非色散红外CO2飞机火警探测技术研究

方丽丽，赵建华

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

非色散红外CO2飞机火警探测技术研究

方丽丽，赵建华*

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

提出了基于非色散红外吸收原理(NDIR)实时监测环境中CO2气体浓度变化进行火警探测的方法。根据高空大气环境的特殊性，探讨了基于NDIR的CO2气体探测技术应用于飞机上所面临的低温低压难题。进行了基于NDIR的红外CO2飞机火警探测器的两种结构设计，提出了基于CO2气体浓度监测的红外CO2飞机火警探测器的主要参数要求，研究了基于CO2浓度变化速率与变化值的火灾报警算法。

非色散红外；CO2气体浓度；红外CO2飞机火警探测器；自适应报警算法

0 引言

随着科技的发展与经济的提升，飞机已经成为最便捷的交通工具，在人们的生活中发挥着重要的作用。飞机火灾不同于一般的地面火灾，具有火灾突发性强、火灾燃烧猛烈、人员疏散困难、一次性死亡人数较多、火灾扑救困难、抢救难度大等特点。飞机一旦发生火灾，特别是处于高空飞行状态时，极有可能造成机毁人亡的恶性事故。因此，对飞机火警探测技术的研究有着重要的意义。

目前常用的飞机火警探测技术主要是感烟探测技术，这种探测技术是利用火灾烟雾的光学特性原理进行火灾识别的，但是容易受环境因素(如温度、湿度、灰尘等)影响而发出虚假的火警信号。根据美国80年代中期Cooper的研究报告，33%的感烟探测器无法正常工作，甚至有95%的感烟探测器由于受到噪声的干扰而产生误报[1]。

1 理论与方法

1.1 火警探测参量的选择

CO2、CO和水蒸汽是可燃物燃烧初期的必然产物，而且产生时间远远早于烟气。但是，水蒸汽受空气湿度的影响较大，影响探测精度，所以通常不考虑水蒸汽为火警探测的参量。

关于可燃物加热燃烧时CO和CO2的生成情况，国内外相关人员进行了许多的实验研究，根据Milke等人[2]进行的实验(其中包括23个阴燃火实验，67个燃烧火实验)可知，可燃物在阴燃热解时产生较多CO，明火燃烧时产生较多CO2。对于CO气体浓度探测器而言，目前较为成熟的是半导体式探测器和电化学式探测器。半导体式CO气体探测器多采用二氧化锡薄膜作为气敏元件，通过监测探测器阻值的变化来检测CO气体的浓度值，然而若CO气体浓度低于60 ml/m3，其检测结果的准确性较低，但一般情况下，CO气体在空气中的含量极低，远远低于60 ml/m3[3]，故半导体式CO气体探测器达不到准确监测环境中CO气体浓度值的要求。电化学式CO气体探测器的缺点是存在中毒情况且无法预知其失效与否。近年来研究较多的基于傅里叶红外光谱法的CO气体浓度探测技术具有较强的环境适应性、响应速度快等优点，但是，为了获得较高的探测灵敏度，需要采用多次发射的长光程气体吸收池，加工精度要求很高、体积较大、技术难度较高，对于飞机中的有限空间不适用。

根据Milke等人[2]进行的实验可知，一般情况下，空气中CO2气体的浓度值约为400 ml/m3～500 ml/m3，加热材料4 min后，CO2气体的浓度值增加约500 ml/m3。由此可以看出，虽然空气中存在一定浓度的CO2气体，但是其浓度处于一个相对稳定的状态，若环境中发生火灾时，CO2气体的浓度值将会急剧增加，因此可以根据空气中CO2气体浓度的变化情况，判断出环境中是否有火灾发生。

1.2 常见的CO2气体浓度探测方法

目前常见的CO2气体浓度探测方法主要有以下三种：利用电极和电解液对气体浓度进行探测的电化学探测方法；利用金属氧化物对气体浓度进行探测的半导体探测方法；利用气体对红外光吸收的特性来探测气体浓度的红外探测方法。

1.2.1 电化学探测方法

电化学探测方法主要包括电量法、可控电位电解法等。不同的电化学气体探测器中所包含的不同成份可与相应的气体发生反应，测量头可测量反应所产生的电流并将其转换成气体浓度值。但这种类型的探测器的缺点是：某些气体探测器不但对与之相应的气体(即它们按照设计应该反应的气体)反应，而且对干扰气体也发生反应；探测器需要定期标定，在使用1年～3年后通常需要更换。另外，有的探测器使用的是电解液，需要定期填充。

1.2.2 半导体探测方法

基于半导体气敏元件同气体接触产生吸附效应使半导体的表面电导率等发生改变的原理，将电导率转换为气体浓度值。这种探测方法的缺点是：探测器需要进行加热，容易受到其他气体干扰使其产生虚假报警，在潮湿环境中易失效退化，且无法探测低浓度的气体。

1.2.3 红外探测方法

红外探测方法主要包括傅里叶红外吸收光谱法、非色散红外吸收法等。基于非色散红外吸收原理的CO2浓度探测方法，具有灵敏度高、选择性好、可靠性高，操作方便、体积小等优点，受到广泛的重视与研究。

1.3 非色散红外气体浓度探测原理

基于非色散红外(NDIR)吸收原理的CO2气体浓度探测方法已成为目前国内外探测CO2气体浓度最常用的方法之一[4]，基于气体对红外光的选择吸收特性及Lamber-Beer红外吸收定律，根据气体对特定红外吸收波长处的吸收强度，确定被测气体的种类及浓度[5]。图1为CO2气体的红外吸收光谱图[6]。

图1 CO2红外吸收光谱图Fig.1 Carbon dioxide infrared absorption spectra

根据Lamber-Beer红外吸收定律，入射光强I0、出射光强I与气体浓度的关系如下：

(1)

其中：I是出射光强度；I0是入射光强度；μ是气体的吸收系数；C是待测气体的浓度；L是透射光路的强度。

由式(1)可以看出，如果L与μ已知，可以通过检测入射光强I0与出射光强I来获得气体浓度C。μ为气体的吸收系数，与环境压力、温度、气体的种类、入射光的波长等因素有关。

非色散红外气体浓度探测方法是将从红外光源发出的红外光调制成两束红外光，分别为测量波长(气体对红外光吸收最强处的波长)的测量光束，和参比波长(对红外光不具有吸收能力的波长)的参比光束，从而进行气体浓度探测的。图2为双光束非色散红外吸收原理示意图，从红外光源发出红外光，穿过红外窗口，进入气室，到达测量滤光片和参比滤光片，红外探测器接受到一个包含气体种类与浓度信息的测量信号和一个包含光源和环境信息的参比信号。这种探测方法可以有效地消除光电器件的零点漂移、光源不稳定等对探测精度的影响，从而获得较高的探测精度。

图2 双光束非色散红外吸收原理示意图Fig.2 Principle diagram of double beam NDIR absorption

2 红外CO2飞机火警探测器结构设计

2.1 红外CO2飞机火警探测器结构设计需要考虑的问题

大中型飞机除起飞和降落外，多是在平流层中稳定飞行。民航飞机通常在海拔8000m～12000m的高空中飞行。根据美国标准大气委员会在1976年公布的气压、气温随海拔高度平均分布的标准大气数据[7]可知，海平面气压为101.33kPa，气温为15℃；海平面至海拔高度11km处的气温递减率为0.65℃/100m；海拔高度11km～15km处的气温为-56.5℃，保持不变。

飞机飞行时处于低温、低压的大气环境中，与地面温差较大，恶劣的环境条件导致红外CO2飞机火警探测器准确度大大降低，所以低温低压环境是红外CO2飞机火警探测器结构设计面临的主要难题。为了解决这一难题，在红外CO2飞机火警探测器中设置温度传感器、压力传感器、加热元件和保温材料。通过加热元件对探测器进行加热，同时，采用保温材料对探测器进行保温，以达到恒定温度的目的。而设置温度传感器和压力传感器是为了实时监测气温和气压。同时针对飞机火灾的特殊性，选择红外光子探测器，其与热释电探测器相比，处理速度相当快，响应时间大大减小。

根据气体进入探测器的方式不同可将飞机火警探测器分为扩散式和吸入式两种。对于扩散式飞机火警探测器，气体采用自然扩散的方式进入探测器内部，无需额外采用真空泵。对于吸入式飞机火警探测器，在探测器之外安装真空泵将气体吸入探测器内部，通过这种方式可以减少探测器的响应时间。

2.2 红外扩散式CO2飞机火警探测器结构

红外扩散式CO2飞机火警探测器结构如图3所示。在探测器内设置温度传感器和压力传感器，实时监测气室中的CO2气体的气温和气压。在红外光子探测器、红外光源和反射镜部位设置加热元件，并用保温材料进行保温，避免热量流失。空气中的CO2气体经自然扩散进入红外扩散式CO2飞机火警探测器装置，通过开孔进入气室，红外光源发出红外光，经过聚光镜聚焦后，射向气室中的气体，被气体吸收后，到达反射镜上被反射，红外光再次通过气室并被吸收，通过集光器将反射镜反射来的红外光进行汇聚，到达红外光子探测器，产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含CO2气体浓度信息的测量信号，经过信号处理板处理得到CO2气体的浓度，并通过信号输出接口对外输出。

图3 红外扩散式CO2飞机火警探测器结构示意图Fig.3 The structure of dispersive infrared carbon dioxide aircraft detector

2.3 红外吸入式CO2飞机火警探测器结构

图4 红外吸入式CO2飞机火警探测器结构示意图Fig.4 The structure of inhaled infrared carbon dioxide aircraft detector

红外吸入式CO2飞机火警探测器结构如图4所示。加热元件对整个探测器进行包覆式加热，同时利用保温材料对探测器进行保温，避免热量散失。红外光的光程长度必须达到准确监测CO2浓度的要求，同时飞机的空间有限，故在探测器的另一端安装反射镜。通过真空泵连接出气口，使环境中的CO2气体由进气口不断流入气室，红外光源发出红外光，射入气室，经过被测气体吸收后，到达反射镜上被反射，红外光再次通过气室并被吸收，集光器将反射镜反射来的红外光进行汇聚，到达红外光子探测器，将产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含CO2气体浓度信息的测量信号，经过信号处理板处理得到CO2气体浓度，并将此CO2浓度值通过信号输出接口对外输出。当飞机处于高空低压状态时，采用此装置连接真空泵即可实现对低压环境中CO2气体的采样。

2.4 红外CO2飞机火警探测器主要参数要求

通常背景环境中CO2的浓度约为400ml/m3～500ml/m3，在某些特殊场合其浓度可能达到1000ml/m3，发生火灾后在4min内CO2的浓度将增加约500ml/m3，故红外CO2飞机火警探测器的监测量程设计为0ml/m3～3000ml/m3，线性误差为±60ml/m3，同时考虑到飞机飞行所处大气环境的特点，其工作温度范围为-60℃～60℃，压力补偿范围是20kPa～106kPa，当飞机发生火灾时，必须能迅速报警，考虑到气体浓度达到报警要求需要一定的时间，响应时间要求为25s，故主要参数要求如下：

a.CO2监测量程：0ml/m3～3000ml/m3；

b. 线性误差：≤±60ml/m3；

c. 工作温度范围：-60℃～60℃；

d. 压力补偿范围：20kPa～106kPa；

e. 响应时间：≤25s。

3 红外CO2飞机火警探测器报警算法

火灾发生时，通常伴随着CO2浓度的急剧增加，根据Milke等人[2]进行的实验，当火灾发生时CO2的浓度变化速率达到5ml/(m3·s)，甚至高达10ml/(m3·s)，4min内CO2浓度值增加约500ml/m3。采用“自适应算法”实现红外CO2飞机火警探测器的探

测、报警，“自适应”是指自动适应新环境下CO2气体的浓度，进入一个新的环境后记录下背景环境中CO2的浓度值，以便对CO2浓度变化速率和CO2浓度变化值进行计算。采用此算法对环境中的CO2的浓度进行实时监测，每隔15s计算一次CO2浓度变化速率，监测环境中CO2浓度值是否发生异常变化，若无异常变化(浓度变化速率<5ml/(m3·s))则记录下当前CO2浓度值为背景环境CO2浓度值，若计算得到CO2浓度的变化速率超过5ml/(m3·s)即进行预警，向机组人员发出告警，并计算CO2浓度变化值，若CO2浓度变化值大于200ml/m3则可确认为有效火警信号，进行报警。火灾报警算法流程如图5所示。

图5 火警算法流程图Fig.5 Fire alarm algorithm flow chart

4 结论

本文通过对火灾燃烧气态产物的分析，提出以CO2气体为火警探测参量，通过准确监测环境中CO2气体浓度的变化，进行飞机火警探测报警。得出结论如下：

(1)通过非色散红外气体浓度探测技术实现对CO2气体浓度的精确监测，从而进行飞机火警探测是一种切实可行的方法。

(2)飞机飞行时处于低温、低压环境中，与地面环境条件差距较大，为解决红外CO2飞机火警探测器面临的低温低压难题，采用加热、保温技术，在飞机火警探测器内加入温度传感器和压力传感器对气温、气压进行监测。

(3)根据飞机飞行环境的特殊性设计了吸入式飞机火警探测器和扩散式飞机火警探测器两种结构，提出了飞机火警探测器主要参数要求以满足火警探测要求。

(4) 以环境中CO2气体浓度的变化速率和变化值为基础，设计了可以自动适应不同背景环境下CO2气体浓度的“自适应飞机火警探测器报警算法”。

[1]HagenBC,MilkeJA.Theuseofgaseousfiresignaturesasameantodetectfires[J].FireSafetyJournal, 2000, 34(1):55-67.

[2]MilkeJA,etal.Investigationofmulti-sensoralgorithmsforfiredetection[J].FireTechnology, 2003, 39(4): 363-382.

[3] 杜建华, 等.CO和CO2气体红外光谱技术在火灾早期探测中的应用研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2007, 27(5): 899-903.

[4]BertoniG,etal.Measurementoflong-termaveragecarbondioxideconcentrationsusingpassivediffusionsampling[J].AtmosphericEnvironment, 2004, 38(11): 1625-1630.

[5] 赵建华. 现代安全监测技术[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社, 2006, 8.

[6]TheU.S.SecretaryofCommerce.NationalInstituteofStandardsandTechnologyStandardReferenceDatabase69:NationalInstituteofStandardsandTechnologyChemistryWebBook[DB]. 1964.

[7] 美国国家海洋和大气局, 国家航宇局, 美国空军部. 标准大气(美国1976)[S].北京：科学出版社, 1982.

Research on the technology of non-dispersive infrared CO2aircraft fire detection

FANG Lili, ZHAO Jianhua

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this work, the fire detection has been realized through accurate monitoring of CO2concentration in the environment based on NDIR(Non-Dispersion Infrared). Considering the particularity of upper environmental condition, NDIR is used to resolve the challenge of temperature and pressure in aircraft fire detection. The two kinds of aircraft fire detector have been designed based on NDIR, and the main parameters of aircraft fire detector have been presented. With the calculated concentration of CO2,an alarm algorithm for aircraft fire detector is presented.

Non-dispersion Infrared; CO2concentration; Infrared CO2aircraft fire detector; Adaptive alarm algorithm

2015-02-09；修改日期：2015-03-30

方丽丽(1992-)，女，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生，主要从事火灾气体探测技术、飞机防火技术研究。

赵建华，E-mail：zhaojh@ustc.edu.cn

1004-5309(2015)-00114-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2015.02.09

X949；V244.12；X932

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