余舒 黃丹丹 李自強(qiáng) 范越 王國強(qiáng) 張青松 羅星娜

摘 要：掌握粉體滅火劑在空間內(nèi)的濃度分布及其變化規(guī)律對于其滅火效能的評價具有重要意義。以空間內(nèi)粉體滅火劑濃度動態(tài)測量為目標(biāo)，分析和對比了多種顆粒物濃度測量原理，選用消光法建立模型，開展測量系統(tǒng)設(shè)計，并對模型參數(shù)的選取方法進(jìn)行了細(xì)致的分析，提出了一種粉體滅火劑濃度的動態(tài)測試方法。為驗證方法可行性，建立了一套簡易濃度測試裝置，依照消光法開展了滅火劑濃度的實驗測量。實驗結(jié)果表明，粉體滅火劑濃度變化對光信號影響顯著，測試結(jié)果反映了滅火劑濃度隨時間的變化規(guī)律，且濃度計算結(jié)果與實際值具有可比性。

關(guān)鍵詞：粉體滅火劑 濃度 動態(tài)測量 消光法

中圖分類號：X932 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0030-02

滅火劑濃度是影響滅火效能的重要因素，實時快速的測定空間內(nèi)滅火顆粒物濃度，對于了解滅火劑運動規(guī)律和滅火系統(tǒng)有效性的評估也有重要意義。然而快速準(zhǔn)確地測定高濃度粉體滅火劑的濃度變化依然存在困難。常見的顆粒物濃度測試裝置以濾膜采樣稱重[1]或激光消光[2]為主要原理，用于工業(yè)粉塵檢測，普遍采用氣泵采樣后進(jìn)行測試的方法，并非真正的在線測試，且采樣誤差也會對結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。目前還沒有專門用于粉體滅火劑濃度檢測的設(shè)備。為準(zhǔn)確測定粉體滅火劑的滅火濃度，劉淑文等[3]使用了一種固體螺旋進(jìn)料器定量輸送滅火粉體，但是這種方法與實際滅火場景的滅火劑輸送過程差別較大。

本研究結(jié)合粉體滅火劑顆粒特征，選用適合的粉體濃度測試原理，結(jié)合滅火實驗條件，對不影響滅火劑正常輸送的條件下進(jìn)行粉體滅火劑濃度在線檢測的可行性進(jìn)行了理論和實驗的研究。

1 顆粒物濃度測量原理分析

常見的顆粒濃度測試方法有以林格曼黑度法和采樣法為代表的手工監(jiān)測法、射線法和多種光學(xué)方法[4]。手工監(jiān)測法原理簡單，最初用于測量煙塵排放的濃度，但是精度較差且不能進(jìn)行連續(xù)測量。射線法基本不受射線穿過區(qū)的顆粒分布和濕度的影響，但存在輻射泄漏隱患，需要各種復(fù)雜、昂貴的結(jié)構(gòu)設(shè)備用于輻射屏蔽。光學(xué)測試方法利用光的衰減和散射[5]等原理能夠?qū)夤虄上嗔髦械念w粒物平均濃度進(jìn)行連續(xù)測量。其中基于光散射原理的消光法因顆粒物濃度計算直觀，無需標(biāo)定，在諸多光學(xué)方法中具有應(yīng)用優(yōu)勢。

消光法以朗伯-比爾定律[6]為基礎(chǔ)，當(dāng)實驗光束穿過含有顆粒的介質(zhì)（粉體滅火劑）時，由于受到顆粒的散射和吸收，使得穿過介質(zhì)后的透射光強(qiáng)受到衰減，其衰減程度與顆粒的大小和數(shù)量（濃度）有關(guān)。

朗伯-比爾定律：

（1）

其中，I0表示入射光強(qiáng)，I表示出射光強(qiáng)；Nv表示被測粉體顆粒的粒子數(shù)濃度；d表示被測粉體顆粒的粒徑；為消光系數(shù)；L是待測粉體顆粒的區(qū)厚度。

當(dāng)被測顆粒為單一球形顆粒時，以V表示單個球形顆粒的體積，ρ表示被測粉體顆粒的密度，將公式（1）改寫成數(shù)量濃度Nv的表達(dá)式，帶入質(zhì)量公式得到質(zhì)量濃度Mv，由公式（2）表示。

2 粉體滅火劑濃度測量方法

2.1 入射光和出射光光強(qiáng)測試系統(tǒng)設(shè)計

使用消光法測量粉體滅火劑濃度，首先需要選用合適的方法確定公式（2）中涉及的參數(shù)。對于待測的粉體滅火劑，顆粒粒徑分布已知，光通過待測顆粒的區(qū)厚度可通過調(diào)節(jié)光發(fā)射和接收裝置[7]確定。為求粉體質(zhì)量濃度，只需測得實驗裝置的入射光和出射光。光強(qiáng)測試有多種方法。如果只采用單純的透射方式，即使用單光源單探測器去測量待測區(qū)域的粉體濃度，光強(qiáng)變化受到光源本身穩(wěn)定性的影響，不能較為科學(xué)直觀地得出結(jié)論。采用普通的對比分析法，即采用相同的雙光源和雙探測器進(jìn)行測試，雖然采用了控制變量法，但不夠經(jīng)濟(jì)。

因此設(shè)計一種更為經(jīng)濟(jì)和準(zhǔn)確的測試系統(tǒng)測量光強(qiáng)度變化。光強(qiáng)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在激光器發(fā)射端增加一個分光鏡，令其產(chǎn)生一個參考光I0'，發(fā)射給參考探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，由I通過待測粉體區(qū)域之后變成I'然后發(fā)射給檢測探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，兩個電信號輸出之后送給差分放大器進(jìn)行差分運算。當(dāng)I發(fā)生變化時，參考入射光I0'也隨之發(fā)生相同大小的變化變成I0"，I'也相應(yīng)發(fā)生變化變成I"，但ΔI=I0'-I=I0"-I"仍然基本保持不變，這樣就減小了光源的不穩(wěn)定對測量系統(tǒng)精度的影響。

2.2 光強(qiáng)測量系統(tǒng)參數(shù)選取方法

在光強(qiáng)測量系統(tǒng)中，除入射光強(qiáng)I0和透射光強(qiáng)I外，還涉及其他關(guān)鍵參數(shù)。

（1）被測粉體滅火劑顆粒的成分和粒徑分布也是影響測試結(jié)果的重要因素[9]，兩者在測試前已知或可通過粒徑儀等裝置測出。

（2）消光系數(shù)。在工程應(yīng)用中，對于粒徑在μm級的顆粒，其消光系數(shù)可取2作為近似值，而μm級是常見的粉體滅火劑顆粒尺寸。

（3）吸收層厚度L也是需要確定的重要因素。根據(jù)朗伯-比爾定律可知當(dāng)L過大而被測粉體的顆粒濃度也較大時，透射光I就會趨于0。如果吸收層厚度L過小，則透射光I和入射光I0無明顯區(qū)別。本研究通過實驗測試，吸收層厚度選為1m，并結(jié)合實驗情況認(rèn)為吸收層厚度可在此值上下調(diào)整。

3 基于消光原理的粉體滅火劑濃度測量實驗

3.1 實驗設(shè)計

為驗證以上原理和參數(shù)確定方法的可行性，自制密封實驗箱，選用簡易激光發(fā)射和接收裝置，開展?jié)舛葴y量實驗，實驗箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。實驗箱容積1m3，激光光路由實驗箱尺寸確定約1m。左側(cè)為激光發(fā)射端，采用波長623nm的紅色半導(dǎo)體激光器作為光源，右側(cè)以接收面平整的靈敏激光功率計作為激光接收端，激光透過箱壁上預(yù)留的透光孔形成激光光路。以激光功率計的測試數(shù)據(jù)作為激光強(qiáng)度的指標(biāo)，根據(jù)光學(xué)原理兩者為正相關(guān)。

實驗使用常用的手提式干粉滅火劑作為待測樣品。其主要成分為磷酸二氫銨，平均粒徑50μm，材料密度1.803 g/cm3。保持每次實驗按壓滅火劑噴出量近似相等，進(jìn)行三次試驗，計算平均值作為最終實驗結(jié)果。

3.2 實驗結(jié)果及分析

將三次實驗結(jié)果的平均值代入公式（2），得到實驗箱內(nèi)粉體滅火劑濃度在箱體中部的變化情況。實驗及計算結(jié)果見表1。釋放滅火劑1min后，計算得粉體濃度值與噴粉前后使用稱重的方法得到的濃度估計值相當(dāng)。

由測試結(jié)果可見，滅火劑濃度值隨時間變化和粉體沉降而明顯降低，符合粉體運動規(guī)律。雖然實驗未采用精確的方法計量實驗箱中部的粉體濃度，但實驗結(jié)果清晰的印證了采用光學(xué)方法在一定空間范圍內(nèi)動態(tài)測量大量粉體濃度的可行性，也證實了實驗原理選擇的合理性。

4 結(jié)語

本研究通過理論和實驗分析，選用光散射原理對空間內(nèi)粉體滅火劑濃度動態(tài)測量方法開展研究，選用合適的設(shè)計模型，對模型參數(shù)的取得方法進(jìn)行了細(xì)致的分析，最后使用自制實驗裝置依照本文提及的測試方法進(jìn)行了滅火劑濃度的測試。

（1）基于消光法進(jìn)行粉體滅火劑空間濃度測量是最為有效的測試方法。合理設(shè)計光強(qiáng)發(fā)射和接收系統(tǒng)得到的光強(qiáng)比值，可以作為濃度計算的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）實驗結(jié)果表明，在實驗距離為1 m，粉體滅火劑濃度高，可見度明顯降低的情況下，本研究提出的空間內(nèi)粉體滅火劑濃度動態(tài)測量方法可以有效地反映測試空間內(nèi)粉體濃度的變化，該測試方法具有可行性。

雖然本研究提出的方法真實地反映了空間內(nèi)滅火劑濃度的實時變化，但其測試結(jié)果與真實濃度之間可能還存在誤差，需要通過更細(xì)致的理論與實驗分析進(jìn)行修正，以實時讀取準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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