一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器

摘要

本发明提供一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，包括传感器模块、中心控制模块、电源模块、CAN总线传输模块及声光报警模块，传感器模块由烟雾传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器、压力传感器、湿度传感器并接而成；中心控制模块实时读取传感器中烟雾、温度、一氧化碳浓度、压力、湿度数据，根据压力、湿度自动调整报警阈值，识别环境中干扰源和真实火灾；声光报警模块由中心控制模块控制是否发出报警指示；在连接网络情况下，CAN总线传输模块将中心控制模块输出信号发送到控制平台。其可以对多火灾特征参数、环境参数进行采集、分析，从而消除检测区域环境参数变化引起的火灾探测器误报现象的发生，并可以早期快速探测到火灾。

权利要求

1.一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，包括传感器模块、中心控制模块、电源模块、CAN总线传输模块及声光报警模块；其特征在于：电源模块与其他各模块相连，为整个电路提供电力；传感器模块与中心控制模块相连，由烟雾传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器、压力传感器、湿度传感器并接而成，对监测区域的烟雾浓度、温度、一氧化碳浓度、压力及湿度进行采集，并将采集数据传送至中心控制模块；中心控制模块与其他各模块相连，控制传感器模块的工作状态与数据分析，实时读取传感器中烟雾、温度、压力、湿度数据，根据压力和湿度自动调整报警阈值，识别环境中干扰源和真实火灾，控制CAN总线传输模块的数据设置及工作状态，控制声光报警模块的工作状态；CAN总线模块与中心控制模块相连，负责向控制平台发送火灾报警信号及接收控制平台控制信号；声光报警模块与中心控制模块相连，在火灾时发出报警指示。

2.根据权利要求1所述的一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，其特征在于：

压力传感器、湿度传感器采集到监测区域实时压力和湿度，传送到中心控制模块，中心控制模块将实时压力、湿度与初始压力、湿度做比较分析；当压力和湿度都维持初始值时，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值维持初始设定值；当压力不变，湿度增加时，判断为环境中存在水蒸气干扰源，烟雾阈值变大；当压力变小，湿度不变时，判断为飞机处于巡航状态或者监测区域为低压环境，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值均变小；

当压力变小，湿度增大时，判断检测环境存在2种情况，第一种，飞机处于巡航状态且货舱内存在水蒸气干扰源，第二种，飞机处于上升状态，舱内压力使水蒸气增多，舱内可能有火灾，此时烟雾阈值变大，温度增长速率阈值和CO增长速率阈值变小。

3.根据权利要求1所述的一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，其特征在于：

所述复合火灾探测器内置声光报警模块与CAN总线传输模块，可作为独立火灾探测器，也可用于构建联网火灾探测系统。

说明书

一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器

技术领域

[0001] 本发明属于火灾探测技术领域，具体涉及一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，该复合火灾探测器还可以用于类似飞机货舱等特殊环境的探测。

背景技术

[0002] 飞机货舱分为气密舱（不直接与外界大气相通，可以调节压力和温度等环境）和非气密舱（直接与外界大气相通）两类。由于气密舱可以运输鲜活物品，现代飞机的货舱一般都采用气密舱。为了使飞机结构能够承受机舱内外的压差，气密型货舱中的压力也会随着飞行高度的变化而变化。货舱压力从飞机起飞高度开始，随飞机爬升环境压力下降，飞行高度越高压力越低。现代民航客机在10000米左右高度巡航飞行时，货舱内的压力约为0.8个标准大气压。气压下降对烟颗粒的形成、凝并及输运过程带来一系列的影响，最终造成低压与常压环境下探测器响应值出现较大差别，如光电感烟探测器在低压低氧环境中几乎不响应，无法给出火灾报警[Tu R.,Yu C.Y.,Xiao X.,Fang J.,Zhang Y.M.Response of ordinary fire smoke detectors under different ambient pressure.14th International Conference on Automatic Fire Detection,Germany,2009]。飞机货舱内货物的多样性与环境变化因素相耦合也会引起探测器发生误报。例如，当飞机货舱内装有大量新鲜水果时，随着货舱内压力、温度的变化，水果中的水分会进入货舱中，造成环境湿度的变化，如有水珠在感烟探测器内部凝结，就可能引起误报。过多的假火警不仅给航空公司带来巨大的经济损失，而且对火警进行处理和按应急程序着陆的过程中，会增加恶性飞行事故发生的可能性。因此，需要设计适用于飞机货舱等特殊环境的火灾探测器，以减少误报率，降低经济损失。

[0003] 发明专利《线型多参数复合火灾探测器（授权公告号CN101246628B）》介绍了一种应用于工矿等特殊场所的复合火灾探测器。探测器采用半导体气敏传感器、红外烟雾传感器、红外热敏传感器、红外火焰传感器采集监测区域气体、烟雾、热能、光能四种火灾参量。探测器未考虑环境压力、湿度等参数对探测性能的影响。

[0004] 专利号为EP1732049A1的欧洲专利介绍了一种应用于飞机等特殊环境的复合火灾探测器。探测器采集监测区域烟雾浓度、温度、湿度，根据环境湿度、温度改变烟雾报警阈值，可识别水蒸气干扰源。但是，探测器也未考虑环境压力对探测器性能的影响。按照该专利所述探测算法，湿度增加时，识别为水蒸气干扰源概率增高，烟雾报警阈值升高，如果此时压力较低，火灾发生时，烟雾报警信号会比正常压力情况下低，会导致响应变慢，甚至误报。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，该探测器准确率高、响应迅速，既可以独立工作，也可以构建火灾探测系统，通过CAN总线传输信号。

[0006] 为了达到上述的目的，本发明采用的技术方案为：一种用于飞机货舱特殊环境的复合火灾探测器，包括传感器模块、中心控制模块、电源模块、CAN总线传输模块及声光报警模块；电源模块与其他各模块相连，为整个电路提供电力；传感器模块与中心控制模块相连，由烟雾传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器、压力传感器、湿度传感器并接而成，可以对监测区域的烟雾浓度、温度、一氧化碳浓度、压力及湿度进行采集，并将采集数据传送至中心控制模块；中心控制模块与其他各模块相连，控制传感器模块的工作状态与数据分析，实时读取传感器中烟雾、温度、压力、湿度数据，根据压力、湿度自动调整报警阈值，识别环境中干扰源和真实火灾，控制CAN总线传输模块的数据设置及工作状态，控制声光报警模块的工作状态；CAN总线模块与中心控制模块相连，负责向控制平台发送火灾报警信号及接收控制平台控制信号；声光报警模块与中心控制模块相连，在火灾时发出报警指示。

[0007] 进一步的，压力传感器、湿度传感器采集到监测区域实时压力和湿度，传送到中心控制模块，中心控制模块将实时压力、湿度与初始压力、湿度做比较分析；当压力和湿度都维持初始值时，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值维持初始设定值；当压力不变，湿度增加时，判断为环境中存在水蒸气干扰源，烟雾阈值变大；当压力变小，湿度不变时，判断为飞机处于巡航状态或者监测区域为低压环境，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值均变小；当压力变小，湿度增大时，判断检测环境存在2种情况，第一种，飞机处于巡航状态且货舱内存在水蒸气干扰源，第二种，飞机处于上升状态，舱内压力使水蒸气增多，舱内可能有火灾，此时烟雾阈值变大，温度增长速率阈值和CO增长速率阈值变小。

[0008] 进一步的，所述复合火灾探测器内置声光报警模块与CAN总线传输模块，可作为独立火灾探测器，也可用于构建联网火灾探测系统。

[0009] 本发明的原理在于：

[0010] 本发明主要模块组成如图1所示，包括传感器模块1、中心控制模块2、电源模块3、CAN总线传输模块4及声光报警模块5；电源模块与其他各模块相连，为整个电路提供电力；传感器模块与中心控制模块相连，由烟雾传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器、压力传感器、湿度传感器并接而成，可以对监测区域的烟雾浓度、温度、一氧化碳浓度、压力及湿度进行采集，并将采集数据传送至中心控制模块；中心控制模块与其他各模块相连，控制传感器模块的工作状态与数据分析，实时读取传感器中烟雾、温度、压力、湿度数据，根据压力、湿度自动调整报警阈值，识别环境中干扰源和真实火灾，控制CAN总线传输模块的数据设置及工作状态，控制声光报警模块的工作状态；CAN总线模块与中心控制模块相连，负责向控制平台发送火灾报警信号及接收控制平台控制信号；声光报警模块与中心控制模块相连，包括火警报警和故障报警，在火灾时发出报警指示，或在系统低电量和存在其他故障时发出故障指示；内置声光报警模块与CAN总线传输模块，可作为独立火灾探测器，也可用于构建联网火灾探测系统；

[0011] 本发明中心控制模块2采用根据压力、湿度调整报警阈值的探测算法如图2所示，压力传感器、湿度传感器采集到监测区域实时压力和湿度，传送到中心控制模块，中心控制模块将实时压力、湿度与初始压力、湿度做比较分析；当压力和湿度都维持初始值时，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值维持初始设定值；当压力不变，湿度增加时，判断为环境中存在水蒸气干扰源，烟雾阈值变大，以消除由水蒸气引起的探测器误报现象；当压力变小，湿度不变时，判断为飞机处于巡航状态或者监测区域为低压环境，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值均变小，以消除压力降低引起的探测器漏报现象；当压力变小，湿度增大时，判断检测环境存在2种情况，第一种，飞机处于巡航状态且货舱内存在水蒸气干扰源，第二种，飞机处于上升状态，舱内压力使水蒸气增多，舱内可能有火灾，为了降低压力对探测器性能的影响同时消除误报，烟雾阈值变大，温度增长速率阈值和CO增长速率阈值变小。

[0012] 本发明的优点和积极效果为：

[0013] （1）、本发明可以实时采集监测区域内烟雾浓度、温度、一氧化碳浓度、压力、湿度多种火灾特征参数及环境参数，通过对各个传感器数据的综合分析判断监测区域是否发生火灾，消除了压力和湿度对探测器性能的影响，消除了由环境参数变化引起的探测器误报现象。

[0014] （2）、本发明通过对压力和湿度的综合分析，调整报警阈值，可以实现早期火灾探测，提高火灾探测器响应能力。

[0015] （3）、本发明内置声光报警模块与CAN总线传输模块，可作为独立火灾探测器，也可用于飞机货舱类似场所构建联网火灾探测系统。

[0016] （4）、本发明的烟雾传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器各自独立工作，可根据监测环境特点进行参数配置，克服了单一传感器准确性、可靠性差的缺点，提高了火灾探测的准确性。

[0017] （5）、本发明采用改变报警阈值算法判断是否发生火灾，该探测算法清晰直观，工程技术人员容易理解，易于工程性操作。

附图说明

[0018] 图1为本发明各模块组成框图；

[0019] 图2为本发明探测算法中阈值调整流程图；

[0020] 图3为本发明探测报警流程图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

[0022] 实施例：

[0023] 本发明在充分考虑探测器准确性与稳定性的基础上选取元器件。

[0024] 1）传感器模块1包括感烟传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器、压力传感器、湿度传感器。感烟传感器采用激光感烟技术，包括激光驱动电路、激光二极管、光学烟室、硅光电池。激光驱动电路采用恒流源驱动芯片IC-WKN，激光二极管采用N型半导体激光二极管，功率为5mw，波长为850nm。受光元件选用大面积硅光电池，能够提高对微弱散射光探测的灵敏度。热敏传感器采用响应更快、工作稳定的Pt100，测温范围为-200～850℃。一氧化碳传感器选择TGS5042电化学传感器，该传感器具有气体选择性好、抗气体干扰能力强、成本低、寿命长和使用简单电路即可对一氧化碳气体具有良好敏感性等特点。压力传感器采用1451传感器，测量范围为0～2.0atm。湿度传感器采用HTU21D传感器，测量范围为0～100%HR。通过中心控制模块中AD转换功能对各个传感器采集信号进行处理。

[0025] 2）中心控制模块2采用LPC1766芯片，该芯片包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、2条CAN通道、8通道的12位ADC。中心控制模块负责对感烟传感器、热敏传感器、一氧化碳传感器、压力传感器、湿度传感器采集的数据进行储存和分析，判断是否有火灾发生；中心控制模块1负责设置CAN总线模块4的传输格式及传输速率；中心控制模块1负责驱动声光报警模块5给出报警指示。

[0026] 3）电源模块3包括3.3V锂电池、BQ27510电量检测芯片，BQ27510检测到电池电量过低时，向中心控制模块1发送报警信号，中心控制模块1驱动故障LED指示灯闪烁，提示工作人员及时更换电池。

[0027] 4）CAN总线模块4采用LPC1766内置的CAN控制器和TJA1050高速CAN收发器。

[0028] 5）声光报警模块包括蜂鸣器、红色报警LED指示灯、绿色故障LED指示灯。当中心控制模块确定有火灾发生时，驱动声光报警模块，蜂鸣器开始鸣叫，红色LED闪烁。

[0029] 本发明中烟雾报警阈值设置为97%/ft（漏光率与烟雾浓度成反比），温度报警阈值为实时温度大于初始环境温度且温升速率大于0.2℃/s，一氧化碳报警阈值为实时一氧化碳浓度大于初始环境一氧化碳浓度且一氧化碳增长速率大于0.5ppm/s，该阈值都可根据需要进行调整。当烟雾、温度、一氧化碳其中任一个给出报警信号，则中心控制模块发出报警信号。

[0030] 调整报警阈值的探测算法如图2所示。

[0031] 1）当压力和湿度都维持初始值时，烟雾阈值、温度增长速率阈值、CO增长速率阈值维持初始设定值。

[0032] 2）当压力不变，湿度增加时，判断为环境中存在水蒸气干扰源，烟雾阈值变大调整为92%，以消除由水蒸气引起的探测器误报现象。

[0033] 3）当压力变小，湿度不变时，判断为飞机处于巡航状态或者监测区域为低压环境。对照Wieser[Wieser,D.,R Jauch,and U.Willi,The influence of high altitude on fire detectortest fires[J].Fire Safety Journal,1997.29(2-3):p.195-204]的实验结果，燃烧速率m与大气压P的关系是：m∝Pα式中α是常数。对于正庚烷，α=1.3，根据飞机巡航0.8atm和地面大气压1atm，两种情况下燃烧速率比为0.748。燃烧速率影响火灾初期产物浓度，烟雾阈值、温度增长速率阈值、一氧化碳增长速率阈值均按照这个比率进行调整变为
97.8%/ft、0.15℃/s、0.374ppm/s，以消除压力降低引起的探测器漏报现象。具体计算公式如下：

[0034] 燃烧速度比率

[0035] 烟雾阈值S＝1-(1-S0)×β

[0036] 温度增长速率阈值dT＝dT0×β

[0037] 一氧化碳增长速率阈值dCO＝dCO0×β

[0038] 其中：

[0039] P为压力传感器采集的实时压力；

[0040] P0为初始环境压力；

[0041] α为常数，根据监测区域可燃物品进行选择，默认为1.3；

[0042] S0为烟雾初始设置阈值；

[0043] dT0为温度增长速率初始设置阈值；

[0044] dCO0为一氧化碳增长速率初始设置阈值。

[0045] 4）当压力变小，湿度增大时，判断检测环境存在2种情况，第一种，飞机处于巡航状态且货舱内存在水蒸气干扰源，第二种，飞机处于上升状态，舱内压力使水蒸气增多，舱内可能有火灾，为了降低压力对探测器性能的影响同时消除误报，烟雾阈值变大调整为92%，温度增长速率阈值和CO增长速率阈值变小调整为0.15℃/s、0.374ppm/s。具体计算方法与3）相同。

[0046] 探测报警具体流程如图3所示：

[0047] 1）初始化各模块功能，测试各个元器件能否正常工作；

[0048] 2）决定是否采用CAN总线构建火灾探测系统，如果采用CAN总线，则启动CAN总线模块；若不采用CAN总线，则探测器进入独立工作模式；

[0049] 3）传感器模块1将数据传输至中心控制模块2，中心控制模块2根据压力和湿度调整阈值。依次判断烟雾、温度、一氧化碳浓度是否达到报警阈值，其中任一个发出报警信号，中心控制模块开启声光报警模块5。若探测器加入CAN总线系统，则通过CAN总线模块4将报警信号发送到控制平台。