第一节
火灾探测方法及探测器

一、火灾探测方法

火灾探测是以物质燃烧过程中产生的各种火灾现象为依据，普通可燃物质燃烧的表现形式是：首先产生燃烧气体和烟雾，在氧气供应充足的条件下才能达到完全燃烧，产生火焰并发出一些可见光与不可见光，同时释放大量的热，使得环境温度升高。普通可燃物质由初起阴燃阶段开始，到火焰燃烧、火势渐大，最终酿成火灾的起火过程，如图4-1所示，其特点如下：

1.初起和阴燃阶段占时较长

普通可燃物在火灾初起和阴燃阶段尽管产生了烟雾可燃气体混合物，并且大量的烟雾可燃气体混合物可能已经充满某一空间，但是环境温度不高，火势尚未达到蔓延发展的程度。如果在此阶段能将重要的火灾信息（烟雾浓度）有效地探测出来，就可以将火灾损失控制在最低限度。

2.火焰燃烧阶段火势蔓延迅速

普通可燃物经过足够的火灾初起和阴燃阶段后，足够的蓄积热量会使环境温度升高，并在物质的着火点温升加速，发展成火焰燃烧，形成火焰扩散，火势开始蔓延，环境温度不断升高，燃烧不断扩大，形成火灾。普通可燃物在此阶段产生的烟雾相对减少，但火灾发展所产生的足够热量会引起环境温度的较大变化，如果能将火灾引起的明显的温度变化这一火灾特征参数有效地探测出来，则能较及时地控制火灾。

3.物质全燃阶段产生强烈的火焰辐射

处于全燃阶段的普通可燃物质燃烧时会产生各种波长的光，使火焰热辐射含有大量的红外线和紫外线。因此，对火灾形成的红外和紫外光辐射进行有效的探测也是实现火灾探测的基本方法之一。但是，对于有较长阴燃阶段的普通可燃物火灾而言，由于普通可燃物在燃烧过程产生大量烟雾，降低了光的可见度，因此会影响火焰光探测的效果；油品、液化烃等物质起火，由于起火速度快并且迅速达到全燃阶段，形成很少有烟雾遮蔽的明火火灾，因此火焰光探测及时有效。

因此，火灾探测是以物质燃烧过程中的特点为依据监测火源，以实现早期发现火灾。分析普通可燃物的火灾特点，以物质燃烧过程中发生的能量转换和物质转换为基础，可形成不同的火灾探测方法，如图4-2所示。

二、火灾探测器

火灾探测器是火灾自动报警系统的组成部分，它至少有一个能够连续监测，或以一定频率周期监测与火灾有关的物理和（或）化学现象的传感器，并且至少能够向控制和指示设备提供一个适合的信号，由探测器或控制和指示设备判断是否报火警或操作自动消防设备。简而言之，火灾探测器是能够及时探测和传输与火灾有关的物理和化学现象的探测装置。

一般来讲，火灾探测器由火灾参数传感器或测量元件、探测信号处理单元和火灾判断电路组成。火灾信号必须借助物理或化学作用，由火灾参数传感器或测量元件转换成某种测量值，经过测量信号处理电路产生用于火灾判断的数据处理结果量，最后由判断电路产生开关量报警信号。直接产生模拟量信号的火灾探测器输出的测量信号经过信号处理电路进行数据处理后，产生模拟量信号并传输给火灾报警控制器，最终由火灾报警控制器实现火警判断功能。

根据各类物质燃烧时的火灾信息探测要求和上述不同的火灾探测方法，可以构成各种类型的火灾探测器，主要有感烟式、感温式、感光式（火焰探测式）和可燃气体等四大类型，如图4-3所示，船舶采用的探测器均为点型探测器（陆用感温探测器有采用线型的）。由于船舶上感烟式、感温式火灾探测器使用较多，故分别介绍如下：

1.感烟式火灾探测器

感烟式火灾探测器是在目前船舶中应用较普及。据有关机构统计，感烟式火灾探测器可以探测70%以上的火灾。目前，常用的感烟式火灾探测器是离子式和光电式。

（1）离子感烟式火灾探测器

离子感烟式火灾探测器采用空气电离化探测火灾。根据其内部电离室的结构形式，又可分为双源离子感烟式和单源离子感烟式。

1）双源离子感烟式火灾探测器：图4-4所示为双源离子感烟式探测器的工作原理图。在实际设计中，开式结构且烟雾容易进入的检测用电离室与闭式结构且烟雾难以进入的补偿用电离室采取反向串联连接，两个电离室内各放有一块放射性镅241片，不断放射出α粒子，使电离室内空气部分电离。检测电离室一般工作在其特性的灵敏区，补偿电离室工作在其特性的饱和区。

当有烟雾进入火灾探测器时，由于烟雾粒子对带电离子的吸附作用，使检测用电离室内特性曲线发生变化，从而形成电压差Δ U ，其大小反映了烟雾粒子浓度的大小。经电路对电压差Δ U 的处理，可以得到火灾时产生的烟浓度的大小，用于确认火灾发生和报警。

采用双源反串联式结构的离子感烟火灾探测器可以减少环境温度、湿度、气压等条件变化引起的对离子电流的影响，提高火灾探测器的环境适应能力和工作稳定性。图4-5是一个典型的双源离子感烟式探测器的实际电路原理图。

图4-5中，输入电源为DC24V，两个电离室的连接点电压与场效应晶体管VF ₁ 的栅极（G）相接，其源极（S）电压经电阻 R ₈ 接集成运放CP的同相输入端3，标准比较电压与集成运放CP的反相输入端2相接，并且可以通过电位器调节，以改变探测器的灵敏度。

在正常监测状态下，场效应晶体管VF ₁ 由于栅极电压较低不导通，源极电位接近于0，使集成运放CP的同相输入端3的电压低于反相输入端2的电压，则集成运放CP的输出端6的电压仅为1V左右，电容 C ₃ 被充电，但是该电压达不到单结晶体管VT的峰点电压（6V），单结晶体管无法导通，晶闸管VH无触发脉冲，使继电器K ₁ 不动作。此时继电器K ₂ 有电动作，使常开触点K ₂ 闭合，如图4-6所示。

在有火警状态时，检测电离室内有烟雾颗粒进入，颗粒被吸附后使检测电离室内等效阻抗增大，离子电流减小，而内电离室阻抗仍保持不变，场效应晶体管VF ₁ 的栅极电压升高使之导通，于是VF ₁ 的源极电位升高。当烟雾达到预先的设定值时，使集成运放CP的同相输入端3的电压高于反相输入端2的电压，则集成运放CP的输出端6的电压变为12V，电容 C ₃ 继续经 R ₁₁ 充电，经20s左右的延时时间（可调节），如果检测电离室的烟雾浓度继续保持或增加，则充电电压达到单结晶体管VT的峰点电压（6V），单结晶体管导通，输出触发脉冲使晶闸管VH导通，从而使继电器K ₁ 通电动作，使探测器上的指示红灯亮；同时使其常开触点K ₁ 闭合，该闭合触点信号送入火警控制器后给出声光报警信号。

2）单源离子感烟式火灾探测器：单源离子感烟式火灾探测器的电路原理图如图4-7所示，其检测电离室和补偿电离室由电极极板P ₁ 、P ₂ 和P _m 构成，共用一个镅241 α放射源。在火灾探测时，探测器的烟雾检测电离室（外室）和补偿电离室（内室）都工作在其特性曲线的灵敏区，利用P _m 极电位的变化量大小反映进入的烟雾浓度变化，实现火灾探测和报警。

单源离子感烟式火灾探测器的烟雾检测电离室和补偿电离室在结构上基本都是敞开的，两者受环境条件缓慢变化的影响相同，因而提高了对使用环境中微小颗粒缓慢变化的适应能力。特别在潮湿地区要求的抗潮能力方面，单源离子感烟式火灾探测器的自适应性能比双源离子感烟式火灾探测器要好得多，但目前双源离子感烟式火灾探测器也可以通过电路参数调整以及与火灾报警控制器软件配合来提高抗潮能力。

（2）光电感烟式火灾探测器

光电感烟式火灾探测器利用火灾产生的烟雾改变光敏元件受光的强弱而发出警报信号。根据烟雾粒子对光的吸收和散射作用，光电感烟式火灾探测器可分为遮光式和散射光式两种类型。

1）遮光式光电感烟火灾探测器：如图4-8a所示，进入光电检测暗室内的烟雾粒子对光源发出的光产生吸收和散射作用，使通过光路上的光通量减少，从而在受光元件上产生的光电流降低。光电流相对于初始标定值的变化量大小，反映了烟雾的浓度大小，据此可通过电子线路对火灾信息进行放大比较或火灾参数运算，最后通过传输电路产生相应的火灾信号。

2）散射光式光电感烟火灾探测器：如图4-8b所示，进入遮光暗室的烟雾粒子对发光元件（光源）发出的一定波长的光产生散射作用（按照光散射定律，烟粒子需轻度着色，且当其粒径大于光的波长时将产生散射作用），使处于一定夹角位置的受光元件（光敏元件）的阻抗发生变化，产生光电流。此光电流的大小与散射光强弱有关，并且由烟粒子的浓度和粒径大小及着色与否来决定。根据受光元件的光电流大小（无烟雾粒子时光电流大小约为暗电流），即当烟粒子浓度达到一定值时，散射光的能量就足以产生一定大小的光电流，可以激励遮光暗室外部的信号处理电路发出火灾信号。显然，遮光暗室外部的信号处理电路采用的结构和数据处理方式不同，可以构成不同类型的火灾探测器。

2.感温式火灾探测器

在火灾初起阶段，使用热敏元件来探测火灾的发生是一种有效的手段，特别是那些经常存在大量粉尘、油雾、水蒸气的场所，无法使用感烟式火灾探测器，只有用感温式火灾探测器才比较合适。在某些重要的场所，为了提高火灾监控系统的功能和可靠性，或保证自动灭火系统的动作准确性，也要求同时使用感烟式和感温式火灾探测器。感温式火灾探测器可以根据其作用原理分为如下三大类。

（1）定温式火灾探测器

定温式火灾探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警。它结构简单，可靠性高，误动作少，动作温度一般分为60℃、70℃及90℃三种。由于冬季或夏季环境温度变化，对探火的反应时间有一定影响。这类探测器灵敏度较差，一般适用于厨房、锅炉间、烘衣间等。目前，常用的定温式火灾探测器有双金属、易熔合金和热敏电阻几种型式，如图4-9a、图4-9b所示。

当监测点温度达到设定值时，低熔点金属丝被熔断；或利用膨胀系数不同的双金属片，受热弯曲使触头断开。它们可使一个继电器断电，其常闭触头闭合发出火灾探测信号。

（2）差温式火灾探测器

差温式（或称温升式）火灾探测器是根据监测点温度升高变化率来探测的。如图4-9c所示。在火灾前期温度上升较快，如温度升高变化率每分钟超过5.5℃时，使得气室内的气体快速膨胀，由于小孔放气量很小，气体来不及从小孔泄放，其压力升高，波纹膜片下弯使动触头与静触点闭合发出火灾探测信号。

温升式火灾探测器也可以采用热敏电阻及电子电路制成。

（3）差定温式火灾探测器

差定温式火灾探测器是将定温式和差温式两种探测器组合在一起。若其中某一功能失效，则另一种功能仍然起作用，因此大大提高了火灾监测的可靠性，在实际船舶中应用较多。差定温式火灾探测器一般多是膜盒式或热敏半导体电阻式等典型结构的组合式火灾探测器。差定温火灾探测器按其工作原理，还可分为机械式和电子式两种。

1）机械式差定温火灾探测器：如图4-10所示是机械式差定温火灾探测器的结构示意图。它的差温探测部分与膜盒型差温火灾探测器基本相同；而定温探测部分则与易熔金属型火灾探测器相似，其工作原理是弹簧片的一端用低熔点合金焊接在外罩内壁，当环境温度达到标定温度值时，低熔点合金熔化，弹簧片弹回，压迫固定在波纹片上的弹性触片，使之与调节螺钉接触而接通电源，发出电信号（火灾信号）。

2）电子式差定温火灾探测器：电子式差定温火灾探测器在当前火灾监控系统中用得较普遍。它的定温探测和差温探测两部分都是由半导体电子电路来实现的。图4-11所示是电子式差定温火警探测器的电路原理图。它共采用三只热敏电阻 R ₁ 、 R ₂ 和 R ₅ ，其特性均随着温度升高而阻值下降。其中差温探测部分的 R ₁ 和 R ₂ 阻值相同，特性相似，在探头中布置在不同的位置上； R ₂ 布置在铜外壳上，对外界温度变化较为敏感； R ₁ 布置在一个特制的金属罩内，对环境温度的变化不敏感。当环境温度缓慢变化时， R ₁ 和 R ₂ 的阻值相近，VT ₁ 维持在截止状态。当发生火灾时，温度急剧上升， R ₂ 因直接受热，阻值迅速下降；而 R ₁ 则反应较慢，阻值下降较小，从而导致A点电位降低；当电位降低到一定程度时，VT ₁ 、VT ₃ 导通，向报警装置输出火警信号。

定温探测部分由VT ₂ 和 R ₅ 组成。当温度升高至标定值时（如70℃或90℃）， R ₅ 的阻值降低至动作值，使VT ₂ 导通，随即VT ₃ 也导通，向报警装置发出火警信号。

3.手动报警按钮

手动报警按钮与火灾探测器的功能基本相同。探测器是自动报警，而手动报警按钮是人工手动报警，两者输送的报警电信号都传输给报警指示设备，发出火灾报警信号。

手动报警按钮安装于经常有人出入的通道、走廊、控制站、公共舱室等场所。当巡逻员或附近人员发现火警，可取下小锤或用其他物体击碎玻璃，该手动报警按钮即自动向报警指示设备发出报警信号，同时按钮上确认灯发亮，表示信号已送出。一般来讲手动报警按钮只需击碎玻璃即自动动作。也有的在击碎玻璃后需按下按钮。手动报警按钮的外形及内部线路如图4-12所示。《SOLAS公约》规定每一通道口应安装一只手动报警按钮。每层甲板的走廊内，手动报警按钮安装地点应便于操作，并使走廊任何部位与手动报警按钮的距离不大于20m。具体安装时应尽可能与应急照明灯靠近，距离甲板的高度约为1.4m。

4.火灾探测器的接线形式

在实际系统中，火灾探测器和控制器的接线方式一般均采用并联。也就是说，若干个火灾探测器的信号线按一定关系并联在一起，然后以一个部位或区域的信号送入火灾报警装置（或控制器），即若干个火灾探测器连接起来后仅构成一个探测回路，并配合各个火灾探测器的地址编码实现保护区域内多个探测部位火灾信息的监测与传送。在每一个探测回路一般均有一个终端电阻（或齐纳二极管）。在正常监测状态提供一个监测电流（一般为微安级），火警方式时，探测器动作后产生一个报警电流（一般为毫安级）。这里所谓“按一定关系并联”，大体可以分为两种形式：1）若干个火灾探测器的信号线以某种逻辑关系组合，作为一个地址或部位的信号线送入火灾报警装置，如机舱内某一区域的火灾探测。2）若干个火灾探测器的信号线简单地并联在一起，然后送入火灾报警装置。例如采用地址编码火灾探测器，通过两总线实现探测器与控制器的通信，以实现不同的监控功能。

目前，在火灾报警系统中，对于火灾探测器通常采用三种接线方式：二线制、三线制、四线制，如图4-13所示（由于三线制在实船中较少使用，在此不作介绍）。

图4-13a是二线制接线方式，此电路电源线与信号线重合，各个火灾探测器如果状态正常，则通电后其内部接线柱6、7闭合，使电源得以送入下一个火灾探测器，在终端探头有一终端设备（一般为电阻或齐纳二极管），使得系统在正常监测状态时有一监测电流（微安级），一旦火警发生，相应探测器动作，使电源两端电阻急剧下降，产生一较大的动作电流（毫安级），由系统内部处理后给出声光报警；如果某一回路中一个探头故障，则其内部接线柱6、7不能闭合，使电源端开路，由系统处理后显示该回路开路或探头故障。图4-13b是四线制接线方式，其工作原理与二线制接线方式类似，此种电路中电源线与信号线相互分开。无论采用何种方式，均要求可以实现检测探测器脱落、探测器故障失效、线路开路故障、终端电阻脱落或故障失效、火灾报警等功能。 k7ZZ+UsRH8a13r5+m0ROt5B4rQaH96cVxFPqsdQySfPsUFFkM4CiAT2DIpblz2Z3