CN1596370A - 用于测量一封闭的目标空间中氧气含量的方法和装置 - Google Patents

用于测量一封闭的目标空间中氧气含量的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用来测量一封闭目标空间(10)中的氧气含量，特别是用来监控用来防火和/或灭火的惰性气体装置(15)中的惰性化水平的方法，以及一种实施这种方法的装置。目的在于提供一种测量目标空间(10)内的氧气含量的、可以在尽可能低的仪器配置和信号处理方面的费用的条件下高效、可靠和有代表性地确定氧气浓度的方法，本方法设想，从目标空间(10)中提取空气试样，并确定空气试样的氧气浓度。为了实施本方法本装置配备一用来通过不同抽吸口(2)从所监测的目标空间(10)中抽吸空气试样的抽吸管道系统(1)。

Description

用于测量一封闭的目标空间中氧气含量的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用来测量一封闭目标空间内的氧气含量，特别是用来监测一用于防燃和/或灭火的惰性气体装置的惰性化水平的方法，以及用来实施这种方法的装置。
背景技术
在其设备对水的影响反应敏感的封闭空间，例如电子数据处理区，电气控制室和配电室或贵重物品储藏区，越来越多地采用所谓的惰性化方法，以减少风险和灭火。用这种方法产生的灭火效果基于氧气置换原理。众所周知正常的大气由21％体积百分比的氧气、78％体积百分比的氮气和1％的其它气体组成。为了消除和避免燃烧通过引入置换氧气的惰性气体如纯氮来提高有关房间内的惰性气体浓度和减少氧气含量。如果氧气含量低于15-18％体积百分比，那么许多物质不再燃烧。根据在有关房间内存在的可燃性物质的不同可能要求氧气含量进一步降低到例如12％体积百分比。
由专利资料DE 198 11 851 C2已知一种惰性化方法，它在尽可能小的惰性气体瓶储藏容量的情况下可以有效地灭火。用这种方法时封闭目标空间内的氧气含量减小到例如16％体积百分比的基本惰性化水平。然后在失火时非常迅速地完全惰性化到例如12％体积百分比或更低。
用来实施所述惰性化方法的用以防火和/或灭火的惰性气体装置首先具有以下构件：一用来测量在所监测的目标空间内的氧气含量的氧气测量装置；一用来检测在目标空间的室内空气中的燃烧特征值的燃烧识别装置；一用于处理氧气测量装置和燃烧特征值检测器的数据和用于惰性化方法的过程控制的控制装置；和一用来产生和突然将惰性气体导入目标空间内的设备。
燃烧特征值的概念理解为这样的物理量，它在产生燃烧的环境内经历可以测量的变化，例如环境温度、在环境空气内的固体、液体或气体成分(形成颗粒或气溶胶或蒸汽形式的烟雾)或环境辐射。
氧气测量装置用来调整在目标空间内的基本惰性化水平。如果氧气浓度超过一阈值—例如由于目标空间内的泄漏—控制装置便向一专门的设备发出一指令，给房间内输入惰性气体，从而降低氧气成分。如果重新达到基本惰性化水平的阈值，那么氧气测量装置便发出一信号。这里基本惰性化水平的位置取决于房间的特性。
但是如果通过燃烧特征值检测器判断出一燃烧特征值，那么设备便得到一个指令，给房间通入惰性气体，直至目标空间内的氧气浓度降低到一规定的完全惰性的水平。
对于这种方法的可靠控制在这种用来防火和/或灭火的惰性气体装置中测量目标空间内的氧气含量是一个重点。在现有技术中为了测量目标空间内的氧气浓度采用点式氧气传感器，它将氧气含量的测量值以模拟信号的形式传送给控制装置。4-20mA的电(流)接口是非常加宽的，其中4mA相当于0％体积百分比的氧气浓度，20mA相当于测量范围的终点(例如25％体积百分比的氧气)。采用点式氧气传感器有这样的缺点，即在目标空间内需要很多这样的传感器，才能得到关于室内空气氧气含量的有代表性的结论。这需要在分布在目标空间内的各个传感器和本身的控制装置之间相当复杂的布线。
此外控制装置需要相当大数量的模拟接口。这特别是带来高的和昂贵的硬件费用。
但是已经证明，控制装置必须连续地处理大量信号也是很大的缺点。特别是这里建立平均值、估算误差和与预先调整的阈值的比较是必要的程序，它们对于控制惰性化方法是必不可少的。仅仅通过处理氧气传感器的数据便可以控制用于向目标空间内引入惰性气体的设备、新鲜空气输入装置或用于使空气循环流动的风扇。因此在控制装置内的信号处理非常复杂，这造成软件的高度复杂性。
发明内容
基于所提出的问题本发明的目的是，提供一种用来测量一个目标空间内的氧气含量的方法，它可以在尽可能低的仪器装备和信号处理费用的情况下高效、可靠和有代表性地确定氧气浓度。
这个目的在一种开头所述类型的用来测量氧气含量的具有以下步骤的方法中实现：首先通过一抽吸管道系统的一系列抽吸口从目标空间中提取空气试样，以便接着用氧气传感器确定吸取的空气试样的氧气浓度。
按本发明的方案与由惰性气体灭火技术已知的和在上面提到过的用来测量一目标空间内的氧气含量的方法相比有一系列显著的优点。通过经抽吸管道系统的抽吸口的抽吸混合来自不同抽吸口的空气试样。因此抽吸的空气试样的氧气浓度自动地相当于目标空间内氧气浓度的平均值，从而取消了在控制装置内信号处理时复杂的求平均值。用来处理和判定测量值的软件得到相应地比较简单的结构。其次用按本发明的方法监测和测量的体积大大大于在已知方式的点式设置的氧气传感器情况下的体积。这特别是在采购、安装和维持用来测量目标空间内的氧气含量的装置，和最终整个用来防火和/或灭火的惰性气体装置方面带来特别是成本方面的优点。
其次上述目的通过用来实施这种方法的装置来实现，该装置首先具有至少一个用来通过不同抽吸口从所监测的目标空间内抽吸空气试样的抽吸管道系统。
按本发明的装置以理想的方式实现按本发明的方法与一氧气测量装置的结合。这里优点特别是，可以放弃在目标空间内采用许多点式的氧气传感器。取而代之设置至少一个用来通过不同抽吸口从所监测的目标空间中抽吸空气试样的抽吸管道系统。从而取消了迄今为止点式氧气传感器与控制装置的复杂的接线。因为在控制装置中只需提供一个用于氧气测量装置的模拟接口，它可以用少的硬件投入实现。此外在控制装置内的信号处理明显简化，因为不再需要处理各个氧气传感器的大量信号。因此用于信号处理的软件也可以相应地设计得简单。从而通过按本发明的方案可以，用少的在仪器装置和信号处理方面的费用测量氧气含量。这在整套惰性气体装置的购置和维护方面带来特别的成本方面的优点。
本方法优良的改进方案在从属权利要求2至9中给出，装置的改进在权利要求11至15中给出。
氧气测量法最好包含以下另外两个步骤，它们在第2个步骤—用氧气传感器/探测器确定抽吸的空气试样的氧气浓度—以后进行：按照这种改进方案首先将抽吸的空气试样在氧气传感器内的氧气浓度测量值与调整的阈值比较，接着在超过调整的阈值时通过向目标空间输入惰性气体降低氧气浓度。从而通过连续地测量氧气含量使惰性化方法与目标空间可能的泄漏相适应。这种改进方案的优点特别在于，在按本发明的氧气测量法中存在一定的固有“智能”，因为此方法自动进行与规定的阈值的比较。只有在超过阈值时才将它通知中央控制装置。从而不仅明显减少用来实施按本发明的氧气测量法的装置和用来防火和/或灭火的惰性气体装置的控制装置之间的数据往来，而且也显著减少控制装置内的信号处理。通过这种所谓的“分布智能”可以在控制装置和连接在它上面的氧气传感器之间分配信号处理(工作)。这使得可以显著降低软件费用和特别是用于防火和/或灭火的惰性气体装置的控制装置的购置价格和维护费用。
用于燃烧特征值的一检测器最好结合在用来实施测量目标空间内氧气含量的按本发明的方法德装置内，该检测器在失火时发出完全惰性化的信号。这种改进方案是已知的吸气式燃烧识别装置和惰性气体灭火技术结合的工艺转化。这里吸气式燃烧识别装置理解为这样的燃烧识别装置，它通过一抽吸管道系统，管道系统或通道系统在许多部位主动抽吸室内空气有代表性的分量，然后将这些分量输入一用来测量燃烧特征值的检测器。这里通过将用于燃烧特征值的检测器内置在用来实施本发明的方法的装置中使得除了氧气测量装置外还设一吸气式燃烧识别装置。优点是，为了这种吸气式燃烧识别装置的转化可以采用已经存在的部件。这使得可以，不花费额外的费用给目标空间配备吸气式燃烧识别装置，并改进燃烧识别。
在本发明方案的一种特别优良的实施形式中设想，在检测器中判断的燃烧特征值是颗粒、气溶胶或蒸汽和至少一种燃烧气体形式的烟气。由此达到，配备本发明的氧气测量装置的燃烧识别装置对于对燃烧是已知的典型的特征值特别灵敏地作出反应，因此燃烧尤其是在刚形成时便已经可以识别，并给用来防火和/或灭火的惰性气体装置报警。
本发明的氧气测量装置一种可能的实现方法是，在检测器内判断的燃烧气体是CO或CO2，这种实施形式的优点特别在于，燃烧识别装置对燃烧特征值特别敏感，并由此能够，例如区别实际燃烧和香烟烟气等烟气形的但不表示燃烧的值。但是当然这里也能考虑其它实施形式。
在一种优良的实施形式中将通过一种CO或CO2传感器对空气质量的测量统一在本方法中，其中根据CO或CO2传感器的信号控制目标空间新鲜空气的输入。这里上面结合氧气传感器已经讨论过的优点也起作用。在这种优良的改进方案中特别是不需要采用许多分布在目标空间内的点式测量的CO或CO2传感器，从而在处理信号的控制装置内也不必花费相当高的软硬件费用。
在按本发明的实施形式中特别优先包含一个工步，在该工步中借助于一基准氧气传感器确定在抽吸的空气试样中的氧气浓度。这特别是独立于前面提到的氧气传感器的测量进行。这里基准氧气传感器长期设置在抽吸的空气试样的气流中。这里例如可以设想，基准氧气传感器位于氧气传感器近旁。接着借助于基准氧气传感器测出的氧气浓度测量值与同一时间用氧气传感器在气流中所测出的氧气浓度测量值比较。这时设想，如果在比较两个测量值时表明，借助于氧气传感器测出的氧气浓度值与借助于基准氧气传感器测出的氧气浓度值的偏差超过事先规定的允差值，那么便发出一故障信号。这里可以设想，测量值的比较或故障信号的发出在氧气传感器内或由氧气传感器进行，或者在基准氧气传感器内或由基准氧气传感器内进行。但是当然这里也可以考虑其它方案。
其次在上述本发明的实施形式的一种特别优良的改进方案中设想，基准氧气传感器—与氧气传感器不同—通常在正常情况下是关掉的。这里基准氧气传感器只是按规则的时间间隔，例如每天或每周接通一次。在接通以后等待一最小加热时间，直至可以确定气流内的氧气浓度为止。这里接通过程可以通过一例如由一定时器产生的信号进行。与此相反也可以设想，接通通过按键(开关)压力例如在维护时进行。由于基准氧气传感器只是短时间接通，可以用特别简单和容易实现的方法防止基准氧气传感器的过早老化。
特别优选地采用在比较两个测量值时显示借助于氧气传感器测出的氧气浓度值与借助于基准氧气传感器测出的氧气浓度值的偏差超过事先规定的允差值时所发出的故障信号，以促使基准氧气传感器保持持续的接通，从而连续地提供抽吸的空气试样的氧气浓度测量值。然后处理这些测量值而不是氧气传感器的测量值。从而可以达到，可以排除特别是由于通常连续工作的氧气传感器的老化引起的测量不可靠性。
作为本发明装置优良的改进结构设想，通过一控制装置进行目标空间内惰性化水平的调整和新鲜空气输入或一风扇的控制，其次这里设置至少一个用来测量从目标空间中提取的空气试样中的氧气浓度的氧气传感器和至少一个用来识别在由一个抽吸管道系统从目标空间中吸取的空气试样中的燃烧特征值的检测器。这里涉及到按本发明的装置的一种特别容易实现的实施形式，在这种装置中在用于防火和/或灭火的惰性气体装置中所用的测量元件有利地仅仅用来分析从目标空间中吸取的空气试样。
特别优先设置至少一个用来测量由一个抽吸管道系统从目标空间内提取的空气试样的空气质量的CO或CO2传感器。由此按本发明的方案可以这样地改进，即也可以借助于按本发明的用来防火和/或灭火的惰性气体装置监测空气质量。
尤其是在一个抽吸管道系统内氧气传感器与一用来识别燃烧特征值的检测器和或者说或一CO或CO2传感器结合成一体。由此可以有利地减少在用来防火和/或灭火的惰性气体装置中使用的元件的数量。这特别是在用于防火和/或灭火的惰性气体装置的采购、安装和维护中带来进一步的成本上的优点。
一种可能实现方法是，采用由二氧化锆组成的电化学单元作为氧气传感器。以二氧化锆为基的氧气传感器特别是在汽车技术中是已知的，并在那里用在催化器中，以测量废气中的氧气含量。这种传感器被看作是可靠、灵敏、牢固和不需维护的构件。通过在本发明的装置中采用标准元件本发明的转化可特别经济地进行。
在本发明装置的一种改进结构中特别优选地设想，除氧气传感器外还采用一基准氧气传感器，以测量从目标空间中提取的空气试样的氧气浓度。它用作氧气传感器的基准/参照并始终放在气流中，但是通常该基准传感器是关闭的。由此避免基准氧气传感器的老化。此传感器按规则的时间间隔(例如每天或每周一次)接通，使基准传感器接通的信号例如由一定时器产生。也可以由按键压力例如在维护时产生。在接通基准氧气传感器后等待一最小加热时间。然后氧气传感器和基准传感器的两个测量值进行比较。如果两个测量值之间的差大于规定的阈值，那么便发出故障警报，并且基准氧气传感器不再关掉。其测量值代替老化的氧气传感器而被进行处理。
附图说明
下面借助于附图较详细地说明按本发明的用于测量封闭目标空间内的氧气含量以监测在一用于防火和/或灭火的惰气体装置中的惰性化水平的装置的优选实施例。
附图表示
图1按本发明的用来在一用于防火和/或灭火的惰性气体装置中测量氧气含量的装置的实施例的示意方框图；
图2按本发明的用来测量封闭目标空间内的氧气含量的装置的示意图。
具体实施方式
图1表示按本发明的用来在用于防火和/或灭火的惰性气体装置6中测量氧气含量的装置的一个实施例的示意方框图。用于防火和/或灭火的惰性气体装置6用于封闭目标空间10的防火和/或灭火。在目标空间10内设有两个用来通过不同抽吸口2抽吸空气试样的抽吸管道系统1。抽吸管道系统1分别配备一抽吸传感器8，在该传感器内来自目标空间10的空气试样被输送给氧气传感器3和一用来识别燃烧特征值的检测器4或一个CO或CO2传感器5。在图1中所示的实施形式中表示两个抽吸管道系统1，其中一个管道系统1安装在目标空间10屋顶之下，在某些情况下离屋顶的距离达1米，另一个管道系统最好安装在呼吸高度上，亦即离地面约1.5米处。
氧气传感器3a确定各空气试样的氧气浓度，并将测量值与调整好的阈值相比较。在超过调整的阈值时氧气传感器3a通过控制装置7的数据线发出警报，该警报促使惰性气体输入目标空间10并降低氧气浓度。为此控制装置7给产生和输入惰性气体的设备6发出信号，使目标空间10惰性化。
由于通过吸气式抽吸装置连续地从目标空间10中提取空气试样，在氧气传感器3a中连续地测量室内空气的氧气含量。一旦在氧气传感器3a中的连续抽吸的空气试样的氧气浓度的测量值与调整的阈值一致，控制装置7便得到一相应的警报，它促使建立进一步惰性化。
在图1中所示的实施形式中在用来识别燃烧特征值的检测器4中除颗粒、气溶胶或蒸汽形式的烟气外还判断至少一种燃烧气体，如CO或CO2。通过采用至少两个不同的可以相互独立地判断目标空间10内的燃烧的燃烧特征值，可以实现用于防火和/或灭火的惰性气体装置6最佳的冗余度和相应的故障安全性。从而特别是还达到，使检测器4能够区别实际的燃烧和香烟烟气等烟气状的但不代表燃烧的值。
在按图1的另一个抽吸管道系统1内，在抽吸传感器内内置一个CO或CO2传感器5和一用来识别燃烧特征值的检测器4。CO或CO2传感器5通过确定经抽吸管道系统提取的空气试样的CO或CO2含量来监测目标空间10的空气质量。如果目标空间10的空气质量不再能相应于预期的标准，那么传感器5便通知控制中心7，控制中心控制一用于使空气循环流动的风扇9或一个新鲜空气输入装置11。如果接着测出空气质量得到充分改善，那么风扇9或新鲜空气输入装置11便重新关闭。
其次在抽吸传感器8内可以内置多个不同的传感器，例如CO或CO2传感器5与用来识别燃烧特征值的检测器4相组合，或者一氧气传感器3a与一上面所述的其它传感器4或5的组合。
在本发明装置一种可能的实施形式中除了氧气传感器3a外还采用一个用来测量从目标空间10中提取的空气试样的氧气浓度的基准氧气传感器3b。它用作氧气传感器3a的参照，并始终放在气流中，但是它通常是关闭的。由此避免基准氧气传感器3b的老化。传感器3b按规则的时间间隔(例如每天或每周一次)接通。接通基准氧气传感器3b的信号例如由一定时器产生。也可以用按键压力例如在维护时产生。在接通基准氧气传感器3b后等待一最小加热时间。然后比较氧气传感器3a和基准传感器3b的两个测量值。如果两个测量值之差大于一规定的阈值，那么便发出故障警报，并且基准氧气传感器3b不再关闭。其测量值替代老化的氧气传感器3a而被进行处理。
图2表示按本发明的用来测量一封闭目标空间10内的氧气含量的装置的示意图。在所示实施形式中抽吸管道系统1借助于管夹12安装在目标空间10的屋顶下。由抽吸管道系统1内的抽吸口2从目标空间10中抽吸空气。为此采用一内置在抽吸传感器8内的抽吸单元13。通过一尤其是装在抽吸管道系统1末端的气流传感器14监控抽吸单元13和抽吸管道系统1。
在抽吸的空气试样经过气流传感器14以后，它环绕氧气传感器3a流动。氧气传感器3a测量空气试样的氧气浓度，它代表目标空间10内空气的氧气浓度平均值。测量值在氧气传感器3a内与阈值比较。在超过阈值时目标空间10的室内空气中的氧气含量对于可靠地防火来说过高。在出现“超过第一阈值”的信号时，控制装置7控制一装置，使它产生惰性气体并输入目标空间10内(发生器)。
如果氧气含量继续升高，这便是发生器有故障的标志，因为它没有向空间10输入惰性气体。在出现“超过第二阈值”的信号时控制装置7发出“故障”警报。
在低于阈值时不触发完全惰性化。在出现“低于第一阈值”信号时控制装置7关闭发生器，因为已经达到希望的氧气含量。
如果氧气含量继续下降，这是发生器故障的标志，因为它不再停止向目标空间10输送惰性气体。在出现“低于第二阈值”信号时控制装置7发出“故障”警报。
如果氧气含量低于对于人类有危险的值，便采取人员保护措施。在出现“低于第三阈值”信号时控制装置7采取人员保护措施，例如房间的人员疏散或禁止进入。
代替氧气传感器3a也可以在抽吸传感器8内采用一CO或CO2传感器5和/或一用于识别燃烧特征值的检测器4。
应该指出，本发明的结构并不局限于在图1和2中所述的实施例，而是可以有各种各样的变型方案。
附图标记表
1               抽吸管道系统
2               抽吸口
3a              氧气传感器
3b              基准氧气传感器
4               检测器(用于识别燃烧特征值)
5              CO或CO2传感器
6               设备(用于产生和输入惰性气体)
7               控制装置
8               抽吸传感器
9               风扇
10              目标空间
11              新鲜空气输入装置
12              管夹
13              抽吸单元
14              气流传感器
15              用于防火和/或灭火的惰性气体装置

Claims (15)

1.用来测量一封闭目标空间(10)中氧气含量的方法，特别是用来监测用于防火和/或灭火的惰性气体装置(15)中的惰性化水平的方法，具有以下工步：
a)通过一抽吸管道系统(1)的一系列抽吸口(2)从目标空间(10)内提取空气试样；
b)用氧气传感器(3a，3b)确定抽吸的空气试样的氧气浓度。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征为在工步b)后面的以下附加工步：
c)抽吸的空气试样的氧气浓度测量值在氧气传感器(3a，3b)中与调整好的阈值比较；
d)在超过调整好的阈值时通过将惰性气体输入目标空间(10)降低氧气浓度。
3.按权利要求1或2所述的方法，
其特征为工步b)之前或之时的以下其它工步：
b1)在抽吸的空气试样中用一检测器(4)测量燃烧特征值；
b2)在识别出一燃烧特征值时检测器(4)发出一用于完全惰性化目标空间(10)的信号。
4.按权利要求3所述的方法，
其特征为：
在检测器(4)中判断的燃烧特征值是颗粒，气溶胶或蒸汽形式的烟气和至少一种燃烧气体。
5.按权利要求4所述的方法，
其特征为：
在检测器(4)内判断的燃烧气体是CO或CO2。
6.按上述权利要求之任一项所述的方法，
其特征为在工步a)后面的以下其它工步：
b3)在抽吸的空气试样中用一个CO和/或CO2传感器(5)监测空气质量；
b4)根据CO或CO2传感器(5)的测量值在目标空间(10)内控制输入新鲜空气。
7.按上述权利要求之任一项所述的方法，
其特征为在工步b)以后的以下工步：
b5)用一基准氧气传感器(3b)确定抽吸的空气试样中的氧气浓度；
b6)在工步b)中确定的在抽吸的空气试样中的氧气浓度测量值与基准氧气传感器(3b)的氧气浓度测量值比较；和
b7)在氧气传感器(3a)的氧气浓度测量值与基准氧气传感器(3b)的氧气浓度测量值的偏差超过时氧气传感器(3a)或基准氧气传感器(3b)发出一故障信号。
8.按权利要求7所述的方法，
其特征为：
用来确定抽吸的空气试样中的氧气浓度的基准氧气传感器(3b)按规则的时间间隔接通。
9.按权利要求7所述的方法，
其特征为在工步b7)以后的以下工步：
b8)基准氧气传感器(3b)在发出故障信号后连续地确定抽吸的空气试样中的氧气浓度，其中在工步c)中的氧气浓度测量值的后续处理根据通过基准氧气传感器(3b)而不是氧气传感器(3a)确定的测量值进行。
10.用来实施按权利要求1至9之任一项所述的方法的装置，特别是作为用于封闭房间(10)的防火和/或灭火的惰性气体装置的一部分，具有至少一个用来经过不同抽吸口(2)从所监控的目标空间(10)中抽吸空气试样的抽吸管道系统(1)。
11.按权利要求10的装置，
还具有一控制装置(5)，通过该装置进行目标空间(10)内的惰性化水平的调整和新鲜空气输入装置(11)或风扇(9)的控制，
其特征为：
至少一个用来测量从目标空间(10)中提取的空气试样中的氧气浓度的氧气传感器(3)和至少一个用来识别由抽吸管道系统(1)从目标空间(10)中吸取的空气试样中的燃烧特征值的检测器(4)。
12.按权利要求10或11所述的装置，
其特征为：
至少一个用来测量由一个抽吸管道系统(1)从目标空间(10)中吸取的空气试样中的空气质量的CO或CO2传感器(5)。
13.按权利要求10至12之任一项所述的装置，
其特征为：
至少一个氧气传感器(3a，3b)和/或至少一个检测器(4)和/或至少一个CO或CO2传感器(5)共同内置在一所述抽吸管道系统(1)中。
14.按权利要求10至13之任一项所述的装置，
其特征为：
采用由二氧化锆制成的电化学单元作为氧气传感器(3a，3b)。
15.按权利要求10至14之任一项所述的装置，
其特征为：
一用来测量从目标空间(10)中吸取的空气试样中的氧气浓度的、作为氧气传感器(3a)参照的基准氧气传感器(3b)。
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