽喉重地。大量的人員及貨物夜以繼日的通過它們運(yùn)送到各地，其高負(fù)荷運(yùn)行使其系統(tǒng)易損壞，任何細(xì)小的事故都將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

　　火災(zāi)，是公路隧道以及地下鐵路隧道所面臨的高度危險(xiǎn)之一?，F(xiàn)代化交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大大增加了隧道火災(zāi)的潛在危險(xiǎn)。(例如：隧道長度的不斷增加，雙向行車，高危險(xiǎn)性的貨物，隧道內(nèi)由于大交通流量而日益增加的火災(zāi)荷載等等因素。)

　　鑒于隧道內(nèi)環(huán)境特殊，火災(zāi)一旦發(fā)生，往往會(huì)一發(fā)不可收拾;并且由于缺乏逃生設(shè)施及救護(hù)人員，加之司機(jī)與乘客驚慌失措，很可能造成重大傷亡。

　　2　隧道的火災(zāi)特點(diǎn)

　　發(fā)生在隧道中的火災(zāi)，多數(shù)是開放性火災(zāi)，它帶有濃煙，其熱輻射率為數(shù)兆瓦級，在數(shù)分鐘內(nèi)便可形成火災(zāi)。

　　經(jīng)廣泛的試驗(yàn)(包括路面車輛和地鐵列車)，一起火災(zāi)通常在8―10分鐘完全形成。對于大型貨運(yùn)卡車，大約為20-30分鐘。當(dāng)有燃料泄漏并形成坑/池時(shí)，火災(zāi)在1-3分鐘內(nèi)完全形成?！八淼阑馂?zāi)”實(shí)例的測試顯示，在大約5分鐘之后，車輛火災(zāi)的溫度升至大約200攝氏度。

　　在這些發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，我們得出如下結(jié)果：當(dāng)隧道中發(fā)生一起嚴(yán)重的火災(zāi)，在最先的4分鐘內(nèi)，在火災(zāi)點(diǎn)上方的熱空氣層可以探測到溫度每分鐘上升大于50攝氏度。

　　隧道通風(fēng)將產(chǎn)生特定的影響。一般的測試都顯示，在大于2m/s的縱向風(fēng)時(shí)，一輛汽車或列車火焰向上飄動(dòng)，頂部的溫度僅達(dá)到60攝氏度。并且，在距火災(zāi)發(fā)生地20米遠(yuǎn)的地點(diǎn)，頂部溫度將降到50攝氏度以下。因此，在高速氣流時(shí)熱幅射的升溫梯度是唯一的報(bào)警相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　隧道內(nèi)風(fēng)速的影響可以參見西門子樓宇科技公司在瑞士的哈葛伯奇試驗(yàn)隧道所得到的測試數(shù)據(jù)。

　　在有消防通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，為確保排煙空氣流速必須增加至大于3m/s。另一方面，這增加了5個(gè)單位的燃燒速率，并且對隧道頂部的熱空氣層將更具破壞性。一些更先進(jìn)的通風(fēng)系統(tǒng)，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，從隧道火災(zāi)發(fā)生位置的頂部排煙。為此應(yīng)只開啟火災(zāi)發(fā)生位置的通風(fēng)口，并關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。

　　為了確?；馂?zāi)報(bào)警的可靠且無誤報(bào)，火災(zāi)探測系統(tǒng)應(yīng)能記錄開放式火災(zāi)的輻射區(qū)域，這是極其重要的。此外由于表面熱幅射所傳遞的熱量要比熱氣體的熱對流交換所傳遞的快一些，所以火災(zāi)探測系統(tǒng)應(yīng)能迅速探測溫度變化。而最新的光纖感溫探測系統(tǒng)，提供了幾近完美的探測性能。

　　3　光纖感溫探測系統(tǒng)介紹

　　3.1 工作原理

　　經(jīng)過物理實(shí)驗(yàn)得知諸如溫度、壓力和張力等對玻璃纖維會(huì)造成影響，并且能夠局部地改變光纖中的光線傳導(dǎo)特性，從而光線在傳導(dǎo)中會(huì)產(chǎn)生散射，并會(huì)在石英玻璃纖維中衰減，外部物理影響的位置就能夠被確定，這樣光纖就能夠作為一種線性的傳感器。

　　光纖感溫探測系統(tǒng)是一套利用光纖作為線性感溫探測器的高新技術(shù)，其基本原理是利用光纖中石英分子鍵會(huì)受溫度上升而產(chǎn)生晶格振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)墓猱a(chǎn)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應(yīng)溫度的高低。因此光纖感溫探測系統(tǒng)可以將環(huán)境溫度以連續(xù)的線性方式表示出來。光纖感溫探測系統(tǒng)的另一個(gè)嶄新的技術(shù)是可以準(zhǔn)確地定位溫度變化的確切位置。系統(tǒng)通過OTDK、OF’DR(光時(shí)域及光頻域反射測量法)及連續(xù)FFT(快速傅立葉變換)對訊息進(jìn)行外理，將微小的時(shí)空差別以頻率方式體現(xiàn)出來實(shí)現(xiàn)精確定位，從而構(gòu)成一套精密的光纖線性感溫探測系統(tǒng)。

　　光纖感溫探測系統(tǒng)包括一個(gè)分析單元(頻率生成器、激光源、光模、HF合成器和微處理器)以及一個(gè)石英光纖纜(LG)作為線性溫度傳感器。

　　3.2 特性

　　在隧道交通領(lǐng)域，光纖傳感器線纜是一種理想的解決辦法。因?yàn)椋?/P>

　　一它不包含任何電子器件，所以不會(huì)受到任何種類的電磁干擾的影響。

　　一光纖傳感線纜設(shè)計(jì)了優(yōu)異的耐用性(可以預(yù)期大約50年的服務(wù)壽命)，所以對環(huán)境影響如溫度，壓力和濕度波動(dòng)極具抵抗力，同樣也適用于多塵和含有腐蝕性物質(zhì)的空氣中。

　　一安裝傳感線纜和維護(hù)都十分容易，在線纜有損傷的地方可以像修復(fù)普通光纖一樣接合。

　　一傳感線纜能夠不受限制地切割成要求的長度，為每一個(gè)工程提供所需的長度，最長可達(dá)4千米。

　　同時(shí)，光纖感溫探測系統(tǒng)能夠：

　　一精確定位火災(zāi)位置，對隧道可進(jìn)行大范圍的或局部范圍的顯示。

　　一指明火災(zāi)蔓延方向和速率。

　　一激活預(yù)先編制的聯(lián)動(dòng)控制順序比如通風(fēng)，疏散指示，交通信號燈，燈光調(diào)整等，并通過通訊接口與其它控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

　　自20世紀(jì)80年代末，裝于不銹鋼管中的石英玻璃纖維制成光纜開始用于信息傳輸(網(wǎng)絡(luò)控制)，而不會(huì)受到電磁干擾。這種光纖系統(tǒng)不僅適用于傳輸信息，還可作為局域分布的測量傳感器。

　　光纖感溫探測系統(tǒng)是一個(gè)線性感溫探測器，屬于最新一代光纖傳感器，其最大優(yōu)點(diǎn)歸功于它的精確測量特性，它特別適合用于公路(鐵路)隧道以及類似場合的火災(zāi)危險(xiǎn)監(jiān)視裝置。

　　光纖感溫探測系統(tǒng)已經(jīng)多年成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域，尤其是公路(鐵路)隧道領(lǐng)域。

　　4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　光纖感溫探測系統(tǒng)有如下結(jié)構(gòu)：

　　一傳感線纜(最長4千米)

　　-OTS控制器配有激光發(fā)生器，測量信號評估和軟件

　　一外部電源24V DC/100W(操作于230VAC)

　　一整個(gè)光纖感溫探測系統(tǒng)提供10個(gè)無電壓，報(bào)警和故障輸出，閉合觸點(diǎn)可用于連接9個(gè)主要區(qū)域報(bào)警，1個(gè)通常故障

　　一4個(gè)無電壓輸人用于：報(bào)警的復(fù)位，外部報(bào)警，監(jiān)控

　　一與pcRS232)連接，在調(diào)試時(shí)設(shè)置優(yōu)化操作參數(shù)。帶有調(diào)試程序的PC在操作時(shí)或分離或連接

　　一將一臺PC連接于接口，用來顯示設(shè)定區(qū)域和線纜沿線的溫度圖形顯示。

　　4.1光纖感溫線纜

　　傳感線纜有一個(gè)外徑為1.65mm的鋼管。鋼管包含兩根獨(dú)立的石英玻璃光纖，每一根的外徑為0.25mm。光纖顏色不同以便于標(biāo)識。剩余空間用無水導(dǎo)熱材料填充。

　　鋼管由一個(gè)絕緣塑料護(hù)套包圍，該護(hù)套直徑最大可8mm。該護(hù)套使在安裝時(shí)操作更為簡便并且提高機(jī)械穩(wěn)定性和熱幅射的靈敏性。為辨識報(bào)警分區(qū)的設(shè)定，傳感線纜表面印有連續(xù)的長度米數(shù)數(shù)字。

　　感溫線纜特性

　　一圓形線纜，2芯多模光纖裝于高質(zhì)量的鋼套之中

　　一光纖內(nèi)核62.5~m

　　一光纖覆層125~m

　　一鋼套1.65mm

　　一絕緣層8mm

　　一線纜長度最長4000m

　　一彎曲半徑最小60mm

　　一拉力

　　在安裝過程中最大200N

　　在使用過程中最大125N

　　一絕緣材料HDPE(高密度聚乙烯)，無囟素，紅色

　　一測量溫度范圍：-30攝氏度至+90攝氏度，短時(shí)間( <5分鐘)120攝氏度

　　一200攝氏度以下工作

　　一服務(wù)壽命50年

　　一對以下干擾不會(huì)受到影響

　　一電磁干擾

　　一通風(fēng)開啟，電纜，廣播系統(tǒng)，移動(dòng)電話系統(tǒng)，廣播天線等等

　　一溫度波動(dòng)

　　一濕度變化

　　一壓力波動(dòng)

　　一腐蝕性氣體

　　一侵蝕性化學(xué)品

　　一紫外線幅射

　　4.2 OTS控制器

　　控制器為模塊化設(shè)計(jì)，含有以下子模塊：

　　一LF：帶有激光源的頻率發(fā)生器

　　一PS：開關(guān)電源

　　一CC：CPU及通訊RS232

　　一OD：帶有光纖與探測器的光模塊

　　OTS控制器使用24V直流電源。

　　它有9個(gè)報(bào)警輸出和1個(gè)故障輸出。在調(diào)試過程中，OTS控制器可以經(jīng)由一個(gè)PC機(jī)來設(shè)定參數(shù)。所測量的參數(shù)裝載人控制器的軟件中，該P(yáng)C還帶有調(diào)試軟件。

　　所測的數(shù)據(jù)經(jīng)由一臺PC機(jī)的顯示軟件可進(jìn)行操作顯示。顯示界面如圖所示。

　　5　光纖感溫探測系統(tǒng)功能

　　光纖感溫探測系統(tǒng)具有如下控制功能：

　　5.1測量多種參數(shù)

　　光纖感溫探測系統(tǒng)測量程序能夠測量隧道內(nèi)的溫度變化。能夠選擇連續(xù)測量的空間分辨率。更好的空間分辨率需要控制器來測試整個(gè)感溫線纜。

　　當(dāng)系統(tǒng)有4千米的傳感線纜時(shí)，空間分辨率的選擇和測量周期延長將明顯地影響探測時(shí)間。測試和理論分析顯示測量周期為30秒至60秒。光纖感溫探測系統(tǒng)的測量周期和空間分辨率可以在調(diào)試時(shí)決定。

　　5.2設(shè)定區(qū)域

　　整條線纜的長度能夠按不同的要求分成不同的區(qū)域(例如監(jiān)視，通風(fēng)，照明區(qū)域)。一個(gè)區(qū)域是傳感線纜上一個(gè)不間斷的長度區(qū)間。區(qū)域能夠按要求定義。甚至可以相互重疊。最大可以有128個(gè)分區(qū)。每一個(gè)分區(qū)能夠分配獨(dú)立的激活參數(shù)和聯(lián)動(dòng)輸出。

　　5.3報(bào)警激活

　　光纖感溫探測系統(tǒng)OTS控制器以周期性的間隔測量傳感線纜的溫度。測試周期取決于傳感線纜的長度和空間分辨距離，比如，最長的測量周期時(shí)間在4，000米傳感線纜且以3米為空間分辨距離時(shí)。一個(gè)測量周期完成之后激活報(bào)警。

　　在一個(gè)分區(qū)中當(dāng)以下3個(gè)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)以上滿足時(shí)，報(bào)警將被激活(典型缺省設(shè)置)：

　　一最高溫度每分區(qū)58攝氏度

　　一溫度梯度每分區(qū)8攝氏度/分鐘

　　一溫度差異在一個(gè)測量位置和分區(qū)平均值15攝氏度

　　這些設(shè)定與每一個(gè)分區(qū)相關(guān)并且能夠?qū)γ恳粋€(gè)分區(qū)根據(jù)隧道條件獨(dú)立調(diào)整。測量的周期時(shí)間在30秒至60秒之間。

　　為了確保盡可能地避免誤報(bào)警，當(dāng)一個(gè)報(bào)警信息在一個(gè)測量周期出現(xiàn)時(shí)，將在下一個(gè)測量周期作再次確認(rèn)。所以報(bào)警激活一般需要2個(gè)測量周期。在極端的情況下，報(bào)警激活可以多于2個(gè)測量周期。

　　5.4報(bào)警顯示

　　報(bào)警能夠如下顯示：

　　一帶有輸出報(bào)警的接點(diǎn)(提供給火警報(bào)警及控制系統(tǒng))

　　一分區(qū)溫度報(bào)警

　　5.5設(shè)定火災(zāi)規(guī)模

　　可設(shè)定5種規(guī)模，每一種用米作單位來分配大小?；馂?zāi)規(guī)?？梢郧宄@示。

　　5.6顯示火災(zāi)蔓延方向

　　絕大多數(shù)在隧道中的火災(zāi)向這一個(gè)方向或向另一方向蔓延，這取決于熱量，燃燒性氣體的擴(kuò)張和當(dāng)時(shí)通風(fēng)狀況。一旦得知火災(zāi)的蔓延方向，消防部門，救護(hù)隊(duì)員等就能夠從最小危險(xiǎn)的一端進(jìn)入。以避免造成人員傷亡。

　　火災(zāi)蔓延有3種可能性：

　　一火災(zāi)是靜態(tài)的

　　一火災(zāi)向OTS控制器蔓延

　　一火災(zāi)向OTS控制器反方向蔓延

　　火災(zāi)蔓延方向能夠以信號方式傳送給控制中心。

　　6　光纖感溫探測系統(tǒng)在隧道中的使用

　　在實(shí)際工程使用中，光纖感溫探測系統(tǒng)光纖控制主機(jī)設(shè)置于地鐵站臺或公路(鐵路)隧道的消防控制室內(nèi)，引出一路光纖監(jiān)控整個(gè)隧道，探測距離可達(dá)4000m。主機(jī)提供RS232及數(shù)字信號接口，可通過COM接口或Modem將信號傳送至OTS-PC監(jiān)控系統(tǒng)，使用圖文方式顯示隧道內(nèi)溫度狀況及火焰蔓延方向。

　　遂道中光纖線纜傳感器安裝在遂道頂部，居中布置，光纖外套上有每米的長度標(biāo)識，可方便與遂道長度對照。光纖采用高強(qiáng)度尼龍夾固定，尼龍夾的設(shè)置建議每米一個(gè)(參考值為lm~2m)，光纖允許有一定的彎曲，但彎曲半徑不小于60mm。

　　采用光纖線纜傳感器，報(bào)警區(qū)間長度可任意定義，一般可按100m區(qū)間定位。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不僅能按報(bào)警區(qū)間給出火災(zāi)報(bào)警信號。同時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示報(bào)警溫度曲線。線纜故障時(shí)能即時(shí)發(fā)出故障信號。另外設(shè)置手動(dòng)報(bào)警按鈕，用于輔助報(bào)警手段，每隔50m安裝一只，安裝一只，安裝在隧道洞壁1.5m高處，以便于安裝維修。

　　我們相信這種新一代火災(zāi)報(bào)警產(chǎn)品一一光纖感溫探測系統(tǒng)會(huì)越來越多地應(yīng)用于在隧道的消防保護(hù)中。

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