用一氧化碳报警器实现火灾预报及救援指导

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＡｐｐＩｉｃａｔｉｏｎ　用一氧化碳报警器　Ｐ“　：实现火灾预报及救　援指导　摘要：通过对３种不同类型一氧化碳传感器的原理及特性比较，得出电化学型气体传感器最适合用　于实现火灾预报及救援指导的报警器产品的设计。并根据一氧化碳中毒机理，论述了使用单片机来设　计实现火灾现场救援指导的一氧化碳报警器的方法。　关键词：一氧化碳报警器；火灾预报；一氧化碳中毒；电化学式气体传感器　中图分类号：ＴＰ２１２．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—８８３Ｘ（２０１２）０７—００２１一Ｏ４　赵大力刘天庆徐洁庞炳海　．．一　一、引言　众所周知，当火灾发生时，尤其是火灾发生初期，由于不完全燃烧，在火灾现场的建筑物内会有大　量的一氧化碳产生，直接威胁着建筑物内人员以及将要进入火灾现场救助的消防人员的生命安全，因此　找到一种一氧化碳火灾报警器，并把建筑物内的一氧　化碳浓度状况实时传送到消防控制中心用于指导火灾　救援至关重要。　二、传感器的选择　针对一氧化碳火灾报警器，目前国家有相应的产　品标准ＧＢＩ５６３１－２００８《特种火灾探测器》，其中的４．５　条款【１】（点型一氧化碳探测器）中，对其技术要求已　有明确规定。关于报警器的响应阀值，固定式的应设　定为２６￣４５ｐｐｍ，可调式的应设定为２３￣６６ｐｐｍ，该　标准的规定对火灾发生的初期探测及报警是必要的，　但当火灾的信号已发出等到消防人员赶到火灾现场　一一　　７０ｐｐｍＣＯＩ　　ｌ５０ｐＰｍＣＯ　——　ｒ卜　”　“ｐ～４一　＿ｌ一　后，除报警房间的一氧化碳气体浓度外，还需要了解　一１０００　一　●　—　＿　＿　其他地点的气体浓度（如通道、走廊等）是多大，消　防人员是否能直接进入该建筑物内，对还没来得及撤　雪　１００　一　ｆ　—卜　Ｉ　ｌ　一　ｌ　—　＿　　ｒ离的人员实施救援，救援多长时间就必须撤离，否则　一氧化碳的浓度会危及救援人员的生命。因此设计一　ｌ＿　｛　～　ｔ　ｊ　ｌ　ｌ　种测量范围宽、精度高、响应速度快的一氧化碳火灾　报警器将势在必行。　目前检测一氧化碳的传感器按检测原理主要分　为半导体型、电化学型和红外型，其主要工作原理及　优缺点分析如下：　１０　０　２０　；　ｌ　ｌ　Ｌ　Ｊ　｛　８０　１００　Ｉ２０　１４０　１６０　４Ｏ　６Ｏ　时间（分钟）　图２传感器在不同浓度下的应答　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ａ　ｐｉｉｅａｔｉｏｎ　传感器的气体选择性非常高，可以大大降低干扰气体的　综上所述根据传感器的检测范围、检测精度、气体　响应时间及成本等因素的综合指标考虑采用电化学式气　体传感器可以满足要求。　影响。电化学式一氧化碳传感器的灵敏度特性如图４所　示。　在电化学式气体传感器中还有凝胶电化学式和原电　池式传感器，在燃气报警中使用较少，不再赘述。　（２）气体响应时间　三、　一氧化碳的中毒机理　人体一氧化碳使中毒的程度与一氧化碳浓度密切相　关，同时也和人体与一氧化碳接触时间长短相关。人体　一图５、图６反映了电化学传感器的响应时间，可以看　出，在一氧化碳从０到１０００ｐｐｍ逐步递增过程中，传感　器每次从稳定达到下一浓度的６０％的时间均不超过２０ｓ。　３、红外式传感器　氧化碳的中毒症状直接与血液中的血红蛋白（Ｈｂ）与　氧化碳形成的碳氧血红蛋白（ＣＯＨｂ）的数量有关。正　一常人平均ＣＯＨｂ为１％，吸烟者为２％～１０％，当血液内　红外式传感器的检测原理是，由２种不同原子构成　的分子都有所谓偶极矩（偶极长和偶极上一端电荷电量　的乘积），当气体上照射了红外光后，就会吸收由该气体　的碳氧血红蛋白（ＣＯＨｂ）达到１０％以上时，机体将出现　严重的中毒症状，例如，头痛、眩晕、恶心、胸闷、乏　力、意识模糊等。碳氧血红蛋白数量与一氧化碳浓度和　时间的关系（ＵＬ２０３４．２００７）【２】见图７。　分子结构决定了的特定波长的光。从吸收光谱的吸收波　长可以判定气体的种类，从吸收的强度可以测定该气体　的浓度。这种传感器灵敏度、选择性、特别是精度非常　高，常用于仪表，但其结构复杂、成本较高，很少用在　报警器上。　一四、　一氧化碳火灾报警器的设计　根据ＧＢ１５６３１．２００８特种火灾探测器中的“４．５点型　氧化碳探测器”，对其技术要求有如下规定：　固定式响应阀值（ＳＯ）　二…　一Ⅲ　ｃ口ｒ　０ｎ＾Ｐ．　…　Ｉ　ｏ０　ｖ　懈　聃ｃ　ｔ，　ｔｉ—　＾＋螂ｃ　ＣＰ－　＿州ｔ　０＿　一。一Ｊ　‘　Ｉ　响应　ｆ　设定的　ｌ最小响应Ｉ最大响应　阀值　ｌ响应阀值（ＳＯ）ｌ　阀值　ｌ　阀值　２６￣４５　　１０．７Ｓ０　ｉ　１．５Ｓ０　Ｕ二一．。＼－　｜　＼　０一　…Ｉ｜　４｝ｌ　‘｝ｌ｛　　・●ｃ一●　　ｃ■ｃ．ｏ　‘ｖ￣｛《ｃ…ｐ“ｑ　＿　・ｎｔ●ｒ　００　）　ＤＥ一—拍ｍ　ｌ　ｃｏ０Ｏ●　‘　（　　ｈ一　ｑ】　Ｆ—ｍ　ｃ∽‘ＨＨ＾　‰啪】　—　ｃ¨一　０Ｉ　■ＣＯ　‘ｎｒ，‘轴ｈ　■Ｉ●　蚋）ＨＨｄ　　ｈ　Ｊ一响应　阀值　￣ｔＬ／Ｌ　设定的　响应阀值（ＳＯ）　２３～６６　最小响应　阀值　０．７Ｓ０　最大响应　阀值　１．５Ｓ０　—　ｌ、　ｌ　ｔ—ｌ∞ｏ　‘Ｈ＿　５ｌ　ｃ　ｍ　一Ｉ　Ｉ　一ｌ　｜、　一　＝、　萎　ＭＩＮｕ　《￥　该响应阀值应为火灾初期的报警值。　另外根据ＵＬ２０３４．２００７碳氧血红蛋白数量与一氧化　碳浓度和时间的关系曲线，救援（消防）人员的碳氧血　红蛋白规定在２５％ＣＯＨｂ（头痛、恶心）以下，即曲线Ｆ以　下，应能直接进入该建筑物内，对还没来得及撤离的人　员实施救援，救援后并能安全的撤离时间如按１０ｍｉｎ计　＼：　＝＝＝　＝＝　茸　Ａ．５０％ＣＯＨｂ（植物人、死亡）Ｂ．４５％ＣＯＨｂ（昏迷、植物人）　Ｃ一４０％ＣＯＨｂ（晕倒）Ｅ．３０％ＣＯＨｂ（昏睡）　Ｇ一２０％ＣＯＨｂ（头痛）　Ｉ一１０％ＣＯＨｂ（无反应）　Ｄ一３５％ＣＯＨｂ（ｔ￣吐）　Ｆ－２５％ＣＯＨｂ（头痛、恶心）　Ｈ．１　５％ＣＯＨｂ（轻微头痛）　Ｊ－５％ＣＯＨｂ（无反应）　算，那么报警器的上限报警浓度应设定在ｌＯ００ｐｐｍ。为　了能实时掌握建筑物内的一氧化碳气体浓度，该报警器　除在现场发出报警信号以外，还应把气体浓度信号实时　的传送到消防控制中心，以便对进入现场的救援人员进　行指导。　图７碳氧　蛋白数量与一氧化碳浓度和时间的关系　报警器的设计电路框图如图８，目前的单片机的Ａ／Ｄ　转换位数一般为１０位，为了解决气体的检测在低浓度段　（０～２５Ｏｐｐｍ）的准确性及检测范围宽（０￣３０００ｐｐｍ）的特点，　对传感器的信号采用两级放大双Ａ／Ｄ输入方法，即在低　浓度段，使用两级放大，高浓度段使用一级放大。从图