中海石油技术检测有限公司 天津 300452
摘要：火焰探测器是火灾监测及报警系统中最基本和关键的部件之一，用于对现场初始火灾事件的监测。火焰探测器通过响应光照强度和火焰的闪烁频率来识别现场的火灾事件，分为紫外、红外、紫外/红外和三频红外等类型。火焰探测的性能指标包括：响应阈值、响应时间、重复性、报警输出值、探测范围等，需要在出厂时和设备使用过程中对探测器的基本性能进行测试。同时，探测器的使用效果受现场安装情况影响明显，在保证基本安装原则的基础上，可采用定量评估技术对重点保护区域的探测器覆盖率进行计算与评估。
关键词：火焰探测器；响应阈值；响应时间；探测器覆盖率
Performance Test and Evaluation Technology of Flame Detector
LiXue, LiuYu
(CNOOC Technical Inspection Co., Ltd., Tianjin 300452，China)
Abstract: The flame detector is one of the most basic and key components in the fire monitoring and alarm system, which is used to monitor initial fire events in the field. Fire detectors identify fire events by responding to light intensity and the flicker frequency of the flame.Common types of flame detectors including UV, IR, UV / IR and tri band IR, etc. The performance indexes of detector include response threshold, response time, repeatability, alarm output, detection range, etc. The basic performance of the detector needs to be tested during the production and use of the equipment. At the same time, the effect of the use of the detector is obviously affected by the site installation.On the basis of guaranteeing the basic installation principle, the quantitative evaluation technique can be used to calculate and evaluate the coverage rate of the detectors in the key protection area.
key words: flame detector; response threshold; response time; coverage rate of the detectors.
0.引言
火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即探测火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。具有响应速度快、探测距离远、环境适应性好等优点，是火灾检测及报警系统中最基本和关键的部件之一，在海上或陆地石油天然气的开采、油气长输管线、罐区、石化工厂等各类危险场合广泛的应用[1]。
使用过程中，火焰探测器长期处于“静止”状态，只有在发生火灾时才触发报警输出。这就需要定期对火焰探测器的基本功能进行检验测试，验证其功能是否满足要求。相关国标对火焰探测器的性能要求和测试方法有明确的规定，适用的出厂时的探测器性能鉴定与测试。设备厂商则主要提供了火焰探测器在使用过程中的检验测试要求与技术。
同时，探测器的使用效果受现场安装情况影响明显，现场探测器数量配置不足、安装位置不合理、设备选型缺陷等都会造成功能正常的火焰探测器在实际使用中发挥不出有效作用[2]。在保证基本安装原则的基础上，可采用定量评估技术对重点保护区域的探测器覆盖率进行计算与评估。
1.火焰探测器的主要原理与分类
火焰是在火灾燃烧中产生的可见或不可见的燃烧气体或蒸汽。火焰探测器是视线型装置，当这种装置暴露在火灾发出的辐射能辐射下将做出反应。因为辐射能是以光速传播的，所以火焰探测器有快速反应动作的能力。根据对探测火灾辐射能的波长的不同可以分为紫外线探测器、红外线探测器、紫外/红外探测器和三频红外线火焰探测器。
1.1 紫外线火焰探测器
紫外线探测器是火焰探测器中最常用的一种，这种探测器对紫外线区内（波长低于4000?）的不可见辐射能可做出反应。通常情况下，紫外线探测器设计成只对波长在1800~2500?范围内的紫外线做出反应。这样一个狭窄的波长区域可以排除来自日光的辐射或由人工光源带来的误报警。紫外线探测器的一个缺点是也能对X射线、弧焊作业及闪电做出反应。另外一个缺点是烟雾能遮蔽探测器动作。因此，紫外线火焰探测器近年来用得越来越少了。
1.2 红外线火焰探测器
红外线火焰探测器利用一个带滤镜和透光系统的光电池或光敏电阻作为感应元件，对波长高于7000?的不可见的辐射能作出反应。同紫外线探测器相同，红外线探测器也是快速动作型的探测器。由于红外线探测器会对许多热源（特别是日光辐射的干扰）作出反应，即使装配有复杂的识别装置，也容易发生误报警。另外红外线探测器也受高湿度的影响。因此，红外线探测器的应用具有局限性。
1.3 紫外/红外线火焰探测器
紫外/红外线火焰探测器同时具有能探测紫外线和红外线感应元件的探测器，只有当这两部分元件都产生报警时，探测器才确认有火灾发生，并将信号送到控制系统。紫外线感应元件只对波长在1850~2450?的紫外线产生动作，红外线感应元件对波长在41000~47000?的红外线产生动作。这就弥补了单独采用紫外线或红外线探测器的缺陷。因此，这种火焰探测器目前应用比较广泛。
1.4 三频红外火焰探测器
三频红外线火焰探测器是采用光电元件，用三种不同的波长。探测器内的电子元件自动比较测量波长与正常环境下的变化，以确认动作的发生。这种新型探测器的优点是有很高的灵敏性和很好的稳定性。但缺点是价格比较高。
2.火焰探测器的主要性能指标与检验测试方法
2.1 响应阈值
响应阈值是开关式火灾探测器的最主要参数,火灾参数达到火灾探测器的响应阈值时,火灾探测器应该动作。
针对火焰探测器的响应阈值通常应在设备出厂前测试。响应阈值检测装置由光学轨道、光源、减光片、调制器光阑、探测器安装支架和其它有关测试记录设备组成[3]。典型的红外火焰探测器检测装置如图1所示。
1-光学轨道；2-光电倍增管；3-截止减光片；4-冷却腔；5-光源；
6-快门；7-IR滤光片；8-光阑；9-探测器；10-阈制器
图1红外火焰探测器检测装置
对于随机响应特性的探测器，必须先重复测量其响应阈值至少6次，直至下一次的响应阈值的变化不超出前几次测量的响应阈值平均值的10%。对于频段特性的探测器，必须将调制器调在厂方给定的闪烁频率上。
在测得的光源辐射能变化大于5%，但小于20%的情况下，计算探测器的响应阈值比Smax：Smin时，应乘或除以比较正因数P1/P2，P1为第一次测试时测得的辐射能、P2为第二次测试时测得的辐射能。
在探测器的使用过程中，可以依据设备商推荐的方式定期对探测器的响应阈值进行验证[4]。通常可以采用现场测试灯进行响应测试，通过测试灯在现场输出特定光谱，验证探测的响应功能是否正常。近年来，随着智能型设备的不断开发，许多火焰探测器已具备自校准功能，如DET-TRONICS的DX3301型火焰探测器就同时兼有磁力聚光及手动聚光两项功能，不需任何非校准性的外部检测灯。该类探测器内部设置了标准光源，可每分钟进行一次自动检测，以验证整个探测器设备的运行能力。
2.2 响应时间
响应时间是指仪表输入一个阶跃量时，其输出由初始值第一次到达最终稳定值的时间间隔，一般规定以到达稳定值的95％时的时间为准。对于火焰探测器的响应时间测试，通常在系统连接调试完成后进行，因为系统整体的响应时间不仅取决于探测器自身，还受整个控制回路的传输和处理时间的影响。对于火气系统现场探测器的响应时间要求一般不超过30s。
2.3 重复性
火焰探测器的重复性即为响应阈值的重复性，应在设备出厂前进行测试。在探测器正常工作位置的任意一个方位上连续测量6次响应阈值，通常要求最大响应阈值与最小响应阈值的比不超过1.3。
2.4 报警输出值
报警输出值是指探测响应火灾后用于报警的输出值。火焰探测器常见的输出信号有三种：继电器输出（开关型号）、模拟量输出（4—20mA）、通讯信号输出（如Modbus协议等）。对于报警输出值的测试可在探测器的使用中进行，定期人为触发报警，测试探测器的输出值是否准确。
除报警输出值外，大部分火焰探测器还可以将其状态信息以电流或通讯的方式传输给上位中控系统，以便于对探测器故障的诊断。以DET-TRONICS的DX3301型火焰探测器为例，其不同状态对应的电流输出如表1所示。
表1 DET-TRONICSDX3301型火焰探测器状态输出电流
电流值（±0.5 mA）探测器状态
0开路
1普通故障
2聚光故障
3红外亮度背景
4正常操作
20火警
图2 典型火焰探测器的探测范围示意图
2.5 探测范围
探测范围为火焰探测自身的特征参数，通常为一个类似锥形的空间，以探测器镜头为原点向空间内发出射线，凡可被射线经过的区域便为本探测器的有效探测区域。典型火焰探测器的探测范围图例如图2所示。不同厂家、型号设备的探测范围参数存在差异，具体应参见其产品手册。
3.火焰探测的功能评价技术
在火焰探测器基本性能满足使用要求的基础上，其实际的探测效果还会受到现场安装、使用条件的限制。因此，要评价火焰探测的功能有效性，在探测器检验测试的同时，还应包括对探测器安装使用情况的核查以及对重点区域探测器覆盖率的评估。
火焰探测的安装使用原则通常包括如下：
1) 火焰探测器一般安装在被保护区域内最高的目标两倍的地方。在探测器的有效范围内，不应受到阻碍物的阻挡，同时应能覆盖所有目标和需要保护的区域。
2) 探测器安装时一般向下倾斜30~45°角，即能向下看又能向前看，同时又减低镜头受到污染的可能。
3) 应对保护区内可能发生的火灾保持直线入射，尽量避免间接入射和反射。
4) 为避免探测盲区，一般采用多台探测器不同角度共同监测。
图4 火焰探测器覆盖率案例
ISA-TR84.00.07指出针对潜在火灾风险较高的区域，应对火焰探测器的覆盖率进行定量的评估与计算[5]。探测器覆盖率评估，实际上就是定量评价火灾或气体泄漏危险事件被现场探测器有效检测到的概率。对于火焰探测器通常采用几何投影技术进行覆盖率评估，即模拟探测器的实际工作原理，通过几何建模的方式进行探测效果仿真。图3为应用Detect3D软件对火焰探测器的几何投影仿真效果图。
通过探测器覆盖率定量评估，可以得出在制定区域内的探测器覆盖效果分布及量化的覆盖率数据，为火气系统的评估与优化提供有效的数据支持。
图4为某海上平台生产橇块火焰探测器覆盖率案例，图中黑色为未覆盖区域、蓝色为一个探测器覆盖区域、红色为二个探测器同时覆盖区域、绿色为三个探测器同时覆盖区域。相关定量计算数据见表2。
表2 火焰探测器覆盖率计算表（案例）
Zero (0ooN)1 or more (≥ 1ooN)2 or more (≥ 2ooN)3 or more (≥ 3ooN)
1.9% 98.1% 77.9% 13.7%
4.结束语
火焰探测器是重要的安全监测仪表，探测器的功能有效期取决于设备的基本性能和安装使用状态。应用针对性检测和评估技术可以实现对火焰探测器的功能验证，是保障火灾监测、报警有效性的重要手段。
参考文献：
[1] 刘宇, 张海峰, 路通. 火气系统功能有效性的绩效评估方法[J]. 自动化仪表, 2017, 4(38): 22-27.
[2] 徐伟华. 火/气探测系统与安全仪表技术[J]. 自动化博览, 2011, (S1): 16-18.
[3] 国家标准化委员会. GB 15631-2008 特种火灾探测器[S]. 2008.
[4] 刘宇, 康宝林, 路通. 浅谈海上平台火气系统的检测与诊断技术[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2015, (6): 28-31.
[5] Instrument Society of America. ISA-TR84.00.07 Technical Report Guidance on the Evaluation of Fire, Combustible Gas and Toxic Gas System Effectiveness[S]. 2010.
论文作者:李雪,刘宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/18
标签：探测器论文; 火焰论文; 阈值论文; 火灾论文; 红外线论文; 覆盖率论文; 辐射能论文; 《防护工程》2018年第1期论文;