余舒 黄丹丹 李自强 范越 王国强 张青松 罗星娜

摘 要：掌握粉体灭火剂在空间内的浓度分布及其变化规律对于其灭火效能的评价具有重要意义。以空间内粉体灭火剂浓度动态测量为目标，分析和对比了多种颗粒物浓度测量原理，选用消光法建立模型，开展测量系统设计，并对模型参数的选取方法进行了细致的分析，提出了一种粉体灭火剂浓度的动态测试方法。为验证方法可行性，建立了一套简易浓度测试装置，依照消光法开展了灭火剂浓度的实验测量。实验结果表明，粉体灭火剂浓度变化对光信号影响显著，测试结果反映了灭火剂浓度随时间的变化规律，且浓度计算结果与实际值具有可比性。

关键词：粉体灭火剂 浓度 动态测量 消光法

中图分类号：X932 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0030-02

灭火剂浓度是影响灭火效能的重要因素，实时快速的测定空间内灭火颗粒物浓度，对于了解灭火剂运动规律和灭火系统有效性的评估也有重要意义。然而快速准确地测定高浓度粉体灭火剂的浓度变化依然存在困难。常见的颗粒物浓度测试装置以滤膜采样称重[1]或激光消光[2]为主要原理，用于工业粉尘检测，普遍采用气泵采样后进行测试的方法，并非真正的在线测试，且采样误差也会对结果准确性产生影响。目前还没有专门用于粉体灭火剂浓度检测的设备。为准确测定粉体灭火剂的灭火浓度，刘淑文等[3]使用了一种固体螺旋进料器定量输送灭火粉体，但是这种方法与实际灭火场景的灭火剂输送过程差别较大。

本研究结合粉体灭火剂颗粒特征，选用适合的粉体浓度测试原理，结合灭火实验条件，对不影响灭火剂正常输送的条件下进行粉体灭火剂浓度在线检测的可行性进行了理论和实验的研究。

1 颗粒物浓度测量原理分析

常见的颗粒浓度测试方法有以林格曼黑度法和采样法为代表的手工监测法、射线法和多种光学方法[4]。手工监测法原理简单，最初用于测量烟尘排放的浓度，但是精度较差且不能进行连续测量。射线法基本不受射线穿过区的颗粒分布和湿度的影响，但存在辐射泄漏隐患，需要各种复杂、昂贵的结构设备用于辐射屏蔽。光学测试方法利用光的衰减和散射[5]等原理能够对气固两相流中的颗粒物平均浓度进行连续测量。其中基于光散射原理的消光法因颗粒物浓度计算直观，无需标定，在诸多光学方法中具有应用优势。

消光法以朗伯-比尔定律[6]为基础，当实验光束穿过含有颗粒的介质（粉体灭火剂）时，由于受到颗粒的散射和吸收，使得穿过介质后的透射光强受到衰减，其衰减程度与颗粒的大小和数量（浓度）有关。

朗伯-比尔定律：

（1）

其中，I0表示入射光强，I表示出射光强；Nv表示被测粉体颗粒的粒子数浓度；d表示被测粉体颗粒的粒径；为消光系数；L是待测粉体颗粒的区厚度。

当被测颗粒为单一球形颗粒时，以V表示单个球形颗粒的体积，ρ表示被测粉体颗粒的密度，将公式（1）改写成数量浓度Nv的表达式，带入质量公式得到质量浓度Mv，由公式（2）表示。

2 粉体灭火剂浓度测量方法

2.1 入射光和出射光光强测试系统设计

使用消光法测量粉体灭火剂浓度，首先需要选用合适的方法确定公式（2）中涉及的参数。对于待测的粉体灭火剂，颗粒粒径分布已知，光通过待测颗粒的区厚度可通过调节光发射和接收装置[7]确定。为求粉体质量浓度，只需测得实验装置的入射光和出射光。光强测试有多种方法。如果只采用单纯的透射方式，即使用单光源单探测器去测量待测区域的粉体浓度，光强变化受到光源本身稳定性的影响，不能较为科学直观地得出结论。采用普通的对比分析法，即采用相同的双光源和双探测器进行测试，虽然采用了控制变量法，但不够经济。

因此设计一种更为经济和准确的测试系统测量光强度变化。光强测量系统结构如图1所示。在激光器发射端增加一个分光镜，令其产生一个参考光I0'，发射给参考探测器进行光电转换，由I通过待测粉体区域之后变成I'然后发射给检测探测器进行光电转换，两个电信号输出之后送给差分放大器进行差分运算。当I发生变化时，参考入射光I0'也随之发生相同大小的变化变成I0"，I'也相应发生变化变成I"，但ΔI=I0'-I=I0"-I"仍然基本保持不变，这样就减小了光源的不稳定对测量系统精度的影响。

2.2 光强测量系统参数选取方法

在光强测量系统中，除入射光强I0和透射光强I外，还涉及其他关键参数。

（1）被测粉体灭火剂颗粒的成分和粒径分布也是影响测试结果的重要因素[9]，两者在测试前已知或可通过粒径仪等装置测出。

（2）消光系数。在工程应用中，对于粒径在μm级的颗粒，其消光系数可取2作为近似值，而μm级是常见的粉体灭火剂颗粒尺寸。

（3）吸收层厚度L也是需要确定的重要因素。根据朗伯-比尔定律可知当L过大而被测粉体的颗粒浓度也较大时，透射光I就会趋于0。如果吸收层厚度L过小，则透射光I和入射光I0无明显区别。本研究通过实验测试，吸收层厚度选为1m，并结合实验情况认为吸收层厚度可在此值上下调整。

3 基于消光原理的粉体灭火剂浓度测量实验

3.1 实验设计

为验证以上原理和参数确定方法的可行性，自制密封实验箱，选用简易激光发射和接收装置，开展浓度测量实验，实验箱结构如图2所示。实验箱容积1m3，激光光路由实验箱尺寸确定约1m。左侧为激光发射端，采用波长623nm的红色半导体激光器作为光源，右侧以接收面平整的灵敏激光功率计作为激光接收端，激光透过箱壁上预留的透光孔形成激光光路。以激光功率计的测试数据作为激光强度的指标，根据光学原理两者为正相关。

实验使用常用的手提式干粉灭火剂作为待测样品。其主要成分为磷酸二氢铵，平均粒径50μm，材料密度1.803 g/cm3。保持每次实验按压灭火剂喷出量近似相等，进行三次试验，计算平均值作为最终实验结果。

3.2 实验结果及分析

将三次实验结果的平均值代入公式（2），得到实验箱内粉体灭火剂浓度在箱体中部的变化情况。实验及计算结果见表1。释放灭火剂1min后，计算得粉体浓度值与喷粉前后使用称重的方法得到的浓度估计值相当。

由测试结果可见，灭火剂浓度值随时间变化和粉体沉降而明显降低，符合粉体运动规律。虽然实验未采用精确的方法计量实验箱中部的粉体浓度，但实验结果清晰的印证了采用光学方法在一定空间范围内动态测量大量粉体浓度的可行性，也证实了实验原理选择的合理性。

4 结语

本研究通过理论和实验分析，选用光散射原理对空间内粉体灭火剂浓度动态测量方法开展研究，选用合适的设计模型，对模型参数的取得方法进行了细致的分析，最后使用自制实验装置依照本文提及的测试方法进行了灭火剂浓度的测试。

（1）基于消光法进行粉体灭火剂空间浓度测量是最为有效的测试方法。合理设计光强发射和接收系统得到的光强比值，可以作为浓度计算的关键参数。

（2）实验结果表明，在实验距离为1 m，粉体灭火剂浓度高，可见度明显降低的情况下，本研究提出的空间内粉体灭火剂浓度动态测量方法可以有效地反映测试空间内粉体浓度的变化，该测试方法具有可行性。

虽然本研究提出的方法真实地反映了空间内灭火剂浓度的实时变化，但其测试结果与真实浓度之间可能还存在误差，需要通过更细致的理论与实验分析进行修正，以实时读取准确的浓度数据。

参考文献

[1] 陈卫，何振江，杨冠玲，罗罡，郭永彩，谢莉莉.超细粉体粒度测量技术现状和新方法的探索[J].重庆大学学报（自然科学版），1997（3）：78-82.

[2] 潘琦，赵延军，汤光华，许传龙，王式民.一种新型激光粉尘浓度在线测量仪的研究[J].仪器仪表学报，2007（6）：1070-1074.

[3] 刘淑文，李达刚，肖弟伦，等.固体螺旋进料器.中国专利[P].CN2130165Y， 1993.

[4] 刘小虎.粉尘浓度测量技术研究[D].西安：西安工业大学，2013.

[5] 雷志勇，顾维一，苏建军，王泽民.激光在烟尘环境中的传输特性分析与仿真[J].西安工业大学学报，2012，（8）：684-688.

[6] 章艳.多相流颗粒浓度测量中的标定技术研究[D].西安：西安工业大学，2013.

[7] 刘爱华.超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究[D].南京：南京理工大学，2006.