流速检测技术在吸气式系统中的应用研究

【慧聪消防网】摘要：吸气式感烟探测报警系统是一种高灵敏新型火灾探测系统，气流流速检测是吸气式系统的关键技术。介绍了几种常见的气流流速检测方法，分析了它们的检测原理，并结合吸气式感烟探测系统的特点，重点阐述了热电式测速法在该系统中的应用。

关键词：流速检测；火灾探测；吸气式系统

1.前言

吸气式感烟探测报警系统是继点型感烟探测报警系统之后的一种新型火灾探测系统。该系统由探测主机和气体采样管网两部分组成，采用主动抽取被保护区域空气样本的探测方式来探测火灾。具体为：系统通过敷设在被保护空间的采样管网抽取现场空气样本的稳定气流，将其导入探测主机，探测主机使气流通过检测腔内的激光束，样本中的烟雾粒子会使激光发生散射，散射光由光电探测器件接收而转换为火灾报警信号，实现火灾探测。系统所采用的最关键技术是气流流速检测，它是该系统的重要环节。笔者总结了常见的流速检测技术原理，结合吸气式系统的特点，重点分析了热电式流速测量技术在吸气式系统中的应用。

2.气流流速测量原理

气体流速的测量，包括气流的平均速度，气流的脉动速度，气流脉动速度的相关性等。测量气流流速的方法有多种，其代表方法有压差式测量、热电式测量和激光式测量。

2.1压差式测量原理

压差式流速测量的原理是根据动压(即全压与静压之差)与流速之间的关系，来测量气体在流动中的速度。根据伯努力方程可计算气体的速度，由于实际测量中通常不能满足理想的伯努力方程，故对其修正为：

式中：V——测量点的气体速度，m/s；

k——结构修正系数；

Q——流体密度，kg/m3；

△p——流体在流动过程中产生的压差，Pa；

g——重力加速度，m/s2

2.2热电式测量原理

热电式测速方式是将置于气流中的加热元件(直径为ds)通电加热，加热元件的温度随时间的变化决定于加热电流的大小和气流对加热元件的对流换热(当加热元件确定后，与气流速度成函数关系)作用，其热平衡方程式：

式中：ms——加热元件的质量，kg；

cs——加热元件的比热，J/(kg·℃)；

ts——加热元件温度，℃；

T——时间，s；

I——通过加热元件的电流，A；

Rt——加热元件温度为ts时的电阻，Ω；

t0——气流温度，℃；

Fs——加热元件的表面积，m2；

α——气流与加热元件之间的对流换热，W/(m2·℃)。

对于有限长的加热元件在气流对流换热的准则方程如式(3)所示：

因

为努谢尔特数，

为雷诺数，所以整理可得式(4)：

式中：Pr——普朗特数；

入——气体的导热系数，W/(m2·℃)；

u——气体的运动黏度系数，m2/s。系数C，m，n值与加热元件结构、尺寸有关，差别较大，对常用的结构和风速范围值，请查阅文献[1]。

2.3激光式测量原理

激光式测量又分为激光多普勒测速和激光双焦点测速，其中多普勒测速应用比较广泛。激光多普勒测速主要是利用了光学的多普勒效应：当波源和观测者彼此相接近时，所接收到的频率变高，而当波源和观测者彼此分开时，所接收到的频率变低。当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒(可看作是波源)所散射，散射光的频率与入射光的频率之差与流速成正比，多普勒频率差与运动粒子流速的关系如式(5)所示：

式中：入——入射光波长；

H——两束入射光夹角；

V——运动粒子流速；

fd——多普勒频率差。

3.热电式流速测量技术在吸气式系统中的应用

压差式测量法对于吸气式系统这样流速较低，测量精度要求较高的测量，尚不能满足要求，而且压差式提供的流速信号为非电信号，与系统兼容不太方便；激光式测量法虽然测量精度很高，测量范围也可以满足系统需求，但激光式测量体积较大，成本较高，对于该系统也不太适合；热电式测量法所需件体积小，成本低，流速信号为电信号，测量精度高，响应快，一致性较好，使用寿命长，型号长期稳定，比较适合在吸气式系统中应用。目前，市场上的大部分吸气式感烟探测系统均采用热电式原理进行气流流速检测。

应用在吸气式系统中的热电式流速测量，主要有热球、热线、热敏电阻等几种形式。

3.1热球在吸气式系统中的应用

热球为一直径约0.8mm的玻璃球，球内绕有加热玻璃球用的镍铬丝线圈和两个串联的热电偶。传感器直接暴露在采样气流当中，当一定的电流通过加热丝线圈后，玻璃球的温度升高，升高的温度和气流的流速有关，流速小升温程度大，反之，升温程度小。升温程度通过热电偶产生的热电势表示出来。图1表示吸气式系统中应用热球测速的原理框图。

3.2热线在吸气式系统中的应用

气流速度V与热线丝电阻R及电流I的函数关系如式(6)所示：

式中：A，B——与热线的物性有关，对已定材料、直径及加热温度的热线为常数；

R0——热线丝温度与气流温度相等时的电阻值。

当气流速度改变时，引起对流换热变化，相应的热线丝电阻发生变化。根据式(6)的函数关系，可以采用直接测量电阻的恒电流法或者测量电流的恒电阻法进行气体流速的测量。由于恒电流法存在热丝及支撑杆温度的热惯性，导致测量误差和频率响应较差，目前已基本淘汰，因此，主要讨论恒电阻法。如图2所示，热丝电阻R为电桥的一臂，气流速度变化时，热丝电阻发生相应变化，电桥平衡被破坏，此时调节RW使电桥重新达到平衡，测量此时的电流值，通过标定好的曲线获得此时的气流速度。

利用热敏电阻测量风速的原理为：当风速为0时，给热敏电阻加一稳定直流电流使之通电发热，温度上升，如果是负温度系数的热敏电阻，则阻值下降，当温度升高到热敏电阻表面散热与本身发热达到热平衡态时，温度将趋于稳定，同时热敏电阻的阻值也趋于稳定；当热敏电阻周围空气流速不为0时，流体介质将带走热敏电阻表面的热量，使热敏电阻本身的温度下降，阻值上升，在恒定的风速下阻值趋向新的平衡点。其热平衡方程为：

由式(7)可知，风速的变化与热敏电阻的阻值Rt变化相关，因此可将热敏电阻接入平衡电桥的桥臂，风速为0时，桥路保持平衡，随着风速变化，热敏电阻相应阻值的变化可以转化为电桥在不平衡时的输出电压，根据此电压与风速之间的对应关系，便可以完成风速的测量。

4.结束语

气流流速的检测和控制是保证吸气式感烟探测报警系统产品性能的重要技术环节，关系到系统报警的一致性指标，而气流流速的检测又是实现气流采样控制的基础和前提。此外，对于采样管网的堵塞、破损等故障状态的指示，也需要可靠的流速检测来实现。笔者所提出的几个测量方案，各有其特点，在实际系统开发中，应具体问题具体分析，以选择最适合的检测方法。

参考文献：

[1]王殊，厉剑.高灵敏吸气式感烟火灾探测报警系统分析研究[J]消防技术与产品信息，1995(10)：5-8.

[2]IEI.VESDAE072DIntelligentAddressableHSSDDetectorOperator’sHandbook[M].IEI，1992.1-4.

[3]胡勇，王殊.主动式高灵敏烟雾探测系统[J].电脑与信息技术，1999(4)：42-45.

[4]路康.热敏电阻风速传感器的初步设计[J].郑州轻工业学院学报，1997，12(6)：10-13

作者简介：董文辉(1973-)，男，黑龙江人。公安部沈阳消防研究所报警研究室助理研究员，博士，主要从事火灾探测相关理论与产品开发及性能评估。