何日梅，韋秋葉，范曉輝，盧敏萍

（廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院，南寧 530200)

線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器是光電感煙探測(cè)器的一種，對(duì)燃燒或熱解產(chǎn)生的液體或固體顆粒產(chǎn)生響應(yīng)，依靠煙霧顆粒對(duì)光的吸收或散射原理，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)，可分為對(duì)射式和反射式［1-3］。線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器具有保護(hù)面積大、安裝位置高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種大型場(chǎng)所中［4-6］。GB 50116—2013 《自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.1 條款列出了該類探測(cè)器的適用場(chǎng)所：大型庫(kù)房、博物館、檔案館、飛機(jī)庫(kù)等多為無(wú)遮擋的大空間場(chǎng)所，發(fā)電廠、變配電站、古建筑、文物保護(hù)建筑的廳堂館也適合安裝這種類型的探測(cè)器［7］。廣大研究者從不同角度對(duì)探測(cè)器的性能進(jìn)行研究，蔣廓等［8］采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器（FDS）分析布置高度、距離火源水平距離、光路長(zhǎng)度等對(duì)探測(cè)器響應(yīng)性能的影響；李宏文等［9］研究線型紅外光束感煙探測(cè)器光路長(zhǎng)度對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響，并提出不同靈敏度設(shè)置下，發(fā)射器與接收器之間的合理安裝間距；李玉寶［10］探討了以紅外光束感煙探測(cè)器為核心的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。由此可見，線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器的廣泛應(yīng)用。

線型光束濾光片作為探測(cè)器配套濾光片，主要用于模擬火災(zāi)條件下，煙霧遮擋探測(cè)器后探測(cè)器的響應(yīng)情況，利用濾光片減少紅外發(fā)光器發(fā)射到紅外接收器的光束量來(lái)判定火災(zāi)，用以驗(yàn)證火災(zāi)探測(cè)器的性能，是保證建筑消防安全的重要手段。GB 14003—2005 《線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器》附錄A中規(guī)定了配套的濾光片，應(yīng)使用減光值為0.9～10 dB 的濾光片檢測(cè)探測(cè)器響應(yīng)閾值［11］。GB 50166—2019 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，用減光值為0.9 dB 的濾光片遮擋光路，探測(cè)器不應(yīng)該發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)；用減光值為1～10 dB 的濾光片遮擋光路，探測(cè)器應(yīng)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)［7］。探測(cè)器廠家一般配備減光值分別為0.4 dB和10 dB或者0.9 dB 和10 dB 的配套濾光片。濾光片的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)探測(cè)器的性能驗(yàn)證尤為重要，有研究者對(duì)濾光片的檢測(cè)校準(zhǔn)進(jìn)行了研究［5-7］?？仔∑降龋?3］規(guī)定了線型光束濾光片透射比和重復(fù)性的校準(zhǔn)方法，并給出了減光值示值誤差的參考計(jì)量要求和不確定度，但未提及正反差別和年變化量等校準(zhǔn)方法；趙雯［14］提出了減光值誤差、均勻性和正反差別的校準(zhǔn)方法和參考計(jì)量指標(biāo)，但未提出年變化量校準(zhǔn)方法和計(jì)量指標(biāo)；王舵［15］分析了減光值的計(jì)算方法，但未提出計(jì)量性能的參考計(jì)量指標(biāo)。目前，線型光束濾光片尚無(wú)相關(guān)國(guó)家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范。

為提出較為全面的校準(zhǔn)方法和計(jì)量指標(biāo)要求，向市場(chǎng)提供檢測(cè)校準(zhǔn)依據(jù)，促進(jìn)濾光片技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)一，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，建立線型光束濾光片的校準(zhǔn)方法。選擇減光值小于1.0 dB 和等于10 dB 的濾光片，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)［16-17］，測(cè)量不同廠家濾光片減光值數(shù)據(jù)，給出較為全面的參考計(jì)量特性，并進(jìn)行不確定度分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

紫外、可見、近紅外分光光度計(jì)：PE lambada 950 型，波長(zhǎng)范圍為175～3 300 nm，透射比范圍為0～100 %，波長(zhǎng)最大允許誤差不超過(guò)±0.5 nm，透射比最大允許誤差不超過(guò)±0.003，雜散輻射水平低于0.002，珀金埃爾默股份有限公司。

線型光束濾光片：0.4、10 dB，北京朋利馳科技有限公司。

1.2 線性光束濾光片工作原理

線型光束濾光片主要用于線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器性能的檢測(cè)。其工作原理是利用濾光片減少紅外發(fā)射器發(fā)射到接收器的光束光量，探測(cè)器檢測(cè)到光束量減少時(shí)，發(fā)生警報(bào)。濾光片模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)，物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧粒子對(duì)紅外線光束吸收或散射，減少光束發(fā)射器發(fā)射到光電接收器的光束量。反射式、對(duì)射式紅外光束感煙探測(cè)器原理圖分別見圖1、圖2。

圖1 反射式紅外光束感煙探測(cè)器原理圖

圖2 對(duì)射式紅外光束感煙探測(cè)器原理圖

1.3 校準(zhǔn)條件

環(huán)境溫度為（23±5） ℃，相對(duì)濕度不大于65%，工作環(huán)境中無(wú)引起濾光片或其膜層腐蝕的氣體。

1.4 校準(zhǔn)范圍

線型光束感煙探測(cè)器光束發(fā)射器主要由波長(zhǎng)為800 nm 的紅外發(fā)射管組成［13］，其透射率視具體實(shí)驗(yàn)要求而定。校準(zhǔn)時(shí)測(cè)定濾光片在規(guī)定波長(zhǎng)下的透射比，判定其是否符合使用要求。對(duì)各廠家濾光片進(jìn)行800～2 500 nm 全波段掃描，對(duì)圖譜進(jìn)行分析，將校準(zhǔn)減光值的波長(zhǎng)范圍設(shè)置為800～1 100 nm，將測(cè)得的透射比換算為減光值。

1.5 校準(zhǔn)項(xiàng)目

校準(zhǔn)項(xiàng)目包括減光值、均勻性、正反差別、年變化量。

1.6 校準(zhǔn)方法

1.6.1 減光值的測(cè)量

將分光光度計(jì)開機(jī)預(yù)熱后，根據(jù)濾光片的用途設(shè)置測(cè)量的波長(zhǎng)范圍，光譜間隔取5 nm，積分時(shí)間為1 s，以空氣作為參比測(cè)量濾光片的透射比曲線，在800～1 100 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的減光值A(chǔ)按公式(1)計(jì)算［11，14］。

式中：A——線型光束濾光片的減光值，dB；

τ——特征波段范圍內(nèi)的平均透射比值。

重復(fù)上述條件掃描3 次，計(jì)算特征波段減光值的平均值，該平均值即為特征波段減光值。

GB 14003—2005 未對(duì)濾光片透射比做具體要求，因此，對(duì)濾光片分別給出工作范圍的透射比平均值和減光值，由客戶根據(jù)校準(zhǔn)值進(jìn)行使用（不同減光值的濾光片可用于探測(cè)器的日常檢測(cè)，因此該項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目?jī)H給出校準(zhǔn)值，未給出計(jì)量特性要求）。

1.6.2 均勻性與正反差別

在濾光片中心點(diǎn)及距中心點(diǎn)上下各1 cm 處，按減光值的測(cè)量方法，計(jì)算3 處減光值的差值，取其絕對(duì)值，其中最大值為均勻性。在濾光片正面中心與從背面中心點(diǎn)射入時(shí)，按減光值的測(cè)量方法，計(jì)算兩個(gè)減光值的差值的絕對(duì)值即為正反差別。均勻性與正反差別的計(jì)量特性要求如表1 所示。

1.6.3 年變化量

計(jì)算同一濾光片兩次校準(zhǔn)周期即12 個(gè)月內(nèi)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍800～1 100 nm 下減光值差值的絕對(duì)值，計(jì)量特性要求如表1 所示。

表1 計(jì)量特性要求 dB

2 結(jié)果與討論

選擇不同廠家的線型光束濾光片進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，大部分廠家均勻性、正反差別和年變化量在本校準(zhǔn)方法提出的計(jì)量性能要求范圍內(nèi)，表明所提出的要求較為合理。但部分濾光片減光值參數(shù)與標(biāo)稱值相差較遠(yuǎn)，這需要廠家不斷的提升減光值的準(zhǔn)確性，在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格把關(guān)。

表2 不同廠家線型光束濾光片校準(zhǔn)結(jié)果 dB

3 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)不確定度傳播率［18］，對(duì)公式（1）求導(dǎo)，得靈敏系數(shù)：

3.2 不確定度來(lái)源識(shí)別

標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源如下：

（1）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（2）光譜光度計(jì)波長(zhǎng)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（3）光譜光度計(jì)光譜透射比誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（4）樣品均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（5）樣品正反差別引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

不確定度來(lái)源示意圖如圖3 所示。

圖3 不確定度來(lái)源示意圖

3.3 測(cè)量不確定度評(píng)定

以標(biāo)稱值為0.4 dB 的線型光束濾光片為例評(píng)定不確定度。

3.3.1 各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（1）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(A)。儀器開機(jī)預(yù)熱后，對(duì)送檢的線型光束濾光片（AH-410型，北京朋利馳科技有限公司）進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量，測(cè)得減光值分別為0.41、0.39、0.41、0.39、0.39、0.39、0.39、0.40、0.39、0.41 dB，采用A 類評(píng)定，根據(jù)貝塞爾公式［19］，計(jì)算單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 0.009 5。在通常情況下，濾光片校準(zhǔn)次數(shù)不低于2 次［20］，本試驗(yàn)校準(zhǔn)3 次，取測(cè)量結(jié)果的平均值作為測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

3.3.2 不確定度分量及合成不確定度

標(biāo)稱值為10 dB的線型光束濾光片按照上述0.4 dB 線型光束濾光片方法進(jìn)行不確定度評(píng)定，各不確定度分量和合成不確定度匯總?cè)绫? 所示。

表3 各不確定度分量及合成不確定度（800～1 100 nm） dB

3.4 擴(kuò)展不確定度

由于各校準(zhǔn)單位裝置和人員、環(huán)境條件的差別，校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度各不相同，按上述方法進(jìn)行分析，通過(guò)測(cè)試估算的擴(kuò)展不確定度如表4 所示。

表4 擴(kuò)展不確定度（800～1 100 nm） dB

4 結(jié)語(yǔ)

建立線型光束濾光片的校準(zhǔn)方法。規(guī)定了減光值、均勻性、正反差別和年變化量的校準(zhǔn)方法，提出了均勻性、正反差別和年變化量的計(jì)量特性要求，開展測(cè)量不確定度的評(píng)定，為市場(chǎng)提供檢測(cè)校準(zhǔn)依據(jù)為日后線型光束濾光片國(guó)家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的制定提供數(shù)據(jù)支持。