CN117198137A - 一种可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置及实验方法。装置包括乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳、乙二醇储液瓶、开关、乙二醇溶液泵、加热器、流量活门调节旋钮、流量活门、乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道、增压风扇、风扇驱动信号接收单片机、储烟箱、烟雾浓度传感器和控制器；本发明效果：通过对增压风扇转速的调节，可实现对真实火灾烟雾热浮力效应的逼近；整套装置采用模块化设计，因此拆卸方便，并且结构接单，易于维护；实验方法清晰且易于操作。

Description

一种可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置及实验方法

技术领域

本发明属于民航及民用消防安全检测技术领域，特别涉及一种可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置及实验方法。

背景技术

在飞机货舱防火、民用建筑消防等领域，为测试封闭空间内烟雾探测器的性能，通常要进行发烟实验，由于采用真实火灾烟雾会极大地增加实验的安全风险，因此，采用能够替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置是工业实践中的普遍需求。

目前市场上常见的烟雾模拟装置的工作原理为：在烟雾模拟装置内部，将乙二醇与水的混合物(烟油)加热而形成蒸汽，然后将该蒸汽喷出，乙二醇蒸汽遇冷后重新凝华并形成烟雾。然而，与真实火灾烟雾相比，这种烟雾模拟装置缺少火源向上的热浮力效应，从而导致模拟烟雾与真实火灾烟雾在运动规律、浓度场方面存在较大差异。

因此，工业实践中在采用烟雾模拟装置替代真实火灾烟雾时，通常要在上述基于乙二醇喷雾原理的烟雾模拟装置基础上进行一定程度的改装，从改装的思路来看，大致分为三种：1)在乙二醇蒸汽喷出之前充入氦气，通过降低模拟烟雾蒸汽的密度增加模拟烟雾的漂浮性，以模拟真实火灾烟雾的高温热浮力效应；2)在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置的出口增添加温装置，对蒸汽进行加温，从而模拟真实火灾烟雾的高温热浮力效应；3)直接调节乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置的出口流量，用大流量补偿缺失的热浮力效应。

然而，以上三种改装思路在实际使用过程中存在一定的缺陷。首先，充氦气的方法会明显地增加装置的复杂程度，氦气的储存、释放等环节会使得装置维护成本增加。其次，温度的改变是一个较慢的物理过程，对模拟烟雾加温的方式存在明显的迟滞特性，使得装置不易于调节。最后，以上三种类型的烟雾模拟装置均不利于烟雾浓度的闭环控制，然而真实火灾的发展是一个非稳态的过程，火灾的发展通常会经历不同的阶段，火灾在阴燃阶段、发展阶段和完全燃烧阶段释放的烟雾浓度有所不同，从控制的角度来讲，这意味着控制目标是动态变化的，只有通过闭环的控制才能实现与真实火灾烟雾浓度的逼近。因此，开发全新的烟雾模拟装置，并建立标准化的实验方法，是目前本行业的迫切需要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置及实验方法。

为了达到上述目的，本发明提供的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置包括乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳、乙二醇储液瓶、开关、乙二醇溶液泵、加热器、流量活门调节旋钮、流量活门、乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道、增压风扇、风扇驱动信号接收单片机、储烟箱、烟雾浓度传感器和控制器；其中，乙二醇储液瓶设置在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳内部，内部盛放乙二醇溶液；乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道的一端连接在乙二醇储液瓶的上端，另一端插入在储烟箱的内部；乙二醇溶液泵、加热器和流量活门依次安装在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道上，流量活门上设有流量活门调节旋钮；开关安装在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳上，并且与乙二醇溶液泵、加热器相连接，用于控制乙二醇溶液泵、加热器的启停；储烟箱的上端设有开口，增压风扇安装在开口处；风扇驱动信号接收单片机安装在储烟箱上，并且与增压风扇电连接；控制器分别与风扇驱动信号接收单片机和烟雾浓度传感器电连接。

所述控制器采用计算机。

利用上述可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置的实验方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)S01：为确定烟雾模拟装置的控制目标，首先应进行真实火灾烟雾实验。将烟雾浓度传感器放置于被试实验环境中，进行真实火灾烟雾实验，实验中记录烟雾浓度传感器在完整火灾过程中的烟雾浓度读数，并将该读数作为烟雾模拟装置的控制目标；

2)S02：在控制器上自定义一个覆盖多个频率范围或扫频信号的增压风扇控制指令，将烟雾浓度传感器放置在储烟箱的内部，然后打开开关而启动乙二醇溶液泵、加热器，乙二醇溶液泵将乙二醇储液瓶中的乙二醇溶液抽吸到乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道内，然后输送至加热器，乙二醇溶液在加热器中被加温至完全蒸发，之后经流量活门向储烟箱内喷出，在空气中遇冷重新凝华为液滴，从而形成烟雾，记录整个过程中烟雾浓度传感器的烟雾浓度读数；

3)S03：将S02中自定义的增压风扇控制指令作为输入，烟雾浓度传感器的烟雾浓度读数作为输出，运用系统辨识方法，辨识得到输入-输出之间的传递函数模型；

4)S04：运用自动控制原理中的极点配置方法，对S03中得到的传递函数进行极点配置，极点配置的结果为烟雾浓度闭环控制的控制律；

5)S05：将S04中得到的控制律写入控制器，控制器将根据控制律生成控制指令并发送至风扇驱动信号接收单片机，最终驱动增压风扇的作动，记录该过程中烟雾浓度传感器的烟雾浓度读数；

6)S06：判断S05中烟雾浓度传感器的烟雾浓度读数是否与S01中真实火灾烟雾实验中的烟雾浓度读数一致，如果一致，则表明整套装置实现了与真实火灾烟雾等效的烟雾浓度闭环控制；如果不一致，则返回S04重新设计控制律，直至烟雾浓度传感器的烟雾浓度读数与S01中真实火灾烟雾实验中的烟雾浓度一致为止。

本发明提供的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置及实验方法具有如下有益效果：

1)通过对增压风扇转速的调节，可实现对真实火灾烟雾热浮力效应的逼近；

2)整套装置采用模块化设计，因此拆卸方便，并且结构接单，易于维护；

3)由于增压风扇转速的调节具有良好的快速性，因此整套装置易于实现特定空间内烟雾浓度的闭环控制，由烟雾浓度传感器感受被测空间内的烟雾浓度并反馈至控制器，控制器根据控制律向增压风扇发送控制指令，通过调节风扇转速的变化，可以实现真实火灾阴燃阶段、发展阶段和完全燃烧阶段烟雾浓度的动态模拟。

4)实验方法清晰且易于操作。

附图说明

图1为本发明提供的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置结构示意图。

图2为利用本发明提供的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置的实验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置包括乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳1、乙二醇储液瓶2、开关3、乙二醇溶液泵4、加热器5、流量活门调节旋钮6、流量活门7、乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道8、增压风扇9、风扇驱动信号接收单片机10、储烟箱11、烟雾浓度传感器12和控制器13；其中，乙二醇储液瓶2设置在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳1内部，内部盛放乙二醇溶液；乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道8的一端连接在乙二醇储液瓶2的上端，另一端插入在储烟箱11的内部；乙二醇溶液泵4、加热器5和流量活门7依次安装在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道8上，流量活门7上设有流量活门调节旋钮6；开关3安装在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳1上，并且与乙二醇溶液泵4、加热器5相连接，用于控制乙二醇溶液泵4、加热器5的启停；储烟箱11的上端设有开口，增压风扇9安装在开口处；风扇驱动信号接收单片机10安装在储烟箱11上，并且与增压风扇9电连接；控制器13分别与风扇驱动信号接收单片机10和烟雾浓度传感器12电连接。

所述控制器13采用计算机。

现将本发明提供的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置的工作原理阐述如下

当需要进行烟雾模拟实验时，将烟雾浓度传感器12放置于储烟箱11的内部；打开开关3而启动乙二醇溶液泵4、加热器5，乙二醇溶液泵4将乙二醇储液瓶2中的乙二醇溶液抽吸到乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道8内，然后输送至加热器5，乙二醇溶液在加热器5中被加温至完全蒸发，之后经流量活门7向储烟箱11内喷出，在空气中遇冷重新凝华为液滴，从而形成烟雾，实验者可以通过调节流量活门调节旋钮6来实现对流量活门7开度的调节，从而调节烟雾的出口流量。在上述过程中，在控制器13的控制下，利用烟雾浓度传感器12检测储烟箱11内的烟雾浓度值，然后传送给控制器13；控制器13根据上述烟雾浓度值生成控制信号，并发送至风扇驱动信号接收单片机10，风扇驱动信号接收单片机10向增压风扇9发送控制指令，以调节增压风扇9的转速，从而实现对真实火灾烟雾热浮力效应的模拟。如果烟雾的漂浮效应不足，则控制器13会自动调节增压风扇9的转速使其增加，如果烟雾的漂浮效应过大，则控制器13会自动调节增压风扇9的转速使其降低。

如图2所示，利用上述可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置的实验方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)S01：为确定烟雾模拟装置的控制目标，首先应进行真实火灾烟雾实验。将烟雾浓度传感器12放置于被试实验环境中，进行真实火灾烟雾实验，实验中记录烟雾浓度传感器12在完整火灾过程中的烟雾浓度读数，并将该读数作为烟雾模拟装置的控制目标；烟雾模拟装置的最终目的，就是通过调节增压风扇9的转速，实现被试实验环境中模拟烟雾浓度与真实火灾烟雾浓度吻合。

2)S02：在控制器13上自定义一个覆盖多个频率范围或扫频信号的增压风扇9控制指令，将烟雾浓度传感器12放置在储烟箱11的内部，然后打开开关3而启动乙二醇溶液泵4、加热器5，乙二醇溶液泵4将乙二醇储液瓶2中的乙二醇溶液抽吸到乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道8内，然后输送至加热器5，乙二醇溶液在加热器5中被加温至完全蒸发，之后经流量活门7向储烟箱11内喷出，在空气中遇冷重新凝华为液滴，从而形成烟雾，记录整个过程中烟雾浓度传感器12的烟雾浓度读数；

3)S03：将S02中自定义的增压风扇9控制指令作为输入，烟雾浓度传感器12的烟雾浓度读数作为输出，运用系统辨识方法，辨识得到输入-输出之间的传递函数模型；

4)S04：运用自动控制原理中的极点配置方法，对S03中得到的传递函数进行极点配置，极点配置的结果为烟雾浓度闭环控制的控制律；

5)S05：将S04中得到的控制律写入控制器13，控制器13将根据控制律生成控制指令并发送至风扇驱动信号接收单片机10，最终驱动增压风扇9的作动，记录该过程中烟雾浓度传感器12的烟雾浓度读数；

6)S06：判断S05中烟雾浓度传感器12的烟雾浓度读数是否与S01中真实火灾烟雾实验中的烟雾浓度读数一致，如果一致，则表明整套装置实现了与真实火灾烟雾等效的烟雾浓度闭环控制；如果不一致，则返回S04重新设计控制律，直至烟雾浓度传感器12的烟雾浓度读数与S01中真实火灾烟雾实验中的烟雾浓度一致为止。

Claims (3)

1.一种可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置，其特征在于：所述可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置包括乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳(1)、乙二醇储液瓶(2)、开关(3)、乙二醇溶液泵(4)、加热器(5)、流量活门调节旋钮(6)、流量活门(7)、乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道(8)、增压风扇(9)、风扇驱动信号接收单片机(10)、储烟箱(11)、烟雾浓度传感器(12)和控制器(13)；其中，乙二醇储液瓶(2)设置在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳(1)内部，内部盛放乙二醇溶液；乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道(8)的一端连接在乙二醇储液瓶(2)的上端，另一端插入在储烟箱(11)的内部；乙二醇溶液泵(4)、加热器(5)和流量活门(7)依次安装在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道(8)上，流量活门(7)上设有流量活门调节旋钮(6)；开关(3)安装在乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置外壳(1)上，并且与乙二醇溶液泵(4)、加热器(5)相连接，用于控制乙二醇溶液泵(4)、加热器(5)的启停；储烟箱(11)的上端设有开口，增压风扇(9)安装在开口处；风扇驱动信号接收单片机(10)安装在储烟箱(11)上，并且与增压风扇(9)电连接；控制器(13)分别与风扇驱动信号接收单片机(10)和烟雾浓度传感器(12)电连接。

2.根据权利要求1所述的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置，其特征在于：所述控制器(13)采用计算机。

3.一种利用权利要求1或2所述的可替代真实火灾烟雾的烟雾模拟装置的实验方法，其特征在于：所述实验方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)S01：将烟雾浓度传感器(12)放置于被试实验环境中，进行真实火灾烟雾实验，实验中记录烟雾浓度传感器(12)在完整火灾过程中的烟雾浓度读数，并将该读数作为烟雾模拟装置的控制目标；

2)S02：在控制器(13)上自定义一个覆盖多个频率范围或扫频信号的增压风扇(9)控制指令，将烟雾浓度传感器(12)放置在储烟箱(11)的内部，然后打开开关(3)而启动乙二醇溶液泵(4)、加热器(5)，乙二醇溶液泵(4)将乙二醇储液瓶(2)中的乙二醇溶液抽吸到乙二醇蒸汽型烟雾模拟装置出口管道(8)内，然后输送至加热器(5)，乙二醇溶液在加热器(5)中被加温至完全蒸发，之后经流量活门(7)向储烟箱(11)内喷出，在空气中遇冷重新凝华为液滴，从而形成烟雾，记录整个过程中烟雾浓度传感器(12)的烟雾浓度读数；

3)S03：将S02中自定义的增压风扇(9)控制指令作为输入，烟雾浓度传感器(12)的烟雾浓度读数作为输出，运用系统辨识方法，辨识得到输入-输出之间的传递函数模型；

4)S04：运用自动控制原理中的极点配置方法，对S03中得到的传递函数进行极点配置，极点配置的结果为烟雾浓度闭环控制的控制律；

5)S05：将S04中得到的控制律写入控制器(13)，控制器(13)将根据控制律生成控制指令并发送至风扇驱动信号接收单片机(10)，最终驱动增压风扇(9)的作动，记录该过程中烟雾浓度传感器(12)的烟雾浓度读数；

6)S06：判断S05中烟雾浓度传感器(12)的烟雾浓度读数是否与S01中真实火灾烟雾实验中的烟雾浓度读数一致，如果一致，则表明整套装置实现了与真实火灾烟雾等效的烟雾浓度闭环控制；如果不一致，则返回S04重新设计控制律，直至烟雾浓度传感器(12)的烟雾浓度读数与S01中真实火灾烟雾实验中的烟雾浓度一致为止。