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安全检测技术课件第5章_图文

安全检测技术课件第5章_图文

第5章?环境与灾害参数检测

第5章?环境与灾害参数检测
5.1 可燃性气体和有毒气体的检测 5.2 粉尘检测 5.3 噪声及其检测 5.4 泄漏检测 5.5 火灾参数检测与自动报警系统

第5章?环境与灾害参数检测

5.1可燃性气体和有毒气体的检测
5.1.1可燃性气体和有毒气体的性质

1.可燃性气体
可燃性气体的涉及面十分广泛,凡在空气中可以燃烧的 气体都属于可燃性气体,如日常生活中的城市煤气、液化石 油气、工业原料气(乙烯、丙烷)、煤矿中的甲烷等。在石 油化工生产中,有关规则规定:表5-1所示气体中的32种气 体以及爆炸下限含量在10%以下,或爆炸上限与爆炸下限含 量差大于20%的气体称为可燃性气体。表5-1所列的32种可 燃性气体均为最常见的可燃气体或可燃有毒气体,也是石化 生产环境有可能存在的?气体。

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表5-1常见的可燃性气体和有毒气体
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 归属 物质名称 可燃 有害 ? 乙炔 ? 乙醛 ? 乙烷 ? 乙胺 ? 乙苯 ? 乙烯 ? 氯乙烷 ? 氯乙烯 ? 环氧丙烷 ? 环丙烷 ? 二甲胺 ? 氢 ? ? 丁二烯 丁烷 化学式 HC? CH CH3CHO C2H6 C2H5NH2 C 6 H 5C 2 H 5 CH2=CH2 C2H5Cl CH2=CHCl CH2CHCH2O (CH3)2NH H2 CH2=CHCH= CH2 CH3(CH2)2CH3 爆炸极限/% LEL UEL 100 2.5 4.0 60 3.0 12.4 3.5 13.95 1.0 6.7 2.7 36 3.8 15.4 3.6 33 2.1 21.5 2.4 10.4 2.8 14.4 4.0 75 2.0 1.8 12 8.4 允许浓度 × 10-6 mg/m3

第5章?环境与灾害参数检测 表5-1常见的可燃性气体和有毒气体
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 丁烯 丙烷 丙烯 甲烷 二甲醚 丙烯腈 一氧化碳 丙烯醛 氨 一氯甲烷 氧乙烯 氰化氢 C 4H 8 CH3CH2CH3 CH3CH=CH2 CH4 CH3OCH3 CH2=CHCN CO CH2=CHCHO NH3 CH3Cl (CH2)2O HCN 9.7 2.1 2.4 5.0 3.4 3.0 12.5 2.8 15 7 3 6 9.5 11 15.0 27 17.0 74 31 28 17.4 100 41

? ? ? ? ? ? ?

20 50 0.1 25 100 50 10

2 30 0.3 30 — — 0.3

第5章?环境与灾害参数检测 表5-1常见的可燃性气体和有毒气体
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三甲基胺 二硫化碳 溴甲烷 苯 甲胺 硫化氢 二氧化硫 氯 二乙胺 氟 光气 氯丁二烯 (CH3)3N CS2 CH3Br C 6H 6 CH3NH2 H 2S SO2 Cl2 (C2H5)2NH F2 COCl2 C4H5Cl 2.0 1.3 10 1.3 4.9 4 — — 1.8 — — 4.0 12 50 15 7.9 20.7 4.4 5 — 10 — — 20 10 10 15 10 10 10 15 1 25 1 0.1 25 — 10 1 40 5 10 1 — 1 0.5 2

第5章?环境与灾害参数检测 对生产环境常见的可燃性气体进行安全监测时,以可燃 性气体浓度为检测对象,以可燃性气体的爆炸极限为标准来 确定测量与报警指标。可燃性气体或蒸汽与空气的混合物能 使火焰蔓延或爆炸的可燃性气体或蒸汽的最低浓度,称为该 气体或蒸汽的爆炸下限。同理,能使火焰蔓延的最高浓度称 为该气体或蒸汽的爆炸上限。爆炸极限浓度通常用可燃性气 体 的 体 积 分 数 表 示 , 爆 炸 下 限 用 LEL 表 示 , 即 LowerExplosiveLimit 的 缩 写 ; 爆 炸 上 限 用 UEL 表 示 , 即 UpperExplosiveLimit的缩写。有些可燃性气体测量报警仪表 以LEL(%)作测量单位,此即是以某种可燃性气体的爆炸 下限为满刻度(100%),例如丁烷的LEL=1.8%,若以 1.8%作为100%,则有1LEL%相当于0.018%丁烷。

第5章?环境与灾害参数检测 链烷烃类的爆炸下限可用下式估算:

LEL=0.55×C0

(5-1)

式中,C0为可燃性气体完全燃烧时的化学计量浓度。? 当某些作业环境中,由于存在多种可燃性气体,与空气 形成具有复杂组成的可燃性气体混合物时,混合可燃气体爆 炸下限可根据各组分已知的爆炸下限求出,见下式:

LEL 混

100 ? C1 C2 Cn ? ? ... ? LEL 1 LEL 2 LEL n

(5-2)

式中,LEL混为混合物爆炸下限;C1~ Cn为各组分在总体积中 所占的体积分数,且C1+C2+…+Cn=100;LEL1~ LELn为各组分 爆炸下限。

第5章?环境与灾害参数检测 2.有毒气体 在工业生产过程中使用或产生的对人体有害,能引起慢 性或急性中毒的气体或蒸汽称为有毒气体。我国《工业企业 设计卫生标准》中列有有毒物质共计111种,其中绝大部分 为气体或蒸汽。我国现已制定出毒物毒性分级标准和毒物管 理分级标准,有毒气体方面的规定与表5-1所列的有毒气体 及参数规定相似,这里不做详细叙述。需指出,表5-1中列 出的32种可燃性气体和19种有毒气体,其中有13种重叠,即 这13种气体既是可燃性气体又是有毒气体,因此在测量仪表 的选用上要特别加以注意。

第5章?环境与灾害参数检测 在工业生产过程中进行有毒气体监测时,是以有毒气体 浓度为检测对象,并以有毒气体的最高允许浓度为标准确定 监测与报警指标的。所谓最高允许浓度,是指人员工作地点 空气中的有害物质在长期分次有代表性的采样测定中均不应 超过的浓度值,以确保现场工作人员在经常性的生产劳动中

不致发生急性和慢性职业危害。我国采用最高允许浓度作为
卫生标准。除最高允许浓度(MAC)外,有毒气体还有以TLV 作为卫生标准的。TLV即阈限值(ThresholdLimitValues),

是指空气中有毒物质的浓度。在此浓度下,几乎全体现场工
作人员每日重复接触不会产生有害影响。

第5章?环境与灾害参数检测 有毒气体的浓度单位一般不采用质量分数表示,而是 采用ppm值或mg/m3来表示。ppm值是指一百万份气体总 体积中,该气体所占的体积分数(ppm为非法定计量单 位)。它使用相对浓度表示法,与体积分数的换算关系为: ppm=(体积分数%)×104。mg/m3是气体浓度的绝对表 示法,是指1立方米气体(空气)中含该种气体的毫克数。 我国卫生标准中的最高允许浓度是以mg/m3为单位,两种 单位的换算关系为

M (mg / m ) ? (ppm) ? 24.45
3

(5-3)

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24.45 ( ppm) ? (mg / m ) ? M
3

式中:M为有毒气体的相对分子质量;24.45为常数,是25℃、

101325Pa时气体的摩尔体积。

第5章?环境与灾害参数检测 5.1.2可燃性气体和有毒气体的检测原理 1.可燃性气体和有毒气体的监测标准?

为了保护环境,保障人的身体健康,保证安全生产和预
防火灾爆炸事故发生,必须首先确知生产和生活环境中可燃 性气体的爆炸下限和有毒气体的最高允许浓度的阈限值,以 及氧气的最低浓度阈限值,以便通过应用各种类型的测量仪 器、仪表对这些气体进行检测。通过检测了解生产环境的火 灾危险程度和有毒气体的恶劣程度,以便采取措施或通过自 动监测系统实现对生产、生活环境的监控。

第5章?环境与灾害参数检测 1)可燃性气体的监测标准? 可燃性气体的监测标准取决于可燃物质的危险特性,且 主要是由可燃性气体的爆炸下限决定的。从监测和控制两方 面的要求来看,监测首先应做到可燃性气体与空气混合物中 可燃气体的浓度达到阈限值时,给出报警或预警指示,以便 采取相应的措施,而其中规定的浓度阈值和可燃性气体与空 气混合物的爆炸下限直接相关。一般取爆炸下限的10%左右 作为报警阈值,当可燃性气体的浓度继续上升,一般达到其 爆炸下限的20%~25%时,监控功能中的联动控制装置将产 生动作,以免形成火灾及爆炸事故。

第5章?环境与灾害参数检测 2)有害气体的监测标准? 有害气体即有毒气体,其监测标准由多种气体的环境卫

生标准来确定,这里的多种气体是指氧气及各种有害气体。
我国制定的《大气环境质量标准》(GB3095—82)中规定了 空气污染物三级标准浓度限值。《工业企业设计卫生标准》

中列出了居住区大气有害气体的最高允许浓度值,以及工矿
车间环境有害气体的最高允许浓度值。此外,我国对煤矿井 下环境也做了必要的规定。

第5章?环境与灾害参数检测 2.各类气体测量仪表的工作原理 为了实现对可燃性气体和多种有害气体的测量和预防,

采用各种气体传感器构成的测量仪表品种繁多,其结构原
理、测定范围、性能、操作使用等互不相同,无法一一分 析。但是,从所用气体传感器的基本工作方式和原理来划 分,目前用于测量可燃气体和多种气体的仪器、仪表可归 纳划分成如下几种主要类型。?

第5章?环境与灾害参数检测 1)接触(催化)燃烧式气体传感器? 此类仪器是利用可燃性气体在有足够氧气和一定高温

条件下发生催化燃烧(无焰燃烧),放出热量,从而引起
电阻变化的特性,达到对可燃性气体浓度进行测量的目的。 这类可燃气体测量仪器采用有代表性的气体传感材料:Pt 丝+催化剂(Pd-、Pt-、Al2O3、CuO),其具有体积小、 质量轻的特点。

第5章?环境与灾害参数检测 可燃性气体(H2 、CO和CH4 等)与空气中的氧接触, 发生氧化反应,产生反应热(无焰接触燃烧热),使得作为 敏感材料的铂丝温度升高,具有正的温度系数的金属铂的电 阻值相应增加,并且在温度不太高时,电阻率与温度的关系 具有良好的线性关系。一般情况下,空气中可燃性气体的浓 度都不太高(低于10%),可以完全燃烧,其发热量与可燃 性气体的浓度成正比。这样,铂电阻值的增大量就与可燃性 气体浓度成正比。因此,只要测定铂丝的电阻变化值 (ΔR),就可以检测到空气中可燃性气体的浓度。但是, 使用单纯的铂丝线圈作为检测元件,其使用寿命较短。所以 实际应用的检测元件,都是在铂丝线圈外面涂覆一层氧化物 触媒,以延长其寿命,提高其响应特性。

第5章?环境与灾害参数检测 气敏元件的结构一般用直径50~60μm的高纯(99.999 %)铂丝,绕制成直径约为0.5mm的线圈。为了使线圈具 有适当的阻值(1~2Ω),一般应绕10圈以上,在线圈外面 涂以氧化铝(或者由氧化铝和氧化硅组成)的膏状涂覆层, 干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。烧结后,放在贵

金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干,然后经
过高温热处理,使在氧化铝载体上形成贵金属接触媒层, 最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触

媒粉体与氧化铝等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝
绕成的线圈上,直接烧成后使用。

第5章?环境与灾害参数检测 催化燃烧式气体检测原理及其电路如图5-1所示。所用 检测元件有铂丝催化型和载体催化型两种。其中,铂丝催化

型元件没有专门的催化外壳,是由铂丝承担三种工作的:
铂丝表面完成可燃气体氧化催化功能,同时铂丝又兼作加 热丝和测温元件。而载体催化型元件由加热芯丝和载体催

化外壳组成,催化外壳对可燃气体的氧化过程起催化作用,
加热电流通过芯丝将催化外壳加热到正常工作温度,而芯 丝又兼作电阻测温元件来检测催化外壳的温度变化。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-1催化燃烧式气体检测原理及其电路

第5章?环境与灾害参数检测 2)热传导式气体传感器? Ⅰ.气体热传导式气体传感器?

它是利用被测气体的热传导率与铂丝(发热体)的热传 导率之差所引起的温度变化的特性测定气体的浓度的。这类 气体传感器主要用于测定氢气(H2 )、一氧化碳(CO)、 二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、氧气(O2)等气体的浓度, 多制成携带式仪器。

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅱ.固体热传导式气体传感器? 它是利用被测气体的不同浓度在金属氧化物表面燃烧引 起的电阻变化特性,来达到测定被测气体浓度的目的的。这 类仪器多制成携带式仪器,用于测定氢气(H2 )、一氧化碳 (CO)、氨气(NH3)等气体的浓度,也可用于测定其他可燃 性气体的浓度。? 热传导式气体传感器的测量仪器仪表的检测电路原理与 催化燃烧式的检测电路原理相同,只是其中R1用热传导式元件。 热导式气体浓度检测方法的优点是在测量范围内具有线性输 出,不存在催化元件中毒问题,工作温度低,使用寿命长, 防爆性能好。其缺点是背景气要干扰测量结果(如二氧化碳、 水蒸气等),在环境温度骤变时输出也要受影响,在低浓度 检测时有效信号较弱。?

第5章?环境与灾害参数检测 3)半导体式气敏传感器? 半导体式气敏传感器的品种也是很多的,其中金属氧 化物半导体材料制成的数量最多(占气敏传感器的首位), 其特性和用途也各不相同。金属氧化物半导体材料主要有 SnO2系列、ZnO系列及Fe2O3系列,由于它们的添加物质各 不相同,因此能检测的气体也不同。半导体气敏传感器适 用于检测低浓度的可燃性气体及毒性气体如CO、H?2S、 NOx及C2H5OH、CH4等碳氢气体。其测量范围为百万分之 几到百万分之几千。

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图5-2 半导体气敏传感器的基本工作电路

第5章?环境与灾害参数检测 半导体式气敏传感器的基本工作电路如图5-2所示。负 载电阻RL 串联在传感器中,其两端加工作电压,加热丝f两

端加上加热电压Uf。在洁净空气中,传感器的电阻较大,在
负载电阻上的输出电压较小;当遇到待测气体时,传感器的 电阻变得较小(N型半导体型气敏传感器检测还原性气体),

则RL上的输出电压较大。气敏传感器主要用于报警器,超过
规定浓度时,发出声光报警。

第5章?环境与灾害参数检测 众所周知,对于某些危害健康,引起窒息、中毒或容 易燃烧爆炸的气体,应注意其含量为何值时达到危险程度, 有的时候并不一定要求测出其含量的具体数值。在这种情 况下,就需要一种气敏元件,它可以及时提供报警,以便 及早采取措施,保证生命和财产的安全。一般来说,半导 体气敏元件对气体的选择性比较差,并不适合精确地测定 气体成分,这种元件一般只能够检查某种气体的存在与否, 却不一定能够精确地分辨出是哪一种气体。尽管如此,这 类元件在环境保护和安全监督中仍然有极其重要的作用。 为了说明其用途,以下代表性地列举若干半导体气敏元件。

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4)湿式电化学气体传感器?
Ⅰ.恒电位电解式气体传感器? 恒电位电解式气体传感器利用的是定电位电解法原理,其 构造是在电解池内安置了三个电极,即工作电极、对电极和参 比电极,并施加一定的极化电压,以薄膜同外部隔开,被测气 体透过此膜到达工作电极,发生氧化还原反应,从而使传感器 有一输出电流,该电流与被测气体浓度呈正比关系。由于该传 感器具有三个电极,因此也称为三端电化学传感器。应用恒电 位电解式气体传感器的结构和测量电路如图5-3所示。传感器电 极薄膜由三块催化膜组成,在催化膜的外面覆盖多孔透气膜。 测定不同的气体,选择不同的催化剂,并将电解电位控制为一 定数值。其中,传感器电极一般是采用外加电源的燃烧电池 (也称极谱电池),电解液用硫酸,一面使电极与电解质溶液 的界面保持一定电位,一面进行电解,通过改变其设定电位, 有选择地使用气体进行氧化还原反应,从而在工作极间形成电 流,以此电流可定量检测气体的浓度。

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图5-3 恒电位电解式气体传感器的结构和测量电路

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅱ.燃料电池电解式气体传感器? 这类仪器的传感器是利用被测气体可引起电流变化的

特性来测定被测气体的浓度的。这类仪器主要用于测定H?
2S、HCN、COCl2(二氯甲烷)、NO2、Cl2、SO2等气体的浓度。

目前,这类产品主要产自国外。

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅲ.隔膜电池式气体传感器? 隔膜电池式气体传感器又称伽伐尼电池式气体传感器或 原电池式气体传感器。这类测量仪器是利用伽伐尼电池与氧 气(O2)或被测气体接触产生电流的特性来测定气体的浓度 的,其构造和基本测量电路如图5-4所示。它由两个电极、 隔膜及电解液构成。阳极是铅(Pb),阴极是铂(Pt)或银 (Ag)等贵金属,电解池中充满电解质溶液(氢氧化钾, KOH),在阴极上覆盖有一层有机氟材料薄膜(聚四氟乙烯 薄膜)。被测气体溶于电解液中,在电极上产生电化学反应, 从而在两极间形成电位差,产生与被测气体浓度成正比的电 流。

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图5-4隔膜电池式气体传感器的构造及基本测量电路

第5章?环境与灾害参数检测 5.1.3可燃性气体和有毒气体的检测仪表? 1.气体检测报警仪表的分类

工业生产环境所用气体测量及报警仪表,可按其功能、 检测对象、检测原理、使用方式、使用场所等分为以下几类。
(1)按其功能分类:有气体检测仪表、气体报警仪表和 气体检测报警仪表三种类型。? (2)按其检测对象分类:有可燃性气体检测报警仪表、 有毒气体检测报警仪表和氧气检测报警仪表三种类型,或者 将适于多种气体检测的通称为多种气体检测报警仪表。

第5章?环境与灾害参数检测 (3)按其检测原理分类:主要取决于所用气体传感器的 基本工作原理,一般可燃气体检测有催化燃烧型、半导体

型、热导型和红外线吸收型等;有毒气体检测有电化学型、
半导体型等;氧气检测有电化学型等。? (4)按其使用方式分类:根据使用方式不同,气体测量 仪表一般分为携带式和固定式两种类型。其中,固定式装置 多用于连续监测报警;携带式多用于携带检查泄漏和事故预 测。

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(5)按其使用场所分类:根据工业生产环境,尤其是石 油化工场所防爆安全的要求,气体测量仪表有常规型和防 爆型之分。其中,防爆型多制成固定式,用在危险场所进 行连续安全监测。

第5章?环境与灾害参数检测 2.常见的气体检测报警仪表 1)煤气报警控制器?

当厨房由于油烟污染或由于液化石油气(或其他燃气) 泄漏达到一定浓度时,它能自动开启排风扇,净化空气,防 止事故的发生。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-5家用煤气报警器电路

第5章?环境与灾害参数检测 家用煤气报警器电路如图5-5所示,采用QM—N10型 气敏传感器,它对天然气、煤气、液化石油气均有较高的

灵敏度,并且对油烟也敏感。传感器的加热电压直接由变
压器次级(6V)经R12降压提供。工件电压由全波整流后, 经C1滤波及R1、VD5稳压后提供。传感器负载电阻由R2及R3

组成(更换R3大小,可调节控制信号与待测气体的浓度的
关系)。R4、VD6、C2及C1组成开机延时电路,调整R4,使 延时为60s左右(防止初始稳定状态误动作)。

第5章?环境与灾害参数检测 当达到报警浓度时,IC1 的2脚为高电平,使IC4 输出为 高电平,此信号使VT2 导通,继电器吸合(启动排气扇)。 R5 、C3 组成排气扇延迟停电电路,使IC4 出现低电平并持续 10s 后才使继电器释放。另外,IC4 输出高电平使IC2 、IC3 组

成的压控振荡器起振,其输出使VT1 导通时截止,则LED
(红)产生闪光报警信号。LED(绿)为工作指示灯。

第5章?环境与灾害参数检测 2)瓦斯检测仪? 瓦斯检测的方法主要有两种:一是利用瓦斯气体的光谱 吸收检测浓度;二是利用瓦斯浓度和折射率的关系以及干涉 法测折射率。? (1)单波长吸收比较型瓦斯传感器。吸收法的基本原理 均是基于光谱吸收,不同的物质具有不同特征的吸收谱线。 单波长吸收比较型属吸收光谱型传感器,根据的是Lambert 定律: ? ?cL

I ? I 0e

式中I,I0为吸收后和吸收前的射线强度;μ为吸收系数;L为 介质厚度;c为介质的浓度。从上式可以看出,根据透射和 入射光强之比,可以得知气体的浓度。单波长吸收比较型的 原理图见图5-6。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-6单波长吸收比较型的原理图

第5章?环境与灾害参数检测 选择合适波长的光源。脉冲发生器使激光器发出脉冲光, 或采用快速斩波器将连续光转变成脉冲光(斩波频率为数千

赫兹),经透镜耦合进入光纤,并传输到远处放置的待测气
体吸收盒,由气体吸收盒输出的光经接收光纤传回。干涉滤 光片选取瓦斯吸收率最强的谱线,由检测器接收,经锁相放 大器后送入计算机处理,根据强度的变化测量瓦斯浓度。

第5章?环境与灾害参数检测 瓦斯的吸收波长为1.14μ m、1.16μ m、1.66μ m、 2.37μ m和2.39μ m。由于水蒸气在可见光波段具有强吸收, 而瓦斯的强吸收也在此波段范围内,因此,为避免水蒸气的 光吸收对测量结果造成影响,激光器的波长范围应与瓦斯的 二次谐振吸收谱线相符。而瓦斯的二次谐振吸收(1.6~ 1.7μ m)是微弱的,这种传感方式把气体吸收盘输出的光强 度作为判断瓦斯浓度的判据,因而光源输出强度的波动、光 纤耦合效率的变化和外界扰动引起接收光强度的变化,都会

使检测结果产生误差。用这种传感方式对微弱信号进行监测,
能有效地抑制高频噪声,但对一些低频噪声,其抑制能力较 弱。此外,传感头对其他气体的抗干扰能力也较弱。

第5章?环境与灾害参数检测 (2)干涉型光纤瓦斯传感器。此类传感器采用两束光干 涉的方法检测气室中折射率的变化,而折射率的变化直接与

浓度有关。事实上,目前我国普遍使用的便携式瓦斯检测仪
均是基于此原理。此类传感器存在需经常调校、易受其他气 体干涉的不足,其可靠性及稳定性均较差。

第5章?环境与灾害参数检测 3)感烟探测器? 现代建筑必须有防灾报警装置,火灾出现时往往伴随着 烟雾、火光、高温及有害气体。感烟探测器是很重要的一类 探测器。下面分别介绍常见的3种感烟探测器:透射式感烟 探测器、散射式感烟探测器和离子式感烟探测器。? (1)透射式感烟探测器是利用烟雾的颗粒性来进行探 测的,这是因为烟雾由微小的颗粒组成。在发光管和光敏元 件之间,如果为纯净空气,则完全透光;如果有烟雾,则接 收的光强减少。这种方法适合于长距离的直线段自动监测, 称为“线型探测器”。最好用半导体激光器发射脉冲光,这 样光线强,且体积小、寿命长。

第5章?环境与灾害参数检测 (2)散射式感烟探测器由发光管和光敏元件构成,在 两者之间有遮挡屏,其结构如图5-7所示。图中虚线圆圈代

表了金属丝网或多孔板。?
平时在纯净空气中,因为有遮挡屏,光敏元件接收不 到发光管的信号。但是空气中含有烟雾时,烟雾的微粒对 光有散射作用,光敏元件就接收到了信号,经过放大后就 可以驱动报警电路。为了避免环境可见光引起的错误报警, 选用红外光谱,或采取避光保护措施。通常用脉冲光,每 3~5s有1个脉冲,每个脉冲的宽度是100μ s,这样有利于环 境的干扰。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-7散射式感烟探测器图

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图5-8离子式感烟探测器

第5章?环境与灾害参数检测 3.其他气体检测报警仪器

(1)光干涉式气体测量仪器。这类仪器是利用被测气
体与新鲜空气的光干涉形成的光谱来测定某气体的浓度的。 该类仪器主要用于测定甲烷(CH4 )、二氧化碳(CO2 )、 氢气(H2)以及其他多种气体的浓度。? (2)红外线气体分析仪。这类仪器利用选择性检测器

测定气样中特定成分引起的红外线吸收量的变化,从而求出
气样中特定成分的浓度。该类仪器主要用于测定CO、CO2和 CH4等气体的浓度。

第5章?环境与灾害参数检测 (3)气相色谱仪。这类仪器是在色谱柱内,用载气把 气体试样展开,使气体的各组分完全分离,对气体进行全面 分析的仪器。该类仪器较笨重,只适于实验室环境中使用。 (4)气体检定管与多种气体采样器组合类型仪器。这 类仪器中的检定管是利用填充于玻璃管内的指示剂与被测气 体起反应来测定各种被测气体的浓度的。? 这类检测气体的仪器结构简单,使用方便、迅速,具有 相当高的灵敏度,一般制成携带式,最适于在各种环境中现 场采集、测定CO、H2S、NO、NO2 、NH3 、CO2 以及烷烃、烯烃、 苯、酮等多种有机化合物气体,应用十分广泛。

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5.2粉尘检测
5.2.1粉尘的有关概念
1.粉尘的种类 在工业粉尘检测过程中,常用到下列关于粉尘的术语。 1)全尘? 通常,将包括各种粒径(即粉尘颗粒直径)在内的粉 尘总和叫做全尘。对于工业生产,工业粉尘常指粒径在 1mm以下的所有粉尘。?

第5章?环境与灾害参数检测 2)呼吸性粉尘? 呼吸性粉尘的粒径大小各国尚无严格统一的规定。严格 地讲,能够通过人的上呼吸道而进入肺部的粉尘称为呼吸性 粉尘。一般认为,粒径在5μ m以下的工业粉尘就是呼吸性粉 尘。? 3)爆炸性粉尘? 对悬浮于空气中,在一定浓度和有引爆源条件下,本身 能够发生爆炸或传播爆炸的可燃固体微粒称为爆炸性粉尘或 可燃粉尘。典型的可燃粉尘有煤尘、易燃有机物粉尘、粮食 粉尘等,它们的火灾危险性与工业生产安全密切相关。

第5章?环境与灾害参数检测 4)无爆炸性粉尘? 经过爆炸性鉴定,不能发生爆炸和传播爆炸的粉尘叫做

无爆炸性粉尘。例如,由于粒径分布、浓度等不同,煤尘可
能是爆炸性粉尘,也可能是无爆炸性粉尘。? 5)惰性粉尘? 能够减弱或阻止有爆炸性粉尘爆炸的粉尘叫做惰性粉尘, 例如岩粉等。

第5章?环境与灾害参数检测

6)硅尘?
含游离二氧化硅在10%以上的岩尘称做硅尘。它的主要 危害是有损人的健康。? 7)游离粉尘? 悬浮在空气中,能形成粉尘云的粉尘叫做游离粉尘, 也称悬浮粉尘或浮游粉尘。? 8)沉积粉尘?

在平面上、周边上、设备上、物料上能形成粉尘层的
粉尘叫做沉积粉尘。

第5章?环境与灾害参数检测 2.粉尘的危害 1)可燃粉尘的火灾及爆炸危害? 可燃粉尘爆炸通常可分为两个步骤,即初次爆炸和二次 爆炸。当粉尘悬浮于含有足以维持燃烧的氧气的环境中,并 有合适的点火源时,初次爆炸能在封闭的空间中发生。如果 发生初次爆炸的装置或空间是轻型结构,则燃烧着的粉尘颗 粒产生的压力足以摧毁该装置或结构,其爆炸效应必然引起 周围环境的扰动,使那些原来沉积在地面上的粉尘弥散,形 成粉尘云。该粉尘云被初始的点火源或初次爆炸的燃烧产物 所引燃,由此产生的二次爆炸的膨胀效应往往是灾难性的, 压力波能传播到整个厂房而引起结构物倒塌。由于此压力效 应,粉尘爆炸的火焰能传播到较远的地方,会把火焰蔓延到 初次爆炸以外的地方。

第5章?环境与灾害参数检测 2)粉尘对人体的危害? 粉尘对人体的危害是多方面的,但最突出的危害表现在 肺部,粉尘引起的肺部疾患可分为三种情况。

第一种是尘肺。这是主要的职业病之一,我国已将它列
为法定职业病范畴。这种病是由于较长时间吸入较高浓度的 生产性粉尘所致,引起以肺组织纤维化为主要特征的全身性 疾病。由于粉尘种类繁多,尘肺的种类也很多,主要有矽肺、 石棉肺、滑石肺、云母肺、煤肺、煤矽肺、炭素尘肺等。

第5章?环境与灾害参数检测 第二种是肺部粉尘沉着症,它是由于吸入某些金属性粉 尘或其他粉尘而引起粉尘沉着于肺组织,从而呈现异物反应,

其危害比尘肺小。?
第三种是粉尘引起的肺部病变反应和过敏性疾病。这类 疾病主要是由有机粉尘引起的,如棉尘、麻尘、皮毛粉尘、 木尘等。

第5章?环境与灾害参数检测

减轻粉尘对人体的危害关键在于防护。经常注意防护,
可以把危害降到最低限度,甚至可以完全控制和消除粉尘的 危害。防尘应采取综合性措施,主要从以下几个方面着手?

解决。??
(1)加强组织领导,制定防尘规章制度,设有专、兼职 人员,从组织上给予保证。对从业人员应作严格的健康检查, 凡有活动性肺内外结核、各种呼吸道疾患(鼻炎、哮喘、支 气管扩张、慢性支气管炎、肺气肿等),都不宜担任接触粉 尘的工作。从事与粉尘接触的工人,每年应定期作体检,如 发现尘肺,则应立即调动工作,积极治疗。

第5章?环境与灾害参数检测 (2)逐步改革生产工艺和生产设备,进行湿式作业方 式,减少粉尘的飞扬。?

(3)降低空气中粉尘浓度,密封机械,防止粉尘外逸,
采用通风排气装置和空气净化除尘设备,使车间粉尘降低 到国家职业接触限值标准以下。? (4)加强个人卫生防护,从事粉尘作业者应穿戴工作 服、工作帽,减少身体暴露部位。要根据粉尘的性质,选

戴多种防尘口罩,以防止粉尘从呼吸道吸入,造成危害。

第5章?环境与灾害参数检测 5.2.2粉尘的检测方法?

1.光学显微镜法
通过光学显微镜法可以测定微粒的尺寸、形状以及数量。 必要时可用电子显微镜测定更小的微粒尺寸。? 在取样沉积后,将微粒刷在碳质透明塑料片或类似胶片 上,通过光学显微镜进行观察。在观测时,微粒的尺寸通常

都按水平面的尺寸来考虑,如图5-9所示。必要时可采用分
别过筛的方法,对微粒进行尺寸分类。微粒个数可以以单位 面积内的数量进行估算。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-9微粒的测量? (a)最大尺寸;(b)纤维测量的最大尺寸

第5章?环境与灾害参数检测 2.电集尘法 电集尘法属于重量浓度法,其结构如图5-10所示。这是

一种使气体中的微粒子带电后进行捕捉的方法。含尘气体
通过具有高电位差的两个电极间形成的强电场,利用电晕 放电现象使气体带电的同时,也使粉尘带电,从而粉尘可 以附着在电极上。然后根据捕捉到的粉尘的质量和流过集 尘器的气体体积,便可计算出被污染气体中粉尘的浓度 (g/m3或mg/m3)。?

第5章?环境与灾害参数检测

图5-10集尘电极的结构

第5章?环境与灾害参数检测 3.滤纸取样法 ? 滤纸取样法的结构如图5-11所示。它利用带状滤纸对气

体进行过滤的原理进行工作。图中,吸引泵以10L/min的吸
引流量从吸引口吸引气体,经过匀速移动的滤纸后,粉尘沉 积在滤纸上。在光源的照射下,用光电管在下面检测滤纸的

透光量。透光量与沉积的粉尘量成反比。由此可算出粉尘是
根据流量计的流量,便可得到被污染气体的浓度,它属于相 对浓度。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-11滤纸带空气取样法的结构图

第5章?环境与灾害参数检测 4.扫描显微镜检测法? 对于燃烧产生的微粒,特别是煤的微粒、油的飞沫或

煤烟粉尘,可以利用定量电子显微镜分析仪按形状和大小
进行分析。也可通过视像管摄像机进行观察。其具体分析 过程是将被检查的微粒样品放在普通的显微镜载物玻璃片

上,此时显微镜便可进行正常的观察。同时,利用电子显微
镜分析仪检测有关微粒数量、大小、形状等参数,通过计 算机对这些数据进行处理,便可以很快地得到有关微粒的 数量、各种形状、载距、面积以及在设定的尺寸上、下限 范围内的统计分布。

第5章?环境与灾害参数检测 5.β 射线测尘原理 β 射线测尘仪表是利用核辐射原理工作的。它利用粉尘

对射线的吸收作用,当放射源产生的β 射线穿过含有粉尘的
空气时,一部分射线被粉尘吸收掉,一部分射线穿过被测物 质(含尘空气)。空气中的粉尘含量越大,被吸收掉的β 射 线量越大。β 射线的减少量与粉尘的浓度成正比关系。

第5章?环境与灾害参数检测 β 射线测尘仪的结构如图5-12所示。一般β 射线测尘 仪由放射源、探测器、电信号转换放大电路和显示电路四 个部分组成。放射源是仪表的特殊部分,由放射性同位素 制成,如β 射线放射源可用14C。探测器的作用是检测β 射线,将穿过被测物质的射线接收并转换成电信号输出,

即将射线强弱的变化以电信号的大小变化反映出来。常用
的β 射线检测管是盖格计数管。由探测器输出的信号再经 放大和一些特殊电路处理,由显示部分指示出检测值。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-12 β 射线测尘仪结构

第5章?环境与灾害参数检测 6.光电测尘原理? 图5-13所示为ACG-1型光电测尘仪的工作原理。ACG-1

型测尘仪由测量、采样和延时电路等组成,其测量过程是:
当微动开关S1闭合时,光源1发光,经过凸镜2变为近平行光, 通过滤纸3照射到硅光电池4上,硅光电池输出电流,由微安

表5读出光电流大小。若含有粉尘的气体通过滤纸3,滤纸上
集聚了粉尘。经过滤纸照射则硅光电池上的照度减弱,微安 表的指示就减少,从而可根据测尘前后光电流的变化来反映

粉尘浓度。显然,只要配置合适的采样器,由滤纸所集聚的
即是呼吸性粉尘,就可得出呼吸性粉尘的浓度大小。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-13光电测尘仪原理

第5章?环境与灾害参数检测 在实际应用条件下,可以获得硅光电池的输出电流I 和光通量φ 成线性关系,即

I=α φ
式中:α 为比例因子。

(5-6)

? ? ? 0 e ? KLC

1

(5-7)

式中:φ0、φ为光通过含尘气体前、后的光通量;L为含尘气

体的厚度;K为含尘气体的减光系数;C1 为单位厚度含尘
气体中的尘重。

第5章?环境与灾害参数检测 若以C=LC1表示整个被测区内的尘重,则

? ? ?0e
由此得

? KC

(5-8)

1 ?0 C ? ln K ?

(5-9)

显然,只要知道粉尘的减光系数K和通过滤纸吸尘前、 后的φ0与φ,就能求出一定体积V(其大小由V=Qt确定,其 中:Q为采样流量;t为取样时间)的含粉尘气体内粉尘的质量

C;C/V就是单位体积含尘气体内的粉尘浓度,记为mg/m3。

第5章?环境与灾害参数检测

5.3噪声及其检测
5.3.1噪声的量度参数

1.声压和声压级
声压是指有声波时介质的压强对其静压力的变化量,是 一个周期量。通常以均方根值来衡量其大小并用p来表示, 单位为Pa(帕)。正常人耳刚刚能听到的1000Hz声音的声压 为2×10-5Pa,称为听阈声压,并规定作为声音或噪声的参考 声压,用P0表示。 声压级LP,并定义为

P Lp ? 20lg (dB) P0

(5-11)

第5章?环境与灾害参数检测

2.声强和声强级
由于声音也是一种能量,因而也可以用能量来表示其强 弱。声场中某一点在指定方向的声强,就是在单位时间内 通过该点并与指定方向垂直的单位面积上的声能,并以I表 示。其单位为瓦/米(W/m2)。 与声压相类似,定义声强级也需规定参考声强,通常 取为10-12W/m2,并用I0表示,故声强级L定义为:

I L I ? 20lg (dB) I0

(5-12)

声压级是相对量,没有量纲,在声学中用“级”来表示相对量。

第5章?环境与灾害参数检测 3.声功率和声功率级 声功率是声源在单位时间内发射出总能量,用W表示,

其单位为瓦(W)。通常参考声功率W0取为10-12W,声功率
级Lw定义为:

W L w ? 20lg (dB) W0

(5-13)

第5章?环境与灾害参数检测 4.噪声的频谱 声音的高低主要与频率有关。如音乐中的音调,分为

C、D、E、F、G、A、B,其中C调最低,频率为250Hz,
B调最高,其频率为480Hz。而噪声的频率成分比这些单一 频率的乐音的频率成分要复杂得多,且各频率成分之间还

可能产生叠加、调制或卷积等关系。因而在对所测得的噪
声进行频谱分析时,多是将其频谱按一定规律分为若干频 带,然后分析各个频带对应的声压级。得到各频带噪声的

声压级称为频带声压级。因此,在研究频带声压级时必须
指明频带的宽度和参考声压值。

第5章?环境与灾害参数检测 通常各频带的宽度多按倍频程和1/3倍频程来划分, 现简要说明。每个频带的上限频率为fc2,下限频率为fc1,

故频带的带宽B=fc2-fcl,频带的中心频率 f 0 ? f c1 ? f c2
上述条件可以导出条带宽与中心频率的关系为:



并规定其上限频率与下限频率之间的关系为fc2=22fcl。根据

B ? 2 ?2 f0

n 2

?

n 2

? 常数

(5-14)

若式(5-14)中,当n=1时(B/f0=0.71)称为倍频程,当 n=1/3时(B/f0=0.23),称为1/3倍频程。若采用1/3倍频程 时,每确定一个中心频率f0便可以得到相应的带宽。

第5章?环境与灾害参数检测 5.3.2噪声的主观评价 人类的听觉是很复杂的,具有多种属性,其中包括区

分声音的高低和强弱两种属性。听觉区分声音的高低,用
音调来表示,它主要依赖于声音的频率,但也与声压和波 形有关;听觉判别声音的强弱用响度来表示,它主要靠声

压,但也和频率及波形有关。响度的单位为宋(sone)。频
率为1000Hz,声压比阈值声压大40dB的声音响度定为1宋, 并规定,在此基础上声音的声压级每增加10dB,响度增加1 倍,即声压级40dB为1宋,50dB为2宋,60dB为3宋,其余类 推。?

第5章?环境与灾害参数检测

1.纯音的响度及响度级
当两个频率不同而声压相同的纯音分别作用于人耳时, 感觉到它们并不一样响。英国国家物理实验室鲁宾逊 (Robinson)等人,经过大量的试验测得的纯音的等响(度) 曲线如图5-14所示。它表明了正常的人耳对响度相同的纯 音所感受的声压级与频率的关系。这些曲线充分显示出,同 样响度不同频率的纯音具有不同声压级。? 同样响度的声音称为具有同等的响度级。一个声音响度 级就是以与该声音处于同一条等响曲线上的1000Hz纯音对 于2×10-5Pa的声压级的分贝n来表示的,并称其响度级为n方 (phon)。响度级是表示声音强弱的主观量,它把声压级和频 率一起考虑。

第5章?环境与灾害参数检测 以宋为单位的响度,和以方为单位的响度级都是人耳 对纯音的主观反应,其两者的关系如图5-14所示。具体的 表达式为

N ?2

L N ? 40 10

(5-15)

式中:LN为响度级(方);N为响度(宋)。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-14等响曲线

第5章?环境与灾害参数检测

2.频率计权声级
频率计权声级可以用确定其总声压级的办法较容易地测量 出来,但此法既不能表示出频率的分布情况,也没有类似人耳 对噪声的那种感觉,尤其是用于环境噪声试验时更是如此。因 而从等响曲线出发,设计某种电气网络对不同频率的声音信号 进行不同程度的衰减,使得仪器的读数能近似地表达人耳对声 音的响应,这种网络称为频率计权网络。? 近年来,在噪声测量中多采用声级,特别是用A声级来表 示噪声的强弱。这种测量方法在比较具有相似频谱的噪声时颇 为有效。但应指出,若用声级来确定宽带噪声的响度和响度级 是不合适的。另外,在考察噪声对人们的危害程度时,除了要 分析噪声的强度和频率外,还要注意噪声的作用时间,因为噪 声对人的危害程度与这三个因素均有关。为此,提出了等效连 续声级的概念。

第5章?环境与灾害参数检测 3.等效连续声级 等效连续声级是一个用来表达随时间变化的噪声的等效

量,其数学表达式为

1 t PA ( t ) Leq ? 10lg ? dt T 0 P0

(5-16)

式中,T为总测量时间;PA(t)为A计权瞬时声压;P0为参 考声压(20μPa)。

可以看出,等效连续声级Leq 与总的时间T有关。也就 是说,人们在非连续噪声的环境中,所处的时间越长,受 到危害的程度也越大。

第5章?环境与灾害参数检测 表5-2典型噪声及其参数
噪声 震耳欲聋 的轰轰声 甚高声 高声 适中声 轻声 极轻声 分贝 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 对应能量 1012 1011 1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101 1 声压(N/m2) 20 2 0.2 0.02 0.002 0.0002 0.00002 地下铁道的火车内、车间内,繁忙的 大街、例小汽车 7.5m 处 嘈闹的办公室、小汽车内,大商店、 最大音量的收音机 距离 1m 的一般谈话,城市的屋内、 安静的办公室,农村的房屋内 公共图书馆、低声的谈话、纸的沙沙 声、耳语 安静的教堂、乡村的寂夜、隔音室 典型环境示例 离喷气式飞机 150m, 高音喇叭 5m 处

第5章?环境与灾害参数检测

5.3.3噪声测量常用仪器
1.声级计 声级计是按照国际标准和国家标准,按照一定的频率计 权和时间计权测量声压级的仪器。它是声学测量中最基本、 最常用的仪器,适用于室内噪声、环境保护、机器噪声、建 筑噪声等各种噪声测量。 1)声级计的分类? 按精度来分:根据国际标准IEC61672-2002,声级计分 为1级和2级两种。在参考条件下,1型声级计的准确度为 ±0.7dB,2型声级计的准确度为±1dB(不考虑测量不确? 定度)。

第5章?环境与灾害参数检测 按功能来分:测量指数时间计权声级的通用声级计、测 量时间平均声级的积分平均声级计、测量声暴露的积分声级 计(以前称为噪声暴露计)。另外,有的具有噪声统计分析 功能的称为噪声统计分析仪,具有采集功能的称为噪声采集 器(记录式声级计),具有频谱分析功能的称为频谱分析仪。

按大小来分:台式、便携式、袖珍式。?
按指示方式:模拟指示(电表、声级灯)、数字指示、 屏幕指示。

第5章?环境与灾害参数检测 2)声级计的构造及工作原理

图5-15声级计工作原理

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅰ.传声器? 传声器是把声信号转换成交流电信号的换能器。在声

级计中一般用电容式传声器测试传声器,它具有性能稳定、
动态范围宽、频响平直、体积小等特点。电容传声器由相 互紧靠着的后极板和绷紧的金属膜片组成,后极板和膜片

在电气上互相绝缘,构成以空气为介质的电容器的两个电
极。两电极上加有电压(极化电压200V或28V),电容器充 电,并贮有电荷。当声波作用在膜片上时,膜片发生振动,

使膜片与后极板之间的距离发生变化,电容也变化,于是
就产生一个与声波成比例的交变电压信号,送到后面的前 置放大器。?

第5章?环境与灾害参数检测 电容传声器的灵敏度有三种:自由场灵敏度、声压灵敏 度和扩散场灵敏度。自由场是指声场中只有直达声波而没有 反射声波的声场。扩散场是由声波在一封闭空间内多次漫反 射而引起的,它满足下列条件:①空间各点声能密度均匀;② 从各个方向到达某一点的声能流的概率相同;③各方向到某 点的声波相位是没有规律的。

第5章?环境与灾害参数检测 传声器自由场灵敏度是传声器输出端的开路电压与传声 器放入前该点自由场声压之比值。传声器声压灵敏度是传声 器输出端的开路电压与作用在传声器膜片上的声压之比值。 传声器扩散场灵敏度是传声器输出端的开路电压与传声器未 放入前该点扩散场声压之比值。由于传声器放入声场某一点, 声场产生散射作用,从而使实际作用在膜片上的声压比传声 器放入前该点的声压大,高频时比较明显。与三种灵敏度相 对应,上述自由场灵敏度平直的传声器叫自由场型(或声场 型)传声器,主要用于消声室等自由场测试。它能比较真实 地测量出传声器放入前该点原来的自由场声压,声级计中就 使用这种传声器。声压灵敏度平直的传声器叫声压型传声器, 主要用于仿真耳等腔室内使用。扩散场灵敏度平直的叫扩散 场型传声器,用于扩散场测量,有的国家规定声级计用扩散 场型传声器。

第5章?环境与灾害参数检测 传声器灵敏度单位为V/Pa(或mV/Pa),并以1V/

Pa为参考,叫灵敏度级。如1英寸(in,1in=2.54cm)电容传声器
标称灵敏度为50mV/Pa,灵敏度级为-26dB。传声器出厂时 均提供它的灵敏度级以及相对于-26dB的修正值K,以便声级 计内部电校准时使用。?

1 1 12.7mm)、 in(6.35mm)、 in(Φ3.175mm)等。外径 4 8
在用得最多的是 in ,它的保护罩外径为Φ 13.2mm。

传声器的外形尺寸有1in(Φ23.77

1 mm)、 in(Φ2 2

小,频率范围宽,能测高声级,方向性好,但灵敏度低,现

1 2

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅱ.前置放大器? 由于电容传声器电容量很小、内阻很高,而后级衰减

器和放大器阻抗不可能很高,因此中间需要加前置放大器
进行阻抗变换。前置放大器通常由场效应管接成源极跟随 器,加上自举电路,使其输入电阻达到几百兆欧以上,输 入电容小于3pF,甚至0.5pF。输入电阻低影响低频响应, 输入电容大则降低传声器灵敏度。

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅲ.衰减器? 衰减器将大的信号衰减,以提高测量范围。?

Ⅳ.计权放大器?
计权放大器将微弱信号放大,按要求进行频率计权

(频率滤波)。声级计中一般均有A计权放大器计权,另外
也可有C计权或不计权(Zero,简称Z)及平直特性(F)。

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅴ.有效值检波器? 有效值检波器将交流信号检波整流成直流信号,直流信

号大小与交流信号有效值成比例。??
Ⅵ.电表模拟指示器? 电表模拟指示器用来直接指示被测声级的分贝数。? Ⅶ.A/D? A/D将模拟信号变换成数字信号,以便进行数字指示或 送CPU进行计算、处理。?

第5章?环境与灾害参数检测 Ⅷ.数字指示器? 数字指示器以数字形式直接指示被测声级的分贝数,使 读数更加直观。数字显示器件通常为液晶显示(LCD)或发 光二极管显示(LED),前者耗电省,后者亮度高。采用数 字指示的声级计又称为数显声级计,如AWA5633数显声级计。 Ⅸ.CPU微处理器(单片机)? CPU微处理器对测量值进行计算、处理。? Ⅹ.电源? 电源一般是DC/DC,将供电电源(电池)进行电压变 换及稳压后,供给各部分电路工作。

第5章?环境与灾害参数检测 2.积分平均声级计和积分声级计(噪声暴露计) 积分平均声级计是一种直接显示某一测量时间内被测

噪声等效连续声级(Leq)的仪器,通常由声级计及内置的单
片计算机组成。单片机是一种大规模集成电路,可以按照 事先编制的程序对数据进行运算、处理,进一步在显示器

上 显 示 。 积 分 平 均 声 级 计 的 性 能 应 符 合 IEC804 和
GB/T17181标准的要求。

第5章?环境与灾害参数检测 积分平均声级计通常具有自动量程衰减器,使量程的动 态范围扩大到80~100dB,在测量过程中无需人工调节量程

衰减器。积分平均声级计可以预置时间,可设为10s、1min、
?5min、10min、1h、4h、8h等,当到达预置时间时,测量 会自动中断。积分平均声级计除显示Leq外,还能显示声暴露

级LAE 和测量经历时间,当然它还可显示瞬时声级。声暴露
级?LAE是在1s期间保持恒定的声级,它与实际变化的噪声在 此期间内具有相同的能量。声暴露级用来评价单发噪声事件,

如飞机飞越以及轿车和卡车开过时的噪声。知道了测量经历
时间和此时间内的等效连续声级,就可以计算出声暴露级。

第5章?环境与灾害参数检测 积分平均声级计不仅测量出噪声随时间的平均值,即等 效连续声级,而且可以测出噪声在空间分布不均匀的平均值。

只要在需要测量的空间移动积分平均声级计,就可测量出随
地点变动的噪声的空间平均值。? 积分平均声级计主要用于环境噪声的测量和工厂噪声测 量,尤其适宜作为环境噪声超标排污收费使用。典型产品有 AWA5610B型和AWA5671型积分平均声级计。它们还具有测量 噪声暴露量或噪声剂量的功能,并可外接滤波器进行频谱分 析。

第5章?环境与灾害参数检测 作为个人使用的测量噪声暴露量的仪器叫个人声暴露计。 另一种测量并指示噪声剂量的仪器叫噪声剂量计。噪声剂量 以规定的允许噪声暴露量作为100%,如规定每天工作8h,噪 声标准为85dB,也就是噪声暴露量为1Pa2·h,则以此为100 %。对于其他噪声暴露量,可以计算相应的噪声剂量值。但 是各国的噪声允许标准不同,而且还会修改,如美国、加拿 大等国家暴露时间减半,允许噪声声级增加5dB,而我国及 其他大多数国家仅允许增加3dB。因此,不同国家、不同时 期所指的噪声剂量不能互相比较。个人声暴露计主要用在劳 动卫生、职业病防治所和工厂、企业对职工作业场所的噪声 进行监测。典型产品是AWA5911型个人声暴露计,它的体积 仅为一支钢笔大小,可插在上衣口袋内进行测量,可以直接 显示声暴露量、噪声剂量以及瞬时声级、等效声级和暴露时 间等。

第5章?环境与灾害参数检测 3.噪声统计分析仪 噪声统计分析仪是用来测量噪声级的统计分布,并直接

指示累计百分声级LN的一种噪声测量仪器,它还能测量并用
数字显示A声级、等效连续声级Leq,以及用数字或百分数显 示声级的概率分布和累计分布。它由声级测量及计算处理两 大部分构成,计算处理由单片机完成。随着科学技术的进步, 尤其是大规模集成电路的发展,噪声统计分析仪的功能越来 越强,使用也越来越方便,国产的噪声统计分析仪已完全能 满足环境噪声自动监测的需要。现以AWA6218B型噪声统计 分析仪为例进行介绍。?

第5章?环境与灾害参数检测 AWA6218B型噪声统计分析仪是一种内装单片机(电脑)的 智能化仪器,其最大优点是采用120×32点阵式LCD,既可显

示数据也可显示图表,既有数字显示又有动态条图显示瞬时
声级,而且可以同时显示8组数据。可以直接显示Lp,Leq, Lmax,Lmin,L5,L10,L50,L90,L95,SD,T,LAE,E,Ld,

Ln,Ldn16个测量值以及组号,可以设定11种测量时间,从手
动、l0s~24h。既可进行常规单次测量,也可进行24h自动监 测,每小时测量一次,每次测量时间可以设定。仪器内部有 日历、时钟,关机后时钟仍在继续走动,因此不需每次开机 后进行调整。

第5章?环境与灾害参数检测 l该仪器还具有储存495组或24h测量数据的功能,平时只 需将主机(仅0.5kg重)带至现场测量,测量结束后,数据自

动储存在机内,将主机带回办公室接上打印机打印或送微型
计算机进一步处理并存盘,储存数据可靠,不会丢失。所储 数据还可以通过调阅开关调阅任一组,并将其单独打印出来。 如发现该组数据不正常,也可通过删除键将其删除,补测一 组数据替代。所配UP40TS打印机既可仅仅打印数据,也可既 打印数据又打印统计分布图、累计分布图或24h分布图。

第5章?环境与灾害参数检测 5.3.4噪声测量中的若干问题

目前噪声检测主要用于:检测噪声是否符合有关的标准, 对特定噪声进行处理分析,提取有关特征信息,了解声源特 性等。检测噪声是否符合规定标准,主要用于故障诊断与控 制。了解声源特性需要进行声功率(声源在单位时间内辐射 的总能量)测量,范围较宽。目前噪声检测主要采用A声级 和倍频程噪声频谱。若需较详细地分析噪声成分,尚需测定 1/3倍频程频谱。?
测量环境对噪声测量的影响很大,因为相同的声源在不 同的环境中所形成的声场的区别很大,有的甚至是完全不一 样的。?

第5章?环境与灾害参数检测

在现场测量噪声(包括测室外环境噪声),由于声源 多,房间大小有一定限度,周围有很多反射面,为了减小 其他噪声源发射的声波及反射波的干扰,传声器应当接近 机器的声辐射面。因而多采用近声场测量法,通常是将传 声器置于距机器1m、距地面1.5m的地方来测量噪声。注意 传声器不应过分地靠近声源,因为靠声源太近处的声场往 往不稳定。?
如果机器不是均匀地向各方向辐射噪声,则应在围绕 机器的外表而相距1m且与地面相距1.5m的几个不同位置上 多测量几点,找出其中A声级最大的一点作为评价该机器噪 声的主要依据。同时,还应测出至少5点的A声级和频谱,作 为评价参考。必要时尚需作出机器在各个方向上的噪声级 分布图。

第5章?环境与灾害参数检测 在测量噪声时,应当尽可能避免本底噪声(背景噪声) 对测量的影响。所谓本底噪声,就是指被测定的噪声源停止 发声时其周围环境的噪声。在实际测量工作中,若被测噪声 源的A声级以及各频带的声压级为10dB,则本底噪声的影响 可以忽略。如果测得噪声(包括本底噪声)与本底噪声相差 6~9dB,则应从测值中减去1dB;若两者相差4~5dB,则应

减掉2dB;两者相差3dB,则应减掉3dB;若两者相差小于3dB,
则测量无效。

第5章?环境与灾害参数检测 在测量过程中,还应注意避免反射声波的影响。声级 计本身和测量者的身体所引起的反射是不可忽视的。为此 建议采用三角架或尽量伸直握声级计的手臂,或加长传声 器与声级计之间的距离(通常传声器与声级计之间配有接 长附件)。为了避免电缆对传声器的电压灵敏度的影响和 电缆噪声的增加,在加长距离时,应将前置放大器和传声 器放在一起。目前由于集成化程度愈来愈高,有很多产品 都是把传声器和前置放大器做在很小的体积内。另外,气 流对噪声测量的影响也很大,可在传声器前安装风罩及防 风锥等附件,以减小气流的影响。

第5章?环境与灾害参数检测 5.4泄漏检测 5.4.1危险物质的泄漏及危险性 1.危险物质泄漏的原因 1)容器内压异常上升? 在工业生产过程和储运过程中,造成容器内压异常上升 的原因分为物理原因和化学原因两种情况:①物理原因使容 器内压异常上升,主要表现为容器内物料温度上升产生的热 膨胀、机械压缩、冲击压等;②化学原因使容器内压上升, 主要表现在反应体系内反应热蓄积或过热流体液体急剧蒸发, 使容器内气体或空气急剧热膨胀或使液体蒸汽压剧增。当容 器无法承受这些内压异常上升时,其薄弱部分最先被破坏, 高压气体或过热液体伴着爆炸声或啸叫声向外喷出,使容器 一部分或全部变为碎片飞散,在形成泄漏的同时发生火灾及 爆炸。这种破坏泄漏多发生在生产装置中,并且大部分是由 于化学反应或相变造成的,瞬间即会造成严重灾害。

第5章?环境与灾害参数检测 2)容器构件受到异常外部载荷? 强烈的震动、地基下沉、剧烈摇晃、事故相撞或施工不 慎等,是引起外部载荷异常的主要原因,可造成裂纹、穿孔、 管道弯曲或折断等机械破坏,导致油品、液化烃等液态危险 物质因泄漏而着火或形成灾害。?

第5章?环境与灾害参数检测 3)容器或管道构件材料强度降低? 引起构件材料强度降低的主要原因如下。 (1)物料的腐蚀或摩擦;? (2)材料的低温脆性;?

(3)反复应力或静载荷作用;?
(4)材料暴露于高温。?

第5章?环境与灾害参数检测 2.泄漏的危险性 1)可燃气体泄漏的火灾危险性?

当纯气体泄漏时,由于气体密度远小于液体密度,即使
是高压气体,其密度也相对低,因此可燃气体泄漏一般仅能 形成体积不大的可燃气云或爆炸性混合气。当泄漏的可燃气 体比空气轻时,会随扩散范围增大而逐渐稀薄上升,潜在的 火灾危险性较小。比空气重的可燃气体泄漏后,会向下风方 向和低洼处扩散、积蓄,达到爆炸浓度范围,潜在火灾危险 性较大,并具有隐蔽性。

第5章?环境与灾害参数检测 2)液化烃或可燃液体泄漏的火灾危险性? 由于液体燃烧的机理是其不断蒸发的蒸汽在气相中燃烧, 同时液化烃或可燃液体在空气中会快速汽化蒸发形成较大的 蒸气云,因此,这类液体有很强的火灾危险性,并与泄漏当 日大气压(通常可近似为标准大气压)下的液体沸点高低、 泄漏量与汽化量的大小等有关。当可燃液体沸点高于大气温 度时,可燃蒸气云的消散与形成存在竞争,低闪点液体露天 泄漏能产生较大蒸气云,而高闪点液体则难以产生较大蒸气 云。当可燃液体沸点低于大气温度时,或者低于其工作温度 并在高于常压的压力下保持蒸气压平衡时,露天泄漏将立即 汽化并迅速形成蒸气云,尤其是深冷低沸点液体泄漏会产生 猛烈的爆沸,过热液体泄漏会引起剧烈的液气相变,甚至无 需点火源就会发生蒸气爆炸,具有极强的火灾危险性。

第5章?环境与灾害参数检测 5.4.2管道泄漏检测技术

1.基于硬件的方法和技术
1)声发射技术管道检漏方法?

基于声发射技术的管道泄漏检测系统的声音传感器预先 地安装在管道壁外侧,如果管道发生漏点泄漏时,就会在漏 点产生噪声并被安装在管道外壁上的声音传感器接收、放大, 经计算机软件处理成相关的声音全波形,通过对全波形的分 析达到监测和定位管道泄漏的状况和漏点的位置。此技术特 别适合于那些管道内流量低、压力高的情况。为了达到准确 地确定一个泄漏点的目的,需要排除外来噪声和确定管道操 作噪声。

第5章?环境与灾害参数检测 通常,管道的泄漏量与由此引起的噪声波型的幅度具有 相关性,噪声信号随着泄漏量增加而增大。泄漏点的位置是

通过管道上的三个固定的声音传感器通过泄漏引起的噪声在
管道上的传播测量出来并予以确定的。基于声发射技术的管 道泄漏检测系统具有可实时和可连续地测定分析、泄漏点定

位准确和不必拆卸管道的外部测定等优点。但是,对于大流
量的管道,背景噪声将会对泄漏噪声产生严重干扰。另外, 基于声发射技术的管道泄漏技术检测泄漏量的准确性与其他

技术相比还具有较大的误差。

第5章?环境与灾害参数检测 2)电缆传感器管道检漏方法? 基于电缆传感器的泄漏检测技术的传感器是由某些高分 子材料制成并具有与碳氢化合物的反应活性,碳氢化合物对

这种材料会产生体积的或者电特性的改变,通过测量这些改
变达到监测管道内碳氢化合物泄漏的目的。如果管道或储罐 发生泄漏,那么泄漏出的碳氢物质就会不同程度地改变了电 缆传感器的电容特性或者电阻特性,由此可确定管道的泄漏 量状况和泄漏点位置。?

第5章?环境与灾害参数检测 基于电缆传感器的泄漏检测技术适合应用于较短的燃 料管线,诸如机场或者炼油厂等的燃料站(库)等。

SensorComm公司已经研制了一种液体传感电缆,应用于管
道的泄漏检测。此种技术是一种非金属的测量技术,可应 用于极冷的地区和20英尺深度的管道的泄漏检测。通常, 电缆传感器经过汽油或者其他的高挥发性碳氢物质暴露之 后,必须经空气干燥,以保证电缆传感器的正常应用。此

外,传感器可能会干扰管道的阴极保护系统。

第5章?环境与灾害参数检测 3)光纤管道检漏方法?

光纤是一种有前途的管道泄漏检测技术,光纤传感器可 以分散和定点地安装在管线上。光纤可以检测很宽范围的物 理和化学特性,既可以检测管道泄漏也可以定位泄漏点位置。 在实验室模拟如下:在一段10米长的埋地氨管道范围内设计 了A、B、C、D4个可控制氨泄漏流量的模拟氨泄漏位置点, 氨管道外壁上铺设光纤传感器以测定并记录氨管道上的温度。 模拟试验研究结果表明,通过光纤传感器测定关于管道的温 度分布状况,在管道泄漏和无泄漏时管道的温度分布状况会 出现温度明显下降的差别。在设定的4个泄漏点位置,无论是 哪一个位置发生泄漏,此泄漏位置的温度就会下降。这是因 为液氨泄漏处管道由于液氨气化产生的吸热作用引起的温度 下降,由此发出管道泄漏报警和确定泄漏点位置。氨气具有 刺激性气味,人体感官可以在氨浓度很低时就会感觉出来。 但是,此模拟试验表明,在人体还没有感觉到氨气的气味时, 光纤传感器就已经将地下的管道泄漏状况测定出来,并确定 了修漏点的位置。

第5章?环境与灾害参数检测

4)土壤检测检漏方法?
土壤检测方法是一种蒸气检测系统,可以测定出地下管 道周围土壤中蒸气相碳氢物质的浓度,由此检测管道泄漏位 置和泄漏状况。通常,基于土壤检测的管道泄漏测定和漏点 定位技术是通过测定从管道泄漏的示踪气体来完成的。此示 踪气体是预先添加到输送管道中的一种惰性的、挥发性的、 比较稳定的气体物质,加入到管道中的浓度水平为几个ppm (10-6 )。如果输送管道发生泄漏,示踪气体与管道中其他 物质同时流出管道,示踪气体将优先地扩散到管道周围的土 壤中,在管道泄漏点附近的土壤气体取样孔洞中的测定探头 就会自动地收集土壤中的示踪气体,然后应用气相色谱方法 测定探头收集的示踪气体的含量,由此监测管道泄漏状况和 确定管道泄漏点的位置。应用气相色谱方法可测定出示踪气 体在土壤中的浓度为ppt(10-9)水平。测定结果表明,示踪 气体技术可以较准确地确定管道泄漏的位置,误差在数英尺 范围内,测定结果与管道的直径和长度无关。

第5章?环境与灾害参数检测 5)超声波流量测定检漏方法? 超声波测定流量的检漏是一种比较经济、方便且易于安

装、维护的技术。首先,将管道分成若干部分,每一部分都
安装上超声波流量测定装置以测定这部分管道流进的和流出 的体积流量,同时测定管道温度、环境温度、声波在管道内

流体的传播速度等参数。然后,根据体积平衡原理,并应用
计算机软件模型处理管道各个部分所有参数的测定结果,分 析和比较出管道输送中分别在泄漏时和正常运行时的参数状

况,由此诊断和确定管道泄漏量和泄漏点位置。通常较短的
处理周期表明了一个较大的泄漏点;较长的处理周期表明了 一个较小的泄漏点。

第5章?环境与灾害参数检测 超声波测定流量的检漏系统与声发射技术的管道泄漏 检测系统类似,都是在管道外部安装非破坏性的设备或器

件的检漏技术。超声波测定流量的检漏系统已经成功地应
用于城市供水管道系统中的泄漏状况诊断。除此之外,还 有便携式的超声波管道检漏系统,可供有经验的技术人员

佩戴超声波耳机并在现场沿着地下管道线路巡检使用,同
样具有比较准确的漏点定位能力。

第5章?环境与灾害参数检测 6)蒸气测定检漏方法? 蒸气测定系统是将传感器管道平行地安装在被测定的管

道上,如果管道发生泄漏,泄漏的碳氢物质就会流出管道并
通过扩散进入传感器管道,周期地应用气体泵抽取传感器管 道内的气体并将此气体输送到检测器进行测定,泄漏的碳氢 物质就会被定量测定出来并以出峰的方式随时间进行记录。 根据气体泵抽取管内气体的流速、抽取气体的开始时间和碳 氢物质在检测器上的出峰时间可计算出被测管道的泄漏点位 置,出峰面积的大小表明了管道泄漏量的大小。

第5章?环境与灾害参数检测 蒸气检测技术是一种管道检漏的物理测定方法,与管道 内的物质的体积和压力无关。此技术无需软件处理,并且可

同时检测出多处泄漏点的状况。但是,该检测技术通常限于
应用较小泄漏的情况,不适合大的泄漏情况检测。还有,此 系统需要较高的费用投资,但不需要太多的维护工作。另外,

此系统的检漏响应时间较长,主要取决于气体泵抽取气体的
流速、传感器管线的长短等。

第5章?环境与灾害参数检测

7)遥感检漏方法?
遥感检漏方法也是近年来发展迅速和有效的应用技术之 一。遥感检漏技术可分成两类。其一是主动检测技术,应用 激光源照射被调查的管道线路,发生泄漏的管道就会有气体 流出,并扩散到大气环境中形成泄漏出来的气体云团,激光

通过这个云团时泄漏的气体分子就会吸收激光,与不通过此
云团的激光相比有一个能量差,由此判断管道泄漏和确定管 道泄漏的位置;其二是被动检测技术(也叫热辐射检测),

发生泄漏的管道气体在大气环境中形成的云团内部与此云团
外部存在着温度差(或者是辐射能力差),由此可判断管道 泄漏状况并确定管道泄漏处的位置。

第5章?环境与灾害参数检测 遥感技术与上述的管道泄漏检测技术相比具有许多优点: 可应用于大范围管道区域内发生管道泄漏的快速检测和实地

调查,可更完整和更有效地覆盖可能发生泄漏的区域;一旦
发生管道泄漏,不必通过收集气体样品或者采集土壤样品的 测定方法,而是通过可见的完整的泄漏测定结果准确确定管

道泄漏的位置;遥感技术不必依靠有经验人员进入管道输送
区域内调查并判断管道泄漏位置,可完成技术人员不能进入 的和有危险的区域的管道泄漏调查工作。

第5章?环境与灾害参数检测 2.基于软件的方法和技术 基于软件的管道检漏方法通常使用管道内流体的流量、

压力、温度和其他的数据的变化差异,通过数学模型确定管
道内流体的运行状态,判断管道是否出现泄漏,确定泄漏量 大小和泄漏点位置。因为输入到计算机软件的流量、压力、 温度等参数都是应用硬件设备(如上述各种硬件技术)获得 的,所以,基于软件的管道检漏方法是通过与其对应的硬件 技术共同实现的。

第5章?环境与灾害参数检测 1)质量(或体积)平衡检漏方法? 基于质量守恒或者体积守恒原理的软件是指流入和排出一 段管道的流体的质量(体积)相等,可通过管道直径、管道内 流体的温度、压力和流量计算出来。如果发生泄漏,那么流出 这段管道的流体质量就会比流入的少,管道内的压力就会表明 管道内部的充填状况。质量或者体积守恒原理是目前普遍采用 的软件技术之一,此软件技术要求硬件能准确地测量出管道内 流体的流量、压力和温度,通过软件计算和处理这些参数并转 化成质量流量或者标准状态下的体积流量。国外已经有此类的 商品软件,并已经应用于石油行业中输油管道的泄漏检测。质 量或者体积守恒方法的检漏准确性取决于安装在管道系统中硬 件设备的测量精度,通常不需要额外的设备投资。应用此类软 件诊断管道泄漏需要较长的时间,只有在泄漏发生后并通过这 段管道两端的压力或流量等参数的波动反映出来时才能够做出 判断。泄漏报警所需的响应时间取决于此段管道泄漏量的大小, 也取决于此段管道中测量设备的测量灵敏度和精度。?

第5章?环境与灾害参数检测

图5-16管路泄漏的监测

第5章?环境与灾害参数检测

2)实时瞬变模型检漏方法?
实时瞬变模型检漏方法应用质量守恒、动量守恒、能量 守恒和流体的状态方程计算管道内流体的流量,应用预测值 (计算值)和实测值的差异确定管道的泄漏。此技术需要实 时地测量管道的流量、压力和温度,同时,应用实时瞬变模 型计算这些对应的物理量的数值。通过连续地分析噪声水平 和正常的瞬间状态以减少泄漏的误报警,根据管道的流体流 量的统计变化量调整软件的管道泄漏报警阈值。通常,此软 件可检测出小于管道流体的1%泄漏量的报警。实时瞬变模 型检漏软件是一种非常昂贵的技术,它需要大量昂贵的仪器 和设备连续地、实时地测量和收集管道系统中的各种物理量。 此软件模型也比较复杂,通常要求训练有素的操作人员才能 操作。

第5章?环境与灾害参数检测 3)压力点分析检漏方法? 压力点分析法(简称PPA)是一种用于气体、液体和某些 多相流管道检测泄漏的方法,其原理是对管道的压力和流量 闭变化率进行检测。当管道处于稳定状态时,压力和速度以 及密度分布不随时间变化。在设备(泵或压缩机)供能增大或 减少时,流体的速度、压力和密度分布的变化是连续的。一 旦稳定状态受到某一事故的干优,管道将向新的稳定状态过 渡。流体经过一定时间将改变其流速和压力。如果在沿线的 某点发生事故,其最初的泄漏特征将在一定的时间内传递到 管道末端(或其他任何检测位置),传递时间取决于事故发生 地点到检测点的距离和声音在管道流体中传播的速度。当泄 漏发生时,管道完成过渡达到新的稳态。

第5章?环境与灾害参数检测 过渡时间由动量和冲量定理确定,一般为几分钟至十几 分钟。为了解决专用检测仪表检测扩张波峰产生噪声后的可

靠性问题,PPA在检测点检测流体从某一稳态过渡到另一稳
态时管道中流体压力和速度的变化情况。PPA的分析过程不 需要在不变的稳态之间过渡,它适合于管道的现行操作。 PPA检测首先分析取自单个测试点的一组数据,然后应用计 算机处理这些原始数据,以确定管道是否有泄漏点。?

第5章?环境与灾害参数检测

4)神经网络泄漏检测技术?
人工神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经元网络 的结构与特点的系统。我们利用人工神经元可以构成各种不 同拓扑结构的神经网络,它是生物神经网络的一种模拟和近 似。目前,神经网络已逐步发展为一种公认的、强有力的计 算或处理模型。神经网络的应用领域包括:辨识、控制、预 测、优化、诊断、模式识别、信息压缩、数据融合、风险评 估等。基于人工神经网络的管道泄漏检测是一种有前途的和 正在发展中的方法。国外已有报道,基于人工神经网络的液 化气管道检漏系统已获得成功应用,在100s以内可监测并定 位出泄漏量相当于管道内流体流量1%以内的泄漏点,监测 误报率低于50%。

第5章?环境与灾害参数检测 表5-3各种检测方法和技术的比较
泄漏检测 方法 生物方法 光纤方法 声学方法 蒸气检测 负压方法 流量变化 质量平衡 实时模型 压力点高 遥感技术 检漏检 测灵敏 度 高 高 高 高 高 低 低 高 差 中 泄漏点 定位能 力 好 好 好 好 好 差 差 好 无 好 操作条 件改变 好 好 不好 好 不好 不好 不好 好 好 好 实用 性评 估 差 差 好 差 好 好 好 好 好 好 误报 警率 低 中 高 低 高 高 高 高 高 中 技术维 护要求 中 中 中 中 中 低 低 高 中 高 检测费 用消耗 高 高 中 高 中 低 低 高 中 高

第5章?环境与灾害参数检测

5.5火灾参数检测与自动报警系统
5.5.1火灾探测与信号处理 1.火灾现象 1)热(温度)? 凡是物质燃烧,就必然有热量释放出来,使环境温度升 高。环境温度升高的速率与物质燃烧规模和燃烧速度有关。

在燃烧规模不大、燃烧速度非常缓慢的情况下,物质燃烧所
产生的热(温度)是不容易鉴别出来的。

第5章?环境与灾害参数检测 2)燃烧气体? 物质在燃烧的开始阶段,首先释放出来的是燃烧气体。 其中有单分子的CO、CO2 等气体、较大的分子团、灰烬和未 燃烧的物质颗粒悬浮在空气里,我们将这种悬浮物称为气溶 胶,其颗粒粒子直径一般在0.1μ m左右。

第5章?环境与灾害参数检测 3)烟雾? 烟雾没有严格科学的定义,一般是把人们肉眼可见的

燃烧生成物,其粒子直径在0.01~10μ m?的液体或固体
微粒与气体的混合物称为烟雾。不管是燃烧气体还是烟雾, 它们都有很大的流动性和毒害性,能潜入建筑物的任何空

间,其毒害性对人的生命威胁特别大。据统计,在火灾中
约有70%死者是由于吸入燃烧气体或烟雾造成的,所以在火 灾中将它们合在一起作为检测参数来考虑,称为烟雾气溶 胶或简称烟气。

第5章?环境与灾害参数检测

4)火焰?
火焰是物质着火产生的灼热发光的气体部分。物质燃烧 到发光阶段是物质的全燃阶段,在这一阶段中,火焰热辐射 含有大量的红外线和紫外线。易燃液体燃烧,是其不断蒸发 的可燃蒸汽在气相中燃烧,其火焰热辐射很强,含有更多的 紫外线。? 对于普通可燃物质,其燃烧表现形式首先是产生燃烧气 体,然后是烟雾,在氧气供应充分的条件下才能达到全部燃 烧,产生火焰并散发出大量的热,使环境温度升高。有机化 合物及易燃液体的起火过程则不同,它们表面全部着火前的 过程甚短,火灾发展迅速,有强烈的火焰辐射,很少产生烟 和热。

第5章?环境与灾害参数检测 2.火灾探测方法 火灾的探测是以物质燃烧过程中产生的各种现象为依 据,以实现早期发现火灾为前提的。因为火灾的早期发现 是充分发挥灭火措施的作用,减少火灾损失和保卫生命财 产安全的重要条件,所以,世界各国对火灾自动报警技术 的研究,都着眼于火灾探测手段的研究和实验工作,以期 发现新的早期火灾探测方法,开拓火灾自动报警技术的新 领域。? 根据火灾现象和普通可燃物质的典型起火过程曲线, 火灾的探测方法目前主要有以下几种。

第5章?环境与灾害参数检测 1)空气离化探测法? 这是以火灾早期产生的烟气为主要检测对象的火灾探测 方法。空气离化法利用放射性同位素 241Am所产生的α 射线 (即带正电的粒子流,也就是氦原子核流,其穿透能力很小、 而电离能力很强),将处于一定电场中两电极间的空气分子 电离成正离子和负离子,使电极间原来不导电的空气具有一 定的导电性,形成离子电流。当含烟气流进入电离空间时, 由于烟粒子对带电离子的吸附作用和对α 射线的阻挡作用, 原有的离子电流发生变化(减小),离子电流变化量的大小 反映了进入电离空间烟粒子的浓度,从而将烟气浓度转化成 电信号,据此可探测火灾的发生。显然,空气离化火灾探测 方法是放射性同位素在火灾探测技术方面的应用,是原子能 和平利用的一个重要方面。

第5章?环境与灾害参数检测 2)热(温度)检测法? 这是以火灾产生的热对流所引起环境温度上升为主要

检测对象的火灾探测方法。该方法主要利用各种热(温度)
敏感元件来检测火灾所引起的环境温升速率或环境温度变 化。热(温度)检测方法是最早使用的火灾探测方法,迄 今已有一百多年的历史。?

第5章?环境与灾害参数检测 3)光电探测方法? 这是以早期火灾产生的烟气为检测对象的火灾探测方法。 该方法根据光学原理和光电转换机理,利用烟雾粒子对光的 阻挡吸收和散射特性来实现对火灾的早期发现。随着近年来 微电子技术和光电转换技术的不断发展,光电探测方法在火 灾探测领域获得了广泛的应用。

第5章?环境与灾害参数检测 4)光辐射或火焰辐射探测方法? 这是以物质燃烧所产生的火焰热辐射为检测对象的火 灾探测方法。该方法利用红外或紫外光敏元件来检测火灾 产生的红外辐射或紫外辐射,从而达到早期发现火灾的目 的。这类探测方法特别适于对火灾起始阶段很短、火灾发 展迅速的油品类火灾的探测。

第5章?环境与灾害参数检测 5)可燃气体探测法? 这种方法是以早期火灾所产生的可燃气体或气溶胶为 检测对象的火灾探测方法。该方法主要利用半导体式和催 化燃烧式气敏元件的转化机理来早期探测火灾。由于各种 气敏元件用于火灾探测的机理还有待进一步完善,因此这 类探测方法尚没有在火灾探测中获得广泛应用。? 综合上述各种探测方法:对于普通可燃物质燃烧过程, 用光电探测法和空气离化法应用最广、探测最及时,用热 (温度)检测法则相对较迟缓,但它们都是广泛使用的火 灾探测方法;其他两种探测方法仅在一定范围内使用。

第5章?环境与灾害参数检测

3.火灾探测器的产品型号?
在GA/T228-1999《火灾探测器产品型号标准方法》中,

按照标准规定,火灾探测器的产品型号如图5-17所示。

图5-17火灾探测器的产品型号

第5章?环境与灾害参数检测

图中:?
1 ——消防产品中的火灾报警设备分类代号,采用“J” 表示。? 2 ——火灾探测器类型分组代号。各种火灾探测器的具 体表示方法是:? Y——感烟火灾探测器;?

W——感温火灾探测器;?
G——感光火灾探测器?? Q——气体敏感火灾探测器;? T——图像摄像方式火灾探测器;? S——感声火灾探测器;?

F——复合式火灾探测器。?

第5章?环境与灾害参数检测 3 4 ——火灾探测器应用范围特征代号。表示方法

是:防爆型用B(在前),普通型省略;船用型用C(在
后),普通型省略。 5 ——火灾探测器中传感器特征代号。常用表示方法 如下。? (1)感烟火灾探测器采用如下字符表示:?

L——离子;G——光电;?
H——红外光束;LX——吸气型离子;?

GX——吸气型光电。

第5章?环境与灾害参数检测 (2)感温火灾探测器采用两个字母表示。其中,第一个 字母采用如下字符表示:? M——膜盒;S——双金属;? Q——玻璃球;G——空气管;? J——易熔金属;L——热敏电缆;?

O——热电偶;B——半导体;?
Y——水银接点;Z——热敏电阻;? R——易熔材料;X——光纤。? 第二个字母采用如下字符表示:? D——定温;C——差温;O——差定温。

第5章?环境与灾害参数检测

(3)感光火灾探测器采用如下字符表示:?
Z——紫外;H——红外;D——多波段。? (4)气体敏感火灾探测器采用如下字符表示:? B——半导体;C——催化。 (5)复合火灾探测器采用上述代号组合,图像摄像方式 和感声式火灾探测器特征省略。?? 6 ——表示火灾探测器的传输方式代号,表示方法是: W——无限传输方式;M——编码方式;F——非编码方式。 火灾探测器厂家及产品代号,一般是4~6位,前2~3 位采用字母表示厂家代号,其后采用数字表示产品下列号。

第5章?环境与灾害参数检测 5.5.2火灾自动报警系统

1.火灾自动报警系统的组成
火灾自动报警系统由火灾探测器、火灾报警控制器、 火灾报警装置、火灾报警联动控制装置等组成,其核心是 由各种火灾探测器与火灾报警控制器构成的火灾信息探测 系统。为了达到我国有关消防技术规范提出的火灾自动报 警系统的基本要求,并为一些特殊对象中系统的应用提供 基础,我国国家标准GB50116-98《火灾自动报警系统设计 规范》中还纳入了消防联动控制的技术要求,强调火灾自 动报警系统具有火灾监测和联动控制两个不可分割的组成 部分,因此,火灾自动报警系统也常称为火灾监控系统。

第5章?环境与灾害参数检测 1)触发器件?

在火灾自动报警系统中,自动或手动产生火灾报警信 号的器件称为触发器件,它主要包括火灾探测器和手动火 灾报警按钮。不同类型的火灾探测器适用于不同类型的火 灾和不同的场所,在实际应用中,应当按照现行有关国家 标准的规定合理选择。?
另一类触发器件是手动火灾报警按钮。它是用手动方 式产生火灾报警信号、启动火灾自动报警系统的器件,也 是火灾自动报警系统中不可缺少的组成部分之一。

第5章?环境与灾害参数检测 2)火灾报警装置? 在火灾自动报警系统中,用以接收、显示和传递火灾 报警信号,并能发出控制信号和具有其他辅助功能的控制 指示设备称为火灾报警装置。火灾报警控制器就是其中最 基本的一种。火灾报警控制器具备为火灾探测器供电、接 收、显示和传输火灾报警信号,并能对自动消防设备发出 控制信号的完整功能,是火灾自动报警系统中的核心组成 部分。

第5章?环境与灾害参数检测 火灾报警控制器按其用途不同,可分为区域火灾报警控 制器、集中火灾报警控制器和通用火灾报警控制器三种基本

类型。区域火灾报警控制器用于火灾探测器的监测、巡检、
供电与备电,接收火灾监测区域内火灾探测器的输出参数或 火灾报警、故障信号,并且转换为声、光报警输出,显示火

灾部位或故障位置等。其主要功能有火灾信息采集与信号处
理,火灾模式识别与判断,声、光报警,故障监测与报警, 火灾探测器模拟检查,火灾报警计时,备电切换和联动控制

等。

第5章?环境与灾害参数检测 集中火灾报警控制器用于接收区域火灾报警控制器的火 灾报警信号或设备故障信号,显示火灾或故障部位,记录火 灾信息和故障信息,协调消防设备的联动控制和构成终端显 示等。其主要功能包括火灾报警显示、故障显示、联动控制 显示、火灾报警计时、联动联锁控制实现、信息处理与传输 等。?

通用火灾报警控制器兼有区域和集中火灾报警控制器的 功能,小容量的可以作为区域火灾报警控制器使用,大容量 的可以独立构成中心处理系统,其形式多样、功能完备,可 以按照其特点用做各种类型火灾自动报警系统的中心控制器, 完成火灾探测、故障判断、火灾报警、设备联动、灭火控制 及信息通信传输等功能。

第5章?环境与灾害参数检测 3)火灾警报装置? 在火灾自动报警系统中,用以发出区别于环境声、光的

火灾警报信号的装置称为火灾警报装置。火灾警报器就是一
种最基本的火灾警报装置,它以声、光音响方式向报警区域 发出火灾警报信号,以警示人们采取安全疏散、灭火救灾措 施。

第5章?环境与灾害参数检测

4)消防控制设备?
在火灾自动报警系统中,当接收到来自触发器件的火灾 报警信号时,能自动或手动启动相关消防设备并显示其状态 的设备,称为消防控制设备,主要包括火灾报警控制器,自 动灭火系统的控制装置,室内消火栓系统的控制装置,防烟、 排烟系统及空调通风系统的控制装置,常开防火门、防火卷 帘的控制装置,电梯回降控制装置以及火灾应急广播、火灾 警报装置、消防通信设备、火灾应急照明与疏散指示标志的 控制装置等十类控制装置中的部分或全部。消防控制设备一 般设置在消防控制中心,以便于实行集中统一控制。也有的 消防控制设备设置在被控消防设备所在现场,但其动作信号 则必须返回消防控制室,实行集中与分散相结合的控制方式。

第5章?环境与灾害参数检测 5)电源? 火灾自动报警系统属于消防用电设备,其主电源应当采 用消防电源,备用电源采用蓄电池。系统电源除为火灾报警 控制器供电外,还为与系统相关的消防控制设备等供电。

第5章?环境与灾害参数检测 2.火灾报警控制器的功能要求 火灾报警控制器主要包括电源部分和主机部分。火灾报

警控制器主机部分承担着对火灾探测器输出信号的采集、处
理、火警判断、报警及中继等功能。从原理上讲,无论是区 域火灾报警控制器还是集中火灾报警控制器,都遵循同一工 作模式,即采集探测源信号→输入单元→自动监测单元→输 出单元。同时,为了方便使用和扩展功能,又附加上人机接 口—键盘、显示单元、输出联动控制部分、计算机通信单元、 打印机部分等。

第5章?环境与灾害参数检测 对火灾报警控制器主机部分而言,其常态是监测火灾 探测器回路的变化情况,遇有火灾报警信号时执行相应的 操作。因此,火灾报警控制器主机部分的主要功能如下: (1)故障声光报警。当火灾探测器回路断路、短路、 出现自身故障和系统故障时,火灾报警控制器均应进行声、 光报警,指示具体故障部位。? (2)火灾声光报警。当火灾探测器、手动报警按钮或 其他火灾报警信号单元发出火灾报警信号时,火灾报警控 制器应能够迅速、准确地接收、处理火灾报警信号,进行 火灾声光报警,指示具体火灾报警部位和时间。

第5章?环境与灾害参数检测 (3)火灾报警优先。火灾报警控制器在报故障时,如果 出现火灾报警信号,应能够自动切换到火灾声光报警状态。

若故障信号依然存在,则只有在火情被排除、人工进行火灾
信号复位后,火灾报警控制器才能够转换到故障报警状态。 (4)火灾报警记忆。当火灾报警控制器接收到火灾探测 器的火灾报警信号时,应能够保持并记忆,不可随火灾报警 信号源的消失而消失,同时应还能够接收、处理其他火灾报 警信号。

第5章?环境与灾害参数检测 (5)声光报警消声及再声响。火灾报警控制器发出声 光报警信号后,可通过火灾报警控制器上的消声按钮人为 消声。同时,在停止声响报警时又出现其他报警信号,火 灾报警控制器应能够继续进行声光报警。? (6)时钟及时间记录。火灾报警控制器本身应提供一 个工作时钟,用于给工作状态提供监测参考。当发生火灾 报警时,时钟应能指示并记录准确的报警时间。? (7)输出控制。火灾报警控制器应具有一对以上的输 出控制接点,用于火灾报警时的直接联动控制,如控制警 铃、启动自动灭火系统等。

第5章?环境与灾害参数检测 3.火灾自动报警系统的设计形式

1)设计选型依据?
依据各类火灾参数敏感元件输出的电信号,取不同的火 灾信息判断处理方式,可以得到不同形式的火灾自动报警系 统,并导致系统火灾探测与报警能力、各类消防设备协调控 制和管理能力以及系统本身与上级网络的信息交换与管理能 力等方面产生较大的差别。考虑到火灾自动报警系统的基本 保护对象是工业与民用建筑,各种保护对象的具体特点又千 差万别,对火灾自动报警系统的功能要求也不尽相同;同时, 从设计技术的角度来看,火灾自动报警系统的结构形式可以 做到多种多样。

第5章?环境与灾害参数检测 但从标准化的基本要求来看,系统结构形式应当尽可能 简化、统一,避免五花八门,脱离规范。因此,火灾自动报

警系统按国家标准GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》
规定进行设计。一般地,根据火灾监控对象的特点和火灾报 警控制器的分类以及消防设备联动控制要求的不同,火灾自 动报警系统的基本设计形式有三种,即区域报警系统、集中 报警系统和控制中心报警系统。

第5章?环境与灾害参数检测 2)区域报警系统设计形式? 区域报警系统由火灾探测器、手动报警器、区域报警 控制器或通用报警控制器、火灾警报装置等构成,其原理 如图5-18所示。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-18区域报警系统

第5章?环境与灾害参数检测 进行区域报警系统设计时,应符合下列几点要求:? (1)在一个区域系统中,宜选用一台通用火灾报警控 制器,最多不超过两台;? (2)区域报警控制器应设在有人值班的房间;?

(3)区域报警系统容量比较小,只能设置一些功能简
单的联动控制设备。?

第5章?环境与灾害参数检测 3)集中报警系统设计形式? 集中报警系统由火灾探测器、区域火灾报警控制器或用 做区域报警的通用火灾报警控制器和集中火灾报警控制器等 组成。传统型集中报警控制系统应设有一台集中报警控制器 (或通用报警控制器)和两台以上区域报警控制器(或楼层 显示器,带声光报警),其系统如图5-19所示。其中,消防 泵、喷淋泵、风机等联动控制部分没有画出。这类系统中的 联动控制信号取自集中火灾报警控制器,并且通过消防联动 控制台对消防设备进行直接控制。

第5章?环境与灾害参数检测

图5-19集中报警系统

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4)控制中心报警系统设计形式?
控制中心报警系统是由设置在消防控制中心(或消防控 制室)的消防联动控制设备、集中火灾报警控制器、区域火 灾报警控制器和各种火灾探测器等组成(如图5-20所示),或 由消防联动控制设备、环状布置的多台通用火灾报警控制器

和各种火灾探测器及功能模块等组成。控制中心报警系统的
消防控制设备主要是:火灾警报器的控制装置、火警电话、 空调通风及排烟、消防电梯等控制装置、火灾事故广播及固

定灭火系统控制装置等。它进一步加强了对消防设备的监测
和控制,可兼容各种类型的火灾探测器和功能模块,可以对 各类消防设备实现联动控制和手动/自动控制转换。?

第5章?环境与灾害参数检测

图5-20控制中心报警系统

第5章?环境与灾害参数检测

5)火灾监控系统的应用形式?
根据火灾自动报警系统的基本结构和设计形式,火灾自 动报警系统按照所采用的火灾探测器、各种功能模块和楼层 显示器等与火灾报警控制器的连接方式(接线制),分为多 线制和总线制两种系统应用形式;按各个生产厂的系统实际 产品形式,分为中控机、主子机和网络通信系统应用形式等。

多线制系统应用形式是火灾自动报警系统的基本结构形 式,与早期产品设计、开发和生产有关。多线制系统应用形 式易于判断,系统中火灾探测器和各种功能模块与火灾报警 控制器采用硬线对应连接方式,火灾报警控制器依靠直流信 号对火灾探测器进行巡检以实现火灾和故障判断处理,系统 线制为:an+b(n是火灾探测器个数或编码地址个数,a、b是 设计系数)。

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总线制系统应用形式也是火灾自动报警系统的基本结构 形式,是在多线制结构基础上发展起来的。总线制系统主要 采用数字电路构成编码、译码电路,并采用数字脉冲信号巡 检和数据协议通信与信息压缩传输,系统接线少、总功耗低 且可靠性高、工程布线灵活性和抗干扰能力强、误报率低。 当前,主要采用二总线、三总线和四总线等系统应用形式。
总的来讲,采取不同的火灾信息判断处理方式和火灾模 式识别方式,可得到不同应用形式的火灾自动报警系统。从 石油化工生产安全监控要求来看,区域报警系统联动固定灭 火装置的模式或集中报警系统形式应用较多,可广泛用于大 型化工仓库、输配电站、油库等场所。所用的火灾探测器, 除典型感烟和感温探测器外,红外光分离式感烟探测器、紫 外火焰探测器、可见光探测器及线缆式火灾探测器广泛应用 于石化场所,用于及时探测各种有机物火灾、油品火灾等。


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