CN111603711B - 火花探测熄灭系统喷淋延时测试装置及喷淋延时测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷淋延时测试装置及喷淋延时测试方法，喷淋延时测试装置包括测控计算机、测控接口板、减压阀、压力变送器、供水电磁阀、水幕探测单元和火花模拟LED；水幕探测单元包括红外发射阵列和红外接收阵列，两者所围圆柱形区域构成水幕测试区间，在喷淋水幕覆盖水幕测试区间圆形横截面的过程中，由于水对特定波长红外光的强吸收作用，红外发射阵列发出的测试光线将被喷淋水幕吸收，使得红外接收阵列接收到的红外信号衰减，测控计算机根据测试过程接收阵列输出信号的变化情况确定喷淋水幕覆盖情况及消耗时间；本发明可以更加精确的控制喷淋启动时间和喷淋停止时间，减小喷淋用水量，有效熄灭管道中出现的火花或对管道中的高温颗粒有效降温。

Description

火花探测熄灭系统喷淋延时测试装置及喷淋延时测试方法

技术领域

本发明涉及工业粉尘防爆控制装置和控制方法，尤其涉及一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，同时还涉及一种喷淋延时测试方法。

背景技术

木材加工、金属打磨等工业现场在生产时会产生大量粉尘，严重污染环境，并且粉尘积聚极易产生粉尘爆炸，因此这类工业现场都强制要求进行除尘。典型的除尘装置是负压管道抽送吸附现场的粉尘。除尘管道在收集粉尘时，要严防火花(或高温颗粒)被同时输送到粉尘浓度更高的集尘箱内，以避免粉尘爆炸；火花探测熄灭系统是目前常用的安全保障装置，其核心作用是通过火花探头检测在除尘管道出现的高温颗粒或火花，然后在管道下游通过喷淋装置形成覆盖管道横截面的喷淋水幕，当高温颗粒或火花经过水幕时被迅速降温或熄灭，避免高温颗粒或火花进入集尘箱内，起到安全保护作用。

火花探测熄灭系统应在探测到火花之后立即启动喷淋，确保随输送气流运动的火花通过下游喷淋水幕时能被熄灭；为了确保喷淋熄灭的可靠性，喷淋水幕应在火花到来之前形成；为了避免消防用水的浪费和对工业现场的破坏，喷淋水幕应在火花熄灭之后立即关闭；在已知管道风速的情况下，下游喷淋装置相对于火花探头的安装位置则必须根据喷淋延时综合考虑。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种结构紧凑、安全可靠的火花探测熄灭系统用的喷淋延时测试装置，本发明的另一目的是提供一种能够精确测定火花探测熄灭系统喷淋延时的喷淋延时测试方法。

技术方案：一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，包括测控计算机、测控接口板、减压阀、压力变送器、供水电磁阀、水幕探测单元和火花模拟LED；

所述水幕探测单元包括红外发射阵列和红外接收阵列，其中，红外发射阵列包括多个发光器件和发射阵列驱动单元，红外接收阵列包括多个光电接收器件和接收阵列调理单元，红外发射阵列中各发光器件由发射阵列驱动单元同步驱动，红外接收阵列中各光电接收器件的输出由接收阵列调理单元分别完成电流电压信号转换、放大、转换，输出数字逻辑信号；

所述红外发射阵列的发光器件呈圆周分布在喷淋水幕的一侧，红外接收阵列的光电接收器件呈圆周与发射阵列对应地分布在喷淋水幕的另一侧，发光器件所围分布圆和光电接收器件所围分布圆的圆周直径均和实际火花探测熄灭系统在应用现场的安装管道直径一致；

所述红外发射阵列和红外接收阵列所围圆柱形区域构成水幕测试区间，在喷淋水幕覆盖水幕测试区间圆形横截面的过程中，由于水对特定波长红外光的强吸收作用，红外发射阵列发出的测试光线将被喷淋水幕吸收，使得红外接收阵列接收到的红外信号衰减，测控计算机根据测试过程的红外接收阵列输出信号的变化情况确定喷淋水幕覆盖情况及消耗时间。

优选的，所述红外发射阵列和红外接收阵列中各发光器件和光电接收器件安装在平行的有机玻璃平板上。

进一步的，所述测控接口板包括现场微处理器；在模拟火花LED驱动脉冲上升沿时刻，测控接口板启动现场微处理器内部定时中断；每次中断现场微处理器读取记录红外接收阵列中所有光电接收器件的输出逻辑状态；重复定时中断；达到预设的定时中断次数或测试总时长后，测试过程结束；测控计算机读取现场微处理器中所有测试记录数据，根据其中的数据序号和定时中断间隔进行分析计算，获取正常状态下水幕完全覆盖测试区间横截面所消耗时间以及异常状态下测试总时长内水幕覆盖情况；所述正常状态下，测试过程涵盖了从模拟火花出现的时刻到水幕完全覆盖测试区间横截面的时刻。

进一步优选的，所述发光器件通过中空的发射端导光管指向接收阵列，所述光电接收器件同样通过中空接收端导光管与对应的发光器件配对。

所述发光器件为窄波段发光器件。峰值波长优选为1400nm或1900nm。

一种基于所述喷淋延时测试装置的喷淋延时测试方法，包括如下内容：

步骤1、根据火花探测熄灭系统火花探测红外波段的波长范围，选取火花模拟LED；

步骤2、调节减压阀，设定供水压力，通过压力变送器测量记录水压；

步骤3、通过测控计算机人机界面发出测试指令，现场微处理器收到测试启动指令后，驱动火花模拟LED产生红外光，形成模拟火花，火花模拟LED置于被测火花探测熄灭系统的火花探头正前方，并通过遮光直通管道连接二者；火花探测熄灭装置火花探头检测到模拟火花后触发其自动喷淋功能，产生喷淋水幕；

步骤4、红外接收阵列的光电接收器件经转换电路转换放大后接整形电路，数字信号输出接至现场微处理器的数字量输入端口；

步骤5、无水幕遮挡时，发光器件的红外光直接到达光电接收器件，输出高电平，经反相后，输出低电平；水幕到达后，状态翻转为高电平；

步骤6、火花模拟LED驱动信号上升沿启动内部定时器，初始化中断计数变量为0，初始化端口状态记录变量为0，等待定时中断；

步骤7、定时中断处理：

(1)中断计数变量+1；

(2)将当前数字量输入端口的逻辑状态与端口状态记录变量进行比较；

(3)相同退出本次中断处理；

(4)相异则记录保存当前中断计数变量和当前数字量输入端口逻辑状态，并更新端口状态记录变量为当前数字量输入端口逻辑状态；等待下一次定时中断；

步骤8、中断计数到达预设的定时中断次数或测试总时长后关闭中断，结束本轮测试；

步骤9、关闭供水电磁阀；

步骤10、测控计算机读取本次测试记录的各次中断计数值和数字量输入端口状态，当端口状态某位逻辑状态由0跳为1时，表示水幕到达；此组数据对应的中断计数值乘上定时间隔即为对应的测试光路上水幕到达延时时刻；

步骤11、调节供水压力，测量记录压力；重复步骤3-步骤10，完成所有设定压力条件下的延时测试；

步骤12、断开火花模拟LED与被测火花探测熄灭装置火花探头的连接管路；

步骤13、断开与被测火花探测熄灭装置的供水管路；

步骤14、完成测试报表、绘制延时-压力曲线。

进一步的，所述供水压力分别设定为标称水压范围的上下限和至少2等分的均布点，重复测量多次，拟合出延时-水压曲线。

进一步的，所述供水压力由压力变送器和测控接口板进行采集传输给测控计算机显示。

本发明的有益效果是：能够精确测定火花探测熄灭系统喷淋延时后，在已知管道风速的条件下，可以更加精确的控制喷淋启动时间和喷淋停止时间，减小喷淋用水量，有效熄灭管道中出现的火花或对管道中的高温颗粒有效降温。

附图说明

图1为由待测火花探测熄灭装置与喷淋延时测试装置构成的系统结构框图；

图2为水幕测试单元的结构示意图；

图3为图2的B-B向剖面图(红外发射阵列)；

图4为图2的A-A向剖面图(红外接收阵列)。

具体实施方式

如图1-4所示，被测火花探测熄灭装置1包括火花探头、火花探测熄灭控制器、喷淋电磁阀和水幕喷嘴101；喷淋延时测试装置2包括测控计算机、测控接口板、减压阀、压力变送器、供水电磁阀、红外发射阵列、红外接收阵列、火花模拟LED。供水电磁阀和喷淋电磁阀通过供水管路连通。

消防供水经减压阀后维持恒压，通过供水电磁阀提供给被测火花探测熄灭装置1，使得测试水压匹配于被测试火花探测熄灭装置1的标称水压范围；供水电磁阀在供水管道与被测火花探测熄灭装置1驳接可靠后由测控计算机控制开启；供水压力由压力变送器和测控接口板进行采集传输给测控计算机显示。供水压力分别设定为标称水压范围的上下限和至少2等分的均布点，重复测量多次，拟合出延时-水压曲线。

火花模拟LED在测控计算机的控制下由测控接口板驱动发出一个红外光脉冲，模拟管道中需被熄灭的火花，用于触发被测端火花探测熄灭装置1的火花探头，火花探头检测到模拟火花后触发其自动喷淋功能，经喷淋电磁阀和水幕喷嘴101产生喷淋水幕。

如图2-图4所示，红外发射阵列和红外接收阵列关于水幕平面平行对置，避免接触水幕出现溅射；红外发射阵列包括红外发光管201和发射阵列驱动单元，红外接收阵列包括光电接收管202(光电传感器)和接收阵列调理单元，红外发射阵列中各红外发光管201由发射阵列驱动单元同步驱动，红外接收阵列中各光电接收管202的输出由接收阵列调理单元分别完成电流电压信号转换、放大、转换，输出数字逻辑信号。

红外发射阵列的红外发光管201呈圆周分布在喷淋水幕的一侧，红外接收阵列的光电接收管202呈圆周分布在喷淋水幕的另一侧，红外发光管201所围分布圆和光电接收管202所围分布圆的圆周直径均和实际管道直径一致。

红外发射阵列、红外接收阵列构成了水幕测试单元，喷淋水幕喷至红外发射阵列和红外接收阵列构成的测试区间内，对于水幕所覆盖到的红外对管，由于水对特定波长红外光的强吸收作用，使得接收阵列中对应接收管的输出信号显著降低；水幕探测单元输出数字逻辑信号送现场微处理器。

优选的，红外发射阵列和红外接收阵列中各发光器件和光电传感器安装在平行的有机玻璃平板203上；用有机平板玻璃的核心目的构建开放式测试区间，防止水幕遇到障碍物产生溅射影响测量效果，所以圆柱区间的柱面是完全开放的，只有两端的平板用于安装阵列，可以更换不同的分布圆直径的平板，匹配各种管径。进一步的，红外发射阵列各发光器件的峰值波长优选为1400nm或1900nm，水幕对这两种波长的吸收率接近100％，各发光器件通过中空的黑色发射端导光管204指向接收阵列；红外接收阵列的光电接收器件同样通过中空黑色接收端导光管205与对应的发光器件配对，克服环境光的干扰。在实际安装中，水幕喷嘴是安装在管道最高点，水幕向下喷射，在本发明中，测火花探测熄灭装置1的水幕喷嘴101优选为沿水平方向喷淋，以消除重力影响。

测控接口板功能：在模拟火花LED驱动脉冲上升沿时刻启动现场微处理器内部定时中断；每次中断现场微处理器读取记录红外接收阵列所有接收管的输出逻辑状态；重复定时中断；达到预设的定时中断次数(或测试总时长)后，测试过程结束后；测控计算机读取微处理器中所有测试记录数据，根据所记录的数据序号和定时中断间隔进行分析计算，在正常情况下，由于测试过程完全涵盖了从模拟火花出现时刻到水幕完全覆盖管道的时刻，因此可以精确的实现喷淋延时测试。在异常状态下，同样能够测试总时长内水幕覆盖情况。

本发明还公开了一种火花探测熄灭系统喷淋延时测试方法，包括如下内容：

步骤1、根据火花探测熄灭系统火花探测红外波段的波长范围，选取火花模拟LED；

步骤2、调节减压阀，设定供水压力，通过压力变送器测量记录水压；

步骤3、通过测控计算机人机界面发出测试指令，现场微处理器收到测试启动指令后，驱动火花模拟LED产生红外光，形成模拟火花，火花模拟LED置于被测火花探测熄灭系统的火花探头正前方，并通过遮光直通管道连接二者；火花探测熄灭装置火花探头检测到模拟火花后触发其自动喷淋功能，产生喷淋水幕；

步骤4、红外接收阵列的光电接收器件经转换电路转换放大后接整形电路，数字信号输出接至现场微处理器的数字量输入端口；

步骤5、无水幕遮挡时，发光器件的红外光直接到达光电接收器件，输出高电平，经反相后，输出低电平；水幕到达后，状态翻转为高电平；

步骤6、火花模拟LED驱动信号上升沿启动内部定时器，初始化中断计数变量为0，初始化端口状态记录变量为0，等待定时中断；

步骤7、定时中断处理：

(1)中断计数变量+1；

(2)将当前数字量输入端口的逻辑状态与端口状态记录变量进行比较；

(3)相同退出本次中断处理；

(4)相异则记录保存当前中断计数变量和当前数字量输入端口逻辑状态，并更新端口状态记录变量为当前数字量输入端口逻辑状态；

步骤8、中断计数到达预设的定时中断次数或测试总时长后关闭中断，结束本轮测试；

步骤9、关闭供水电磁阀；

步骤10、测控计算机读取本次测试记录的各次中断计数值和数字量输入端口状态，当端口状态某位逻辑状态由0跳为1时，表示水幕到达；此组数据对应的中断计数值乘上定时间隔即为对应的测试光路上水幕到达延时时刻；

步骤11、调节供水压力，测量记录压力；重复步骤3-步骤10，完成所有设定压力条件下的延时测试；

步骤12、断开火花模拟LED与被测火花探测熄灭装置火花探头的连接管路；

步骤13、断开与被测火花探测熄灭装置的供水管路；

步骤14、完成测试报表、绘制延时-压力曲线。一般供水压力分别设定为标称水压的下限、中值和上限，重复测量多次，拟合出延时-水压曲线。

下面结合实施例对其技术方案作进一步详细说明。

实施例：

1、测试水压典型压力3-5bar；

2、现场微处理器为STM32f103zet6单片机，(也可由其他型号单片机或FPGA等实现)；

3、测控计算机和现场微处理器的通信由USB-TTL串口实现(也可由RS485等方式实现)；

4、火花模拟LED的峰值波长优选为840nm，位于火花探测红外波段的中值附近；

5、STM32单片机经串口接收到测试启动指令后，由PB0引脚产生脉冲宽度为100ms的高电平，直接驱动火花模拟LED；

6、火花模拟LED为LET-302红外二极管，发光面置于被测火花探测熄灭系统的火花探头正前50cm处，并通过遮光直通管道连接二者；

7、用于水幕探测的红外发射阵列面与红外接收阵列以16对为例，红外发射阵列面与红外接收阵列面间距30cm，红外发光二极管为的峰值波长为1900nm，红外接收阵列的光电接收器件为光电二极管，光谱峰值响应1900nm，发光二极管和光电二极管各通过内径6mm、长度为20mm的导光管匹配；

8、接收阵列各光电二极管经OP07运放搭建的I-V转换电路转换放大后接74HC14整形电路，数字信号输出接至STM32单片机的PA0-PA15；

9、无水幕遮挡时，发光二极管的红外光直接到达光电接收管，I-V电路输出高电平，经74HC14反相后，输出低电平；水幕到达后，状态翻转为高电平；

10、火花模拟LED驱动信号PB0的上升沿启动内部定时器，产生定时时长为1ms的定时中断，初始化中断计数变量为0，初始化端口状态记录变量为0；

11、中断处理子程序执行：

(1)中断计数变量+1；

(2)比较当前PA0-PA15各位的逻辑状态与端口状态记录变量；

(3)相同退出本次中断处理；

(4)相异则记录保存当前中断计数值和当前PA0-PA15的端口逻辑状态；

12、中断计数到达2000后关闭中断，结束测试(即最大可可测延时为2000毫秒)；

13、测控计算机读取本次测试记录的各次中断计数和PA0-PA15端口状态，当某位逻辑状态由0跳为1时，表示水幕到达，此组数据对应的序号即为对应的各测试光路上水幕到达延时时刻；

14、关闭供水电磁阀；

15、断开火花模拟LED与被测系统火花探头的连接管路；

16、断开与被测系统的供水管路；

17、完成压力记录和测试报表，针对供水压力3bar、4bar和5bar重复测量三次，拟合出延时-水压曲线。

Claims (9)

1.一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：包括测控计算机、测控接口板、减压阀、压力变送器、供水电磁阀、水幕探测单元和火花模拟LED；

所述水幕探测单元包括红外发射阵列和红外接收阵列，其中，红外发射阵列包括多个发光器件和发射阵列驱动单元，红外接收阵列包括多个光电接收器件和接收阵列调理单元，红外发射阵列中各发光器件由发射阵列驱动单元同步驱动，红外接收阵列中各光电接收器件的输出由接收阵列调理单元分别完成电流电压信号转换和放大，以及输出数字逻辑信号；

所述红外发射阵列的发光器件呈圆周分布在喷淋水幕的一侧，红外接收阵列的光电接收器件呈圆周与发射阵列对应地分布在喷淋水幕的另一侧，发光器件所围分布圆和光电接收器件所围分布圆的圆周直径均和实际火花探测熄灭系统在应用现场的安装管道直径一致；

所述红外发射阵列和红外接收阵列所围圆柱形区域构成水幕测试区间，在喷淋水幕覆盖水幕测试区间圆形横截面的过程中，红外发射阵列发出的测试光线将被喷淋水幕吸收，使得红外接收阵列接收到的红外信号衰减，测控计算机根据测试过程的红外接收阵列输出信号的变化情况确定喷淋水幕覆盖情况及消耗时间。

2.根据权利要求1所述的一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述红外发射阵列和红外接收阵列中各发光器件和光电接收器件安装在平行的有机玻璃平板上。

3.根据权利要求1所述的一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述测控接口板包括现场微处理器；在模拟火花LED驱动脉冲上升沿时刻，测控接口板启动现场微处理器内部定时中断；每次中断现场微处理器读取记录红外接收阵列中所有光电接收器件的输出逻辑状态；重复定时中断；达到预设的定时中断次数或测试总时长后，测试过程结束；测控计算机读取现场微处理器中所有测试记录数据，根据其中的数据序号和定时中断间隔进行分析计算，获取正常状态下水幕完全覆盖测试区间横截面所消耗时间以及异常状态下测试总时长内水幕覆盖情况；所述正常状态下，测试过程涵盖了从模拟火花出现的时刻到水幕完全覆盖测试区间横截面的时刻。

4.根据权利要求1所述的一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述发光器件通过中空的发射端导光管指向接收阵列，所述光电接收器件同样通过中空接收端导光管与对应的发光器件配对。

5.根据权利要求1所述的火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述发光器件为窄波段发光器件。

6.根据权利要求5所述的火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述窄波段发光器件的峰值波长为1400nm或1900nm。

7.一种基于如权利要求1所述喷淋延时测试装置的喷淋延时测试方法，其特征在于，包括如下内容：

步骤1、根据火花探测熄灭系统火花探测红外波段的波长范围，选取火花模拟LED；

步骤2、调节减压阀，设定供水压力，通过压力变送器测量记录水压；

步骤3、通过测控计算机人机界面发出测试指令，现场微处理器收到测试启动指令后，驱动火花模拟LED产生红外光，形成模拟火花，火花模拟LED置于被测火花探测熄灭系统的火花探头正前方，并通过遮光直通管道连接二者；火花探测熄灭装置火花探头检测到模拟火花后触发其自动喷淋功能，产生喷淋水幕；

步骤4、红外接收阵列的光电接收器件经转换电路转换放大后接整形电路，数字信号输出接至现场微处理器的数字量输入端口；

步骤5、无水幕遮挡时，发光器件的红外光直接到达光电接收器件，输出高电平，经反相后，输出低电平；水幕到达后，状态翻转为高电平；

步骤6、火花模拟LED驱动信号上升沿启动内部定时器，初始化中断计数变量为0，初始化端口状态记录变量为0，等待定时中断；

步骤7、定时中断处理：

(1)中断计数变量+1；

(2)将当前数字量输入端口的逻辑状态与端口状态记录变量进行比较；

(3)相同退出本次中断处理；

(4)相异则记录保存当前中断计数变量和当前数字量输入端口逻辑状态，并更新端口状态记录变量为当前数字量输入端口逻辑状态；等待下一次定时中断；

步骤8、中断计数到达预设的定时中断次数或测试总时长后关闭中断，结束本轮测试；

步骤9、关闭供水电磁阀；

步骤10、测控计算机读取本次测试记录的各次中断计数值和数字量输入端口状态，当端口状态某位逻辑状态由0跳为1时，表示水幕到达；此组数据对应的中断计数值乘上定时间隔即为对应的测试光路上水幕到达延时时刻；

步骤11、调节供水压力，测量记录压力；重复步骤3-步骤10，完成所有设定压力条件下的延时测试；

步骤12、断开火花模拟LED与被测火花探测熄灭装置火花探头的连接管路；

步骤13、断开与被测火花探测熄灭装置的供水管路；

步骤14、完成测试报表、绘制延时-压力曲线。

8.根据权利要求7所述的一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述供水压力分别设定为标称水压范围的上下限和至少2等分的均布点，重复测量多次，拟合出延时-水压曲线。

9.根据权利要求7或8所述的一种火花探测熄灭系统用喷淋延时测试装置，其特征在于：所述供水压力由压力变送器和测控接口板进行采集传输给测控计算机显示。

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