CN113702356A - 一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统及方法，其中系统包括燃烧装置、光纤探头及拉曼光谱检测装置，燃烧装置用于提供稳定安全的燃烧环境，燃烧装置包括进气模块、干粉输送模块、燃料输送模块、耐高温玻璃外罩及杯式燃烧器，所述光纤探头用于采集燃烧装置中高温气体的拉曼散射光数据；拉曼光谱检测装置用于为所述光纤探头提供激光光源并对采集到的拉曼散射光数据进行拉曼光谱分析，获取高温气体的成分信息及浓度信息。本发明通过对燃烧产物的拉曼光谱检测可以准确评估燃烧要素在灭火过程中的组分变化信息，有效提高了干粉灭火剂效能检测的准确度和精度。

Description

一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统及方法
技术领域
本发明涉及消防工程技术领域，更具体的说是涉及一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统及方法。
背景技术
干粉灭火剂是由灭火基料(如小苏打、碳酸铵、磷酸铵盐等)和适量润滑剂(硬脂酸镁、云母粉、滑石粉等)、少量防潮剂(硅胶)混合后共同研磨制成的细小颗粒，以二氧化碳作为喷射动力。干粉灭火剂喷射出的粉末，浓度密集、颗粒微细，可以在固体燃烧物上构成阻碍燃烧的隔离层，同时会析出不可燃气体，使燃烧火焰周围空气中的氧气浓度降低，火焰熄灭，适用于扑灭油类、可燃气体、电器设备等的初燃火灾。
灭火效能是衡量一种灭火剂好与坏最为重要的技术指标，能反映灭火剂的灭火效率，同时也是灭火系统设计的主要依据。目前，现有的干粉灭火剂灭火效能的测试方法或者实验设备大多通过灭火时间、灭火剂用量、火焰区温度、烟气浓度等指标对干粉灭火器的灭火效能进行检测，如我国专利（CN207051255U）通过热电偶测量干粉灭火剂燃烧时的温度，同时使用高速摄像系统对灭火过程进行录制，观测整个灭火过程和测定准确的灭火时间；又如专利（CN206837310U）通过测量灭火时间和最小灭火剂用量，并且通过实时监测火焰区上方各个位置的温度和烟气中有毒气体（CO和NOx）的浓度来表征某种干粉灭火剂的灭火效能。
然而现有的检测方法难以准确评估燃烧要素在灭火过程中的组分变化信息，导致其检测结果不精准，难以满足检测需要。
因此，如何监测干粉灭火剂灭火过程中的组分变化，提高干粉灭火剂灭火效能的检测精度是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统及方法，用于解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统，包括：燃烧装置、光纤探头及拉曼光谱检测装置；
所述燃烧装置用于为干粉灭火剂提供稳定安全的燃烧环境，燃烧装置包括进气模块、干粉输送模块、燃料输送模块、耐高温玻璃外罩及杯式燃烧器；
所述光纤探头用于采集燃烧装置中产生的高温气体的拉曼散射光数据；
所述拉曼光谱检测装置用于为所述光纤探头提供激光光源并对采集到的拉曼散射光数据进行拉曼光谱分析，获取高温气体的成分信息及浓度信息。
优选的，所述燃烧装置还包括废气收集处理系统，所述废气处理系统用于收集处理产生的烟气。
优选的，所述光纤探头外部设置有氮气保护套，用于降低光纤探头的温度。
优选的，所述拉曼光谱检测装置包括激光发射器、红外焦平面成像阵列、拉曼光谱光路、CCD型光谱仪及计算机处理系统。
一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试方法，所述方法包括：
根据燃料种类选择特征气体，并将所述特征气体作为标准气体进行光谱标定，构建拉曼光谱分析模型；
启动测试系统，当燃烧装置中的火焰燃烧状态到达稳定后利用光纤探头采集火焰周边高温气体的拉曼光谱数据，并根据拉曼光谱分析模型获取高温气体的成分信息及浓度信息。
优选的，上述方法中所述特征气体包括二氧化碳、一氧化碳、氧气、焦油蒸汽、氮气，即本方法可以同时表征燃烧要素和灭火要素信息。
优选的，上述方法中构建拉曼光谱分析模型具体包括采用偏最小二乘法对标准气体样本的拉曼光谱图进行定量分析，依据Kennard-Stone算法将标准气体样本划分为校正集和测试集，获取拉曼光谱分析模型。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统及方法，通过光纤探头，借助激光光束原位探测灭火剂与火焰相互作用时的生成物，实现了灭火剂-火焰/自由基的相互作用机制原位检测，进而实现了干粉类灭火剂、周边气体组分等各种燃烧要素的在线实时分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的系统结构示意图。
图2为本发明提供的CO建模结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例一方面公开了一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统，如图1所示，该系统包括：燃烧装置、光纤探头7及拉曼光谱检测装置8，燃烧装置包括耐高温玻璃外罩1、进气模块2、干粉输送模块3、燃料输送模块4、杯式燃烧器5及废气收集处理系统6。
进气模块2位于耐高温玻璃外罩1的下方，通过进气管道与耐高温玻璃外罩连通主要用于为燃烧装置提供空气，具体包括空气压缩泵，除水除油过滤器和空气流量控制器；干粉输送模块3通过干粉输送管道与进气模块的进气管道相连，将干粉灭火剂与空气进行均匀混合，形成稳定的灭火剂粉末固态气溶胶；燃料输送模块4位于耐高温玻璃外罩1的一侧，通过燃料输送通道与耐高温玻璃外罩1内的杯式燃烧器5连接，利用燃料输送模块4中的流量控制器控制火焰的强弱大小；废气收集处理系统6用于收集处理产生的烟气。
光纤探头7采用耐高温材料，包括耐高温蓝宝石玻璃窗片，光纤探头7的外部设置有金属氮气保护套，氮气以3L/min的速度流入保护套，形成微氮保护氛围，用以进一步的降低光纤探头7的温度，光纤探头7的顶端伸出金属氮气保护罩，因此金属氮气保护套只保护光纤探头7的侧面及四周，不会影响光纤探头7对拉曼散射光的搜集。在拉曼光谱检测的过程中，光纤探头7集成小型的红外焦平面成像仪，以准确捕获火焰周边的温度场信息。
拉曼光谱检测装置8包括激光发射器、拉曼光谱光路、CCD型光谱仪、红外焦平面成像阵列及计算机处理系统，激光发射器作为拉曼光谱检测装置的激光光源，其发出的光束经入射光纤(NA：0.22，芯径105µm )到达耐高温光纤探头7，投射到杯式燃烧器的火焰边缘区域，激发产生拉曼散射光，拉曼散射式光被光纤探头收集后经接收光纤（NA：0.37，芯径600µm）被拉曼光谱检测装置8中的拉曼光谱光路接收，通过光纤输送到后续CCD型光谱仪和计算机处理系统，对收集到的拉曼散射光谱信号进行识别分析，进而获得火焰周边气态产物的组成及浓度信息。
另一方面拉曼光谱检测装置8中的红外焦平面成像阵列接收红外焦平面成像仪的温度数据并进行分析处理，由于火焰燃烧的不同区域温度存在差异，系统中通过红外焦平面成像测温的方式用以测量火焰整体温度来监测燃烧状态。
本发明实施例另一方面公开了一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试方法，该方法基于本实施例公开的气体拉曼光谱干粉灭火剂性能测试系统，包括以下步骤：
(1)系统校正建模，根据燃料种类选择特征标志性气体，配制浓度分布均匀的标准气体样品对激光拉曼光谱气体测试系统进行光谱标定，采用偏最小二乘法(Partial LeastSquare, PLS)对采集到的气体样本拉曼光谱图进行定量分析，依据Kennard-Stone算法将气体样本划分为校正集和测试集，获得最佳的回归模型，结合实际测量过程中谱峰信息以及拉曼光谱模型获得被测特征气体种类及浓度信息。特征气体包括二氧化碳、一氧化碳、氧气、焦油蒸汽、氮气，即本方法可以同时表征燃烧要素和灭火要素信息，以常见火灾燃烧的CO气体为例，采用N2作为平衡气，配制16份均匀浓度样本，浓度范围0.5%至10%，建模结果如图2所示，模型预测相关系数R2为0.997，预测均方根误差值RMSEP为0.13%。
(2)调整进气模块单位时间的通风量Q，设置干粉输送模块的给料速度，称量干粉灭火剂的重量损失M。计算可得到单位时间内干粉灭火剂浓度为C=M/Q。
(3)进行测量前，测定拉曼光谱背景信号。
(4)开启燃料输送通道，调节燃料流量，打开废气收集处理系统和进气模块，调节空气的流量为5L/min，点燃燃料使其预燃60s，待火焰燃烧状态到达稳定，开始使用光纤探头实时收集稳定燃烧时火焰周边的气体成分与浓度信息。
(5)开启干粉输送模块，由慢至快调节干粉的进粉速率，同时动态监测火焰周边的气体成分及浓度变化。当观察到火焰由稳定状态开始出现不断脉动时，记录激光拉曼光谱数据及其检测点的温度分布，通过温度分布监测燃烧状态。实验可重复多次，最终得到指定干粉灭火剂的临界灭火浓度时刻的气体拉曼光谱数据。从而可以根据光谱数据更加准确定量地分析干粉灭火剂与火焰的相互作用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试系统，其特征在于，包括：燃烧装置、光纤探头及拉曼光谱检测装置；
所述燃烧装置用于为干粉灭火剂提供稳定安全的燃烧环境，燃烧装置包括进气模块、干粉输送模块、燃料输送模块、耐高温玻璃外罩及杯式燃烧器；
所述光纤探头用于采集燃烧装置中产生的高温气体的拉曼散射光数据；
所述拉曼光谱检测装置用于为所述光纤探头提供激光光源并对采集到的拉曼散射光数据进行拉曼光谱分析，获取高温气体的成分信息及浓度信息。
2.根据权利要求1所述的干粉灭火剂性能测试系统，其特征在于，所述燃烧装置还包括废气收集处理系统。
3.根据权利要求1所述的干粉灭火剂性能测试系统，其特征在于，所述光纤探头外部设置有氮气保护套。
4.根据权利要求1所述的干粉灭火剂性能测试系统，其特征在于，所述拉曼光谱检测装置包括激光发射器、红外焦平面成像阵列、拉曼光谱光路、CCD型光谱仪及计算机处理系统。
5.一种基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试方法，其特征在于，所述方法包括：
根据燃料种类选择特征气体，并将所述特征气体作为标准气体进行光谱标定，构建拉曼光谱分析模型；
启动测试系统，当燃烧装置中的火焰燃烧状态到达稳定后利用光纤探头采集火焰周边高温气体的拉曼光谱数据，并根据拉曼光谱分析模型获取高温气体的成分信息及浓度信息。
6.根据权利要求5所述的基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试方法，其特征在于，所述特征气体包括二氧化碳、一氧化碳、氧气、焦油蒸汽、氮气。
7.根据权利要求5所述的基于气体拉曼光谱的干粉灭火剂性能测试方法，其特征在于，构建拉曼光谱分析模型具体包括采用偏最小二乘法对标准气体样本的拉曼光谱图进行定量分析，依据Kennard-Stone算法将标准气体样本划分为校正集和测试集，获取拉曼光谱分析模型。
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