CN113990025A - 基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，旨在以解决当前难以在可见烟气段或剧烈明火之前进行精准的前瞻性探测的技术难题。本发明通过检测可燃物质热逃逸微小颗粒物在单位空间的浓度获知火灾发展的程度；通过监测物质热逃逸微小颗粒物离开物体表面的速度可以获知距离产生明火还有多长时间；通过监测物质热逃逸微小颗粒物的浓度和逃逸速度对火灾提前做出早期预警或报警。

Description

基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法

技术领域

本发明涉及消防减灾技术领域，具体涉及一种基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法。

背景技术

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。随着社会的不断发展，在社会财富日益增多及人员群体性增强的同时，导致发生火灾的危险性也在增多， 火灾的危害性也越来越大。

目前火灾预警和报警的常用方法是安装设置烟感探头、红外成像测温仪等方式，此类的探测方法都是基于火灾事实上已经实际发生时才能发挥作用，其能够赢得的预警时间极为有限，因而往往也难以做到及时有效的处理，常常无法避免人员及财产的极大损失。

一般而言，火灾自然发展的历程可分为：不可见预热段、可见烟气段、剧烈明火段、自然熄灭段。而能够及时探知、确定火灾发展的阶段，以采取有针对性的应对措施是人们所期望的，尤其是在火灾可见烟气及明火之前进行有效的前瞻性探测和预警，以赢得更早期的宝贵处理时机，从而将火灾事故消灭于萌芽状态，是人们长期以来渴望解决而又一直未能有效解决的业界难题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，以解决当前难以在可见烟气段或剧烈明火之前进行精准的前瞻性探测、预警的技术难题。

本发明之技术原理说明如下：

物质受热会发生微小颗粒物逃逸现象，对于无机物而言，会发生物体表面离子、分子或分子团的逃逸现象；对于有机物而言，除了表面分子或分子团等逃逸外，还会发生热裂解现象，而裂解会产生大的、小的分子链、新的氧化物或其它新的物质成分。研究表明，从物质界面逃逸出的此类微小颗粒物质的粒径介于0.1nm～1um之间，其质量也极小，可将上述逃逸的物质成分称之为热逃逸微小颗粒物。

同样的，可燃物受热后微小颗粒物会从表面逃逸出来，温度越高，热逃逸微小颗粒物的数量就会越大，其逃逸速度也会越高。可燃物表面热逃逸微小颗粒物的数量和逃逸速度的逐渐变大的过程反映了可燃物温度的升高过程。在火灾起初的不可见预燃段物质温度逐渐升高，表面微小颗粒物逃逸现象也会逐渐加剧，温度越高，热逃逸微小颗粒物的数量和速度会随之变大；随着温度的持续升高，超过临界点后，可燃物质进入强氧化状态，也即可见烟气段，热逃逸微小颗粒物数量会急剧上升，逃逸速度更快；随着火灾接近明火段，可燃物会产生极其巨量的热逃逸微小颗粒物；待可燃物质烧尽后，降温进入自然熄灭段，热逃逸微小颗粒物自然消弭。热逃逸微小颗粒物的数量和逃逸速度反应了其升温过程，也间接反映了火灾发展的阶段和程度。基于此，可以通过检测热逃逸微小颗粒物在单位空间的浓度获知火灾发展的程度；通过监测热逃逸微小颗粒物离开物体表面的速度可以获知距离产生明火时间的长短；通过监测热逃逸微小颗粒物的浓度和逃逸速度则可对火灾提前做出预警或报警。

其具体技术方案如下：

设计一种基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，包括如下步骤：

（1）定时或持续采集监测目标区域/空间内的空气样品；

（2）测量空气样品中所含热逃逸微小颗粒物的浓度或/和逃逸速度，换算得到监测目标区域/空间的热逃逸微小颗粒物浓度或/和逃逸速度；

（3）当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度或/和逃逸速度达到或超出对应的火灾指标阈值时，则判断存在火灾隐患。

在所述步骤（2）中，测量空气样品中热逃逸微小颗粒物浓度的方法如下：

先使空气样品中的热逃逸微小颗粒物通过过饱和蒸气，进行相变以增大其粒径，再以空气微小颗粒物计数器测定单位体积内的热逃逸微小颗粒物数量，即可得到空气样品中热逃逸微小颗粒物的浓度。

对于粒径大于1um的热逃逸微小颗粒物可基于激光散射原理以空气微小颗粒物计数器来测量其浓度，由于激光波长限制，在实际应用中尘埃粒子计数器对于粒径小于1um的测量显得无能为力。让粒径小于1um的热逃逸微小颗粒物通过过饱和蒸气，过饱和蒸气介质则会以热逃逸微小颗粒物为核凝结成微小液滴，单位体积里的液滴数量和热逃逸微小颗粒物数量相同，由于凝结介质的缘故其粒径要远远大于热逃逸微小颗粒物的粒径，其粒径会在10um以上，甚至会达到100um，实现了相变放大，达到了易于观测、测量的程度。粒径变大的程度与过饱和蒸气的温度、压强、温度变化速度和压强变化速度有关，通过调节这些参数即可使热逃逸微小颗粒物粒径放大至需要的程度。

在所述步骤（2）中，连续测量的热逃逸微小颗粒物浓度的在单位时间里的累计量就是热逃逸微小颗粒物的逃逸速度，其值的大小反映了逃逸出物体表面微小颗粒物的程度；在物体受热情况下，其值越大，则表明物体发生明火燃烧点越近。

在所述步骤（2）中，所述微小颗粒物计数器为激光空气微小颗粒物计数器或类似于其原理的微小颗粒物计数器。粒径变大的热逃逸微小颗粒物通过特定波长的激光通路，会对激光形成散射和遮挡，如果热逃逸微小颗粒物数量越大，粒径越大，则光路衰减越强烈，反之亦然。

在所述步骤（3）中，当判断存在火灾隐患时，则基于热逃逸微小颗粒物的浓度或/和逃逸速度与其正常环境下的背景值相比较，进一步判断火灾发展的阶段，以及判断不可见预燃段燃烧物体的温度、从不可见预燃段至可见烟气段的发展程度或/和距离产生明火的时长。

在所述步骤（3）中，当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的3～5倍时，表明监测目标区域/空间内的可燃物处于受热分解过程；当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的5～10倍时，则表明监测目标区域/空间内可燃物处于不可见预燃段；当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的10倍以上时，则表明监测目标区域/空间内可燃物处于强氧化分解过程、以及剧烈燃烧过程。在一个无火灾隐患的稳定环境，采用探测设备获得的热逃逸微小颗粒物浓度和逃逸速度是一个相对稳定的值，而且很小，探测设备应以此作为背景值。

物体受热，开始出现受热逃逸的微小颗粒物，随着温度升高，其浓度会持续加大，且逃逸速度也会变大。热逃逸微小颗粒物受热后会像火山喷发一样从物体表面喷射出来，由于粒径很小，物体表面质量极轻微析出物就会产生极大数量的热逃逸微小颗粒物，相对于先前环境中的微小颗粒物背景值，浓度是背景值的成千上万倍。

大量的实验表明，在一个正常稳定的环境空间内，探测测量得到的热逃逸微小颗粒物浓度的变化量不会超过背景值的2倍，当有3倍以上的热逃逸微小颗粒物时，说明环境中已经发生了物体受热分解的情况。当接近明火起火点时，其浓度往往是背景值的10倍以上。

以被测环境中正常情况下的微小颗粒物浓度为背景值，当测量热逃逸微小颗粒物浓度达到背景值的3倍以上时说明有物体出现受热分解过程，当浓度大于5倍以上时，就有发生潜在明火的可能。当浓度大于10倍以上时，物体接近强氧化分解过程，说明距离剧烈燃烧过程已经很近。

不同可燃物从出现热逃逸微小颗粒物浓度变化到出现明火燃点时间长短差异很大，而且也会受环境的影响。

比如棉花，在温度缓慢上升的情况下，从出现热逃逸微小颗粒物浓度变大现象开始达到10倍以上浓度的时间会比温度快速上升的情况下时间长出很多。在阴燃情况，热逃逸微小颗粒物浓度有可能会持续维持在背景值的3～5倍左右很长时间，如果棉花受热温度快速上升，从出现热逃逸微小颗粒物浓度变化开始到10倍于背景值的浓度以上的不会超过5秒。

比如木材，木材的预燃过程较为缓慢，受湿度、热温度、散热环境等的影响，从出现热逃逸微小颗粒物浓度变大开始，到10倍于背景值浓度以上的情况时间会比较长，且浓度值的增长也会比较缓慢。

比如电缆，在超出额度负载电流时，绝缘就会出现分解逃逸现象，电流超出额定值越大，热逃逸微小颗粒物的浓度上升越快，而且会很快超过背景值10倍以上。

在本发明中，以背景值的3倍、5倍、和10倍作为判断火灾发展程度的阈值是基于本发明人长期研究的一般经验值，并不能代表所有的材料、所有的环境。在实际工程实施过程，探测设备在安装后，需要根据现场的情况，以及对应的验证试验，来进一步的调整上述阈值参数，以期达到良好的探测预警效果。例如，可基于热逃逸微小颗粒物的浓度或逃逸速度，结合相应（如目标环境、可燃物材质等）的试验数据（或数据库等），可以建立精确的火灾预警模型，引入机器学习，以实现更加精准、快速的火灾预警、预报。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

1. 本发明可及时有效探知、确定火灾的初期发展阶段，尤其是可在火灾可见烟气及明火发生之前段进行有效的早期探测和预警，以赢得更早期的宝贵处理时机，从而将火灾事故消灭于萌芽状态，防患于未然，以避免造人员伤亡及财产损失。

2. 本发明探测方法准确可靠，适用于多种场合的火灾早期探测预警，如候车厅、地铁、生产车间、配电室、办公场所，以及集体宿舍、图书馆、文物藏馆等。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的检测、测量及试验方法等，如无特别说明，均为常规方法。

实施例1：基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法

（1）定时或持续采集监测目标区域内的空气样品；

（2）按如下方法测量空气样品中所含热逃逸微小颗粒物的浓度和逃逸速度，并换算得到监测目标区域的热逃逸微小颗粒物浓度或/和逃逸速度：

先使空气样品中的热逃逸微小颗粒物通过过饱和水蒸气，进行相变以增大其粒径，再以激光空气微小颗粒物计数器测定单位体积内的热逃逸微小颗粒物数量，得到空气样品中热逃逸微小颗粒物的浓度；连续测量的热逃逸微小颗粒物浓度的在单位时间里的累计量就是热逃逸微小颗粒物的逃逸速度，其值的大小反映了逃逸出物体表面微小颗粒物的程度；在物体受热情况下，其值越大，则表明物体距离发生明火燃烧点越近；

（3）当监测目标区域内的热逃逸微小颗粒物浓度和逃逸速度达到或超出对应的火灾指标阈值时，则判断存在火灾隐患。

当判断存在火灾隐患时，还可基于热逃逸微小颗粒物的浓度或逃逸速度与其正常环境下的背景值（在一个无火灾隐患的稳定环境，采用微小颗粒物计数器测定的热逃逸微小颗粒物浓度和逃逸速度是一个相对稳定的值，即为背景值）相比较，进一步判断火灾发展的阶段，或判断不可见预燃段燃烧物体的温度、从不可见预燃段至可见烟气段的发展程度或/和距离产生明火的时长：

当监测目标区域内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的3～5倍时，表明监测目标区域内的可燃物处于受热分解过程；

当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的5～10倍时，则表明监测目标区域/空间内可燃物处于不可见预燃段；

当监测目标区域内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的10倍以上时，则表明监测目标区域/空间内可燃物处于强氧化分解过程、以及剧烈燃烧过程。

基于热逃逸微小颗粒物的浓度或逃逸速度，结合相应（如目标环境、可燃物材质等）的试验数据（或数据库等），可以建立精确的火灾预警模型，再结合机器学习算法等，以实现更加精准、快速的火灾预警、预报。

实施例2：棉花阴燃的超前预警验证

棉花由于其自身特性，容易发生阴燃，棉花过火速度极快，也很容易从阴燃演变为剧烈燃烧，甚至爆炸。稳定存储的棉花对存储环境的湿度和通风都有要求。

在河南某棉花仓库存储区域内做好安全防护措施的情况下实施验证，采用实施例1中所述的方法测得的其稳定环境下的背景微小颗粒物数基本上在10万个/cm³以下；加热棉花样品，使其出现棉花阴燃时，实时监测表明热逃逸微小颗粒物的数量很快就会上升到70万个/cm³以上；接近明火燃烧的极少量棉花就会逃逸出500万个/cm³以上的数量。并以此初步建立了火灾预警、预报系统，目前该系统运行正常、效果良好，自运行以来，基于其早期预警，有效消除了两次以上的安全隐患。其中一次有效预报了棉花在抱车搬送过程由于棉包拖地摩擦而引起的阴燃事故；另有一次有效预报了临近库区的油动力叉车排烟管粘连棉花而引起的阴燃事故。

实施例3：电缆起火的超前预警应用

电缆从绝缘开始分解于绝缘层材质、通过电流的大小、散热条件、累计发热时间有关。

为验证效果在某电器实验室做好安全防护措施的情况下实施验证，在额定电流以下工作的电缆，采用实施例1中所述的方法测得的其稳定运行环境下的背景微小颗粒物数基本上≤3万个/cm³；在25℃环境温度下，以1.5mm²单芯国标电缆，使其电流过载1.2倍时，实时监测其热逃逸微小颗粒物的数量会达到50万个/cm³以上；当电流过载1.5倍时，电缆线套变软，但未起火，热逃逸微小颗粒物的数量会达到200万个/cm³以上。当电流进一步加大，且电缆绝缘开始变黑时，热逃逸微小颗粒物的数量会达到1000万个/cm³以上的水平。并以此初步建立了火灾预警、预报系统，目前该系统运行正常、效果良好，自运行以来，出现了多次早期预警，并基于早期预警有针对性的采取了应对措施，消除了火灾安全隐患。

实施例4：木屑碳化实验验证

干燥木屑燃点为430℃左右，随着木屑材质的不同、颗粒大小的差异，燃点不同。

将干燥木屑放置于电热盘上，未加热，在25℃环境温度下，采用实施例1中所述的方法测得的其稳定运行环境下的背景微小颗粒物数基本上≤3万个/cm³；加电烘烤，当温度上升至160℃时，木屑出现氧化分解现象，实时监测其热逃逸微小颗粒物的数量会达到70万个/cm³以上；当温度至200℃时，底层木屑明显碳化，但未起火，热逃逸微小颗粒物的数量350万个/cm³以上。当一步加温至400℃时，热逃逸微小颗粒物的数量达到800万个/cm³以上水平。当温度达到425℃时，木屑开始燃烧，热逃逸微小颗粒物的数量超过1000万个/cm³以上。以上述实验数据建立了木材火灾预警、预报系统，并将该系统安装于板材成品仓库，目前该系统运行正常、效果良好。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关步骤、方法进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (6)

1.一种基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）定时或持续采集监测目标区域/空间内的空气样品；

（2）测量空气样品中所含热逃逸微小颗粒物的浓度或/和逃逸速度，换算得到监测目标区域/空间的热逃逸微小颗粒物浓度或/和逃逸速度；

（3）当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度或/和逃逸速度达到或超出对应的火灾指标阈值时，则判断存在火灾隐患。

2.根据权利要求1所述的基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，其特征在于， 在所述步骤（2）中，测量空气样品中热逃逸微小颗粒物浓度的方法如下：

先使空气样品中的热逃逸微小颗粒物通过过饱和蒸气，进行相变以增大其粒径，再以微小颗粒物计数器测定单位体积内的热逃逸微小颗粒物数量，即可得到空气样品中热逃逸微小颗粒物的浓度。

3.根据权利要求2所述的基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，其特征在于， 在所述步骤（2）中，连续测量的热逃逸微小颗粒物浓度的在单位时间里的累计量就是热逃逸微小颗粒物的逃逸速度。

4.根据权利要求2所述的基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，其特征在于， 在所述步骤（2）中，所述微小颗粒物计数器为激光空气微小颗粒物计数器或PCS纳米激光空气微小颗粒物计数器。

5.根据权利要求1所述的基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，其特征在于， 在所述步骤（3）中，当判断存在火灾隐患时，则基于热逃逸微小颗粒物的浓度或/和逃逸速度与其正常环境下的背景值相比较，进一步判断火灾发展的阶段，以及判断不可见预燃段燃烧物体的温度、从不可见预燃段至可见烟气段的发展程度或/和距离产生明火的时长。

6.根据权利要求1所述的基于微小颗粒物受热逃逸的火灾探测方法，其特征在于， 在所述步骤（3）中，

当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的3～5倍时，表明监测目标区域/空间内的可燃物处于受热分解过程；

当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的5＜～10倍时，则表明监测目标区域/空间内可燃物处于不可见预燃段；

当监测目标区域/空间内的热逃逸微小颗粒物浓度为其正常稳定环境下背景值的10倍以上时，则表明监测目标区域/空间内可燃物处于强氧化分解过程、以及剧烈燃烧过程。