探究建筑火灾中烟流温度自动测试系统

[摘要]文章根据建筑火灾的特点，探讨了中庭火灾实验中有关烟流温度的测量方法，介绍了课题组研制的火灾参数微机自动测量系统，包括测量系统的组成和软、硬件设计等关键技术，两年多来，通过该系统对中庭模型进行实测，获得了大量数据，可供相关研究领域和工程应用参考。

[关键词]数据采集烟流特性建筑火灾热电偶温度补偿

随着高层建筑的普及，中庭结构在现代建筑中得到了广泛的应用。所谓中庭，就是高层建筑内部在竖直方向上具有一个或者连续贯通数层的封顶大型空间。由于中庭结构的特殊性，使传统建筑物所采用的防排烟技术受到了挑战。针对中庭防火技术的新课题，笔者展开了中庭火灾理论与实验的研究，这对制定中庭防火技术方案和消防安全设计十分重要，并可为烟流管理等提供科学依据。本课题来源于国家科技进步重点项目“现代城市防灾减灾系统工程”的子项目“高层建筑中庭综合防火技术研究”（编号：９８－０４－０３）。课题组研制的实验系统主要是验证中庭火灾烟气运动物理模型，包括：火源外焰温度测试；模形火源的确定；中庭模型烟气填充实验等。本实验系统是基于中庭火灾烟气运动物理模型，利用物理模型来研究中庭火灾烟气控制是十分重要的。为准确可靠地对大空间火情进行监测，避免大规模火灾的发生，还有建筑物火灾闪燃现象的研究、中庭模型烟气填充实验研究、火灾烟流特性研究等，这些都离不开温度的动态测量。由于火灾过程变化快，因此实现准确的动态测量非常关键。实验过程要求高精度、实时测量。高速摄影虽是一种比较客观的方法，但价格昂贵，且标定困难，所以课题组研制了火灾参数测量系统。该系统以计算机技术和传感器技术为基础，是一种动态计量系统。火灾实验是一个动态过程，其空间和时间的状态能反映整个火灾的过程，应考虑各种因素，选好采样点。具体作法是：根据初步实验观察到的烟气运动趋势，合理布置测点，以便全面反映模型内的动态温度场。另外，还要合理安排实验过程，尽可能采集到必要的数据并减小测量误差，其中数据采集和处理是关键。

１测量系统的组成

火灾实验是研究火灾并获取火灾数据的重要方法，课题组在重庆大学建筑环境与设备工程研究中心搭建了两个火灾试验模型，模型示意图见图１。

实验采用课题组研制的计算机测量系统，该测量系统由温度传感器、调制放大器、Ａ／Ｄ卡、计算机、ＣＲＴ显示器及打印机等组成，能同时接入温度、压力、流量、重量、浓度等多种传感器，数据采集速度快、精度高，采集系统既可独立工作又可和上位机配套使用。上位机在Ｗｉｎ９８操作系统支持下使用，能方便地进行各种参数设置，能同时显示多路实时数据、实时曲线，并具有存盘、回放、打印等多种功能。

实验装置主要用于实验过程中火灾蔓延温度的测试，为理论分析提供可靠的数据。测试系统能同时对多点温度进行快速、准确地测量，并实时完成分析、处理、显示等功能。实验系统如图２所示。温度传感器选用热电偶，将温度转换为毫伏级电信号，经调制放大后，送计算机Ａ／Ｄ。数据采集接口箱设计成通用型的，可同时对温度、压力、压差、流量等进行测量，通过在驱动软件提供的可视化控制面板上改变设备运行参数实现，如更换传感器类型、改变采样时间等。如果是测量温度，则系统根据用户设定的热电偶类型生成并产生测试数据。

２系统硬件设计

热电偶选用铜—康铜，分度号为Ｔ，它的优点是灵敏度高、便宜，可以在真空、氧化、还原或惰性气氛中使用，测温上限可达４００℃，允许误差０．７５％。由于热电偶的输出值很小（１００℃时为４．２６ｍＶ满度时也只有２０ｍＶ），内阻也小（＜１５０Ω），因此要用低失调、低漂移运放，以保证测量精度和抗干扰能力。众所周知，测控系统的性能优良与否，不但与微机硬件、软件有关，很大程度上取决于模拟信号调理的好坏，而且，有时模拟信号的处理比数字信号处理难度更大。因此，模拟信号的调理历来受到人们重视。

Ａ／Ｄ变换器是模拟系统和数字系统之间的桥梁。通过Ａ／Ｄ变换器，模拟信号被转换为数字信号，并输出给计算机。用单片机进行现场数据采集是一种经济可行的办法，多数情况下数据转换精度１２位就已够了，考虑到今后测量精度可能要求更高，本系统选用了１６位Ａ／Ｄ变换器，利用Ａ／Ｄ进行数据采集，并通过控制主机启动多点现场数据采集。对于仪表本机而言，只要对模拟线路部分设计恰当，要达到较高精度是比较容易的，但对于由几百支传感器和仪表组成的整个系统而言，若要达到更高精度则须考虑传感器的非线性特性和传感器的分散性。测量精度主要取决于传感器的精度等级、放大器的稳定性及电源的稳定性。动态性能则取决于信号通道的通频带和采集速度。采样频率的选择要确保系统有很好的频率响应，过采样的好处是可以在必要时采用数字滤波，减少稳定干扰引起的误差。

由于实验现场工作环境恶劣，极易受电气设备启、停引起的辐射干扰。因此，除了在系统中采取了严格屏蔽、良好接地、滤波等硬件抗干扰措施外，还采取了数字滤波技术，收到了良好的效果，系统长期运行稳定，工作可靠。各路传感器通过接插件与采集系统相连，采集系统再通过ＲＳ２３２串行口与上位机相连，各项操作可由上位机操作软件实现，也可由采集系统上的按键设置实现。

３系统软件设计

本数据采集系统控制软件在Ｗｉｎ９８中文操作系统下运行，操作简单、直观，界面美观大方，能实时显示数据曲线和表格，有录制、回放、打印等多种操作功能，能将采集完成的数据文件转换为标准文本文件，能实现中文在线操作帮助，用户可自定义新增传感器类型、参数。软件主要功能有：

（１）用户能方便地设置各种参数；

（２）能以表格形式显示各检测点的实时数据；

（３）能以曲线方式显示检测点参数的实时变化；

（４）能将测试数据存盘、回放；

（５）能以表格、曲线方式打印各测点的数据；

（６）能将测试数据转入Ｗｏｒｄ文档另作处理。

上位机的软件开发采用了Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司的ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０。ＶＢ具有动态数据交换（ＤＤＥ）、对象链接与嵌入（ＯＬＥ）、支持动态链接库（ＤＬＩ）、对数据库的操作管理以及ＡＰＩ函数功能，对于系统的后台数据管理和通信传输十分有利。为了实时测量，该系统的单片机采用汇编语言编写，具有指令丰富、寻址方式多样、运行速度快、编程方便等优点。软件编程采用模块化的方法设计，主要包括人机对话模块、显示模块、数字量计算模块、Ａ／Ｄ转换模块、速率计算模块等。

该系统最常用的功能是实时采集温度，其计算机界面如图３所示。软件可实现定时采样，包括系统自检及参数设置、选定通道号、传感器类型选取、设置采样间隔、选择显示模式、系统校零、参数监控、参数录制等，并能进行存储、回放和处理，根据需要将结果输出和打印。可采用实时曲线方式进行显示，也可采用参数表格的方式进行集中显示。可以自由设定测试温度范围、测点及分度号。本系统的特点是开发成本低、配置灵活、维护升级容易。系统软件包括主程序、功能键动作处理程序和一些实用子程序。这些程序都固化在单片机内部Ｅｐｒｏｍ中。测试参数包括：热电偶分度号、测温范围、测试点数和测试相关的显示类型等。

由热电偶的测温原理可知，要使测得的热电势与被测温度呈单值函数关系，参比端温度必须恒定，因此必须对参比端温度的变化采取补偿措施。本系统将数字温度传感器置于热电偶参比端处，使输出值直接反映热电偶参比端温度，根据热电偶分度号及读取的参比端温度值，通过软件实时补偿得出被测温度的真实值。

４结束语

该火灾参数自动测量系统经两年多的实际运行，系统可靠、准确、实用，运行工作稳定，抗干扰性强，达到了设计要求。经实际测试，即采用Ｔ型热电偶，经过标定后，分辨率为０．１℃，测量误差＜０．２℃，检测速度：２００路时＜１秒，完全满足实验要求。通过该测试系统获得的大量火灾数据，对火灾研究有重要意义。

火灾实验是分析烟气运动规律，建立数学模型并加以验证的基础，能为模拟仿真提供第一手资料。火灾实验属于一次性、毁坏性实验，必须精心设计，严密组织，才能准确、全面地获得火灾现场的实验数据。但由于火灾实验现场条件十分恶劣，燃烧时间有限，参数瞬息万变，人工测试根本不能实现，因此开发计算机数据采集系统十分必要。随着智能化技术的发展，测量技术也在不断进步，开发研制全自动化火灾实验系统，实现包括点火、燃烧过程等全自动监测和控制，是今后火灾实验要解决的关键问题。随着智能化技术的发展，测量软件技术的作用日趋重要，即使在完善的系统中也只有优越的软件设计才能使硬件支撑得到充分的发挥，并使系统达到最佳状态。

参考文献

1HiroshiYeshino,KuniakiIto,KenAozasa.TrendInTermalEnvironmentalDesignofAtriumBuildingsinJapan,AshraeTrans,1995,101（6）：858—865.

2WilliamL.Grosshandler.TheTrendofResearchandTechnologyofSensingandExtinguishingBuildingFiresintheU.S.［A］.FireDetection,FireExtinguish-mentandFireSafetyProceedings［C］Tokyo,Japan,31—38pp,1998.

3钟茂华、历培德等.大空间建筑室内火灾蔓延全尺寸实验设计.《火灾科学》2001；1（16～19）